12. Дисперсия света

1. Нормальная дисперсия

В широком смысле этого слова, дисперсия света – это зависимость его характеристик от длины световой волны. Например, дисперсия оптической активности ( [α₀] = f ( ) ) Но чаще всего дисперсией

света называют зависимость от длины волны показателя преломления

n = f ( ).

Опыт показывает, что у большинства прозрачных сред в видимой части спектра при увеличении длины световой волны показатель преломления n уменьшается. Это явление и называется нормальной дисперсией. Нормальная дисперсия была открыта Ньютоном в 1672 году. При пропускании через призму узкого пучка белого солнечного света он разлагается на разные цвета: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, синий, фиолетовый (см. рис. 6.18 а). (Иногда, между зелёным и синим называют, перечисляя цвета солнечного спектра, и голубой цвет, но это – ошибка. Голубой цвет – не чистый, а смесь синего с белым). Эмпирическая, то есть подобранная на основе опыта формула, описывающая зависимость показателя преломления n от длины волны :

n = a +

а и в – константы, для каждого вещества свои.

Рис. 6.17. Нормальная дисперсия– а и б, нормальная (н) и аномальная (а) дисперсия - в (объяснения в тексте).

На рисунке 6.17 б) эта зависимость представлена графически. У дисперсионных спектров в отличие от дифракционных большой недостаток – они неравномерные. Сильнее растянута коротковолновая фиолетово-синяя часть, а длинноволновая красно- оранжевая сжата. Тем не менее, дисперсия активно использовалась и используется в приборах спектрального анализа для разложения исследуемого излучения на спектральные монохроматические составляющие. Но в высокоточных современных приборах для этой цели применяются не дисперсионные, а дифракционные приборы, но они значительно сложнее и дороже.

2. Качественное объяснение причины нормальной дисперсии

Показатель преломления показывает во сколько раз скорость электромагнитной волны в среде меньше её скорости в вакууме

n =

Здесь = _ф - фазовая скорость – скорость перемещения волновой поверхности, то есть поверхности, в которой колебания совершаются в одной фазе. Есть ещё групповая скорость _гр – скорость переноса энергии. Для гармонической плоской монохроматической волны, распространяющейся в среде без ограничения во времени и пространстве _ф = _гр.

На самом деле чаще имеем дело с «волновым пакетом» - ограниченной во времени и пространстве смесью волн с разной длиной. В этом случае в диспергирующей среде: _{ф гр}

Дисперсия света объясняется зависимостью фазовой скорости от длины волны и, соответственно, от частоты. Распространяясь в среде, световая электромагнитная волна вызывает вынужденные колебания электронов атомов вещества. Колеблющиеся электроны - источники вторичной волны, которая накладывается на проходящую волну. Вторичная волна излучается с запаздыванием по времени по сравнению с падающей, то есть в среде фазовая скорость уменьшается. Это запаздывание тем больше, чем больше частота , то есть, чем меньше длина волны . Поэтому при увеличении частоты и, соответственно, уменьшении длины волны показатель преломления увеличивается, а при уменьшении частоты, увеличении длины волны уменьшается.