Основным понятием геометрической оптики является понятие светового луча. Законы, определяющие направления световых лучей – закон прямолинейного распространения в однородной среде, законы отражения и преломления, – были открыты опытным путем.
Ньютоном было открыто, что показатель преломления не зависит от угла падения светового пучка, но он зависит от цвета. Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Радужную окраску изображения, даваемого линзой, наблюдали, конечно, и до него. Было замечено также, что радужные края имеют предметы, рассматриваемые чрез призму. Пучок световых лучей, прошедших через призму, окрашивается по краям.
Ньютон направил на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Эту радужную полоску Ньютон назвал спектром. Спектром называют совокупность цветов, расположенных в соответствии с длиной волны.
Видимый белый свет – это результат наложения электромагнитных волн с различными длинами волн, которые по отдельности воспринимаются наблюдателем как различные цвета. Таким образом, цвета в спектре – это цвета, содержащиеся в свете белого цвета. Их последовательность соответствует уменьшению длины волны – от красного до фиолетового.
Важный вывод, к которому пришел Ньютон гласит: «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости. Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других – красные».
Зависимость показателя преломления света от его цвета (длины волны) носит название дисперсии (от лат. dispergo – разбрасываю).
Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света с различной длиной волны в прозрачном веществе – оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета).
Различают нормальную и аномальную дисперсии. При нормальной дисперсии с уменьшением длины волны (ростом частоты) показатель преломления увеличивается. Нормальная дисперсия наблюдается у веществ, прозрачных для света. Обычно чем меньше длина (больше частота) волны, тем больше показатель преломления среды и меньше её скорость света в ней. Так, у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления, у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,
Однако в некоторых веществах (например в парах йода) наблюдается эффект аномальной дисперсии, при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные. То есть при аномальной дисперсии с уменьшением длины волны (ростом частоты) показатель преломления уменьшается. Аномальная дисперсия наблюдается в областях частот, соответствующих полосам интенсивного поглощения света в данной среде.
Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света.
Дисперсией объясняется факт появления разноцветной радуги после дождя.
Дисперсия является причиной хроматической аберрации (искажения изображения) – одного из тщательно устраняемых недостатков (аберраций) оптических систем, в том числе фото и видообъективов.
Благодаря дисперсии света, можно наблюдать цветную «игру света» на гранях бриллианта и других прозрачных гранёных материалов.