дисперсія світла
ДИСПЕРСІЯ СВІТЛА, сукупність оптичних явищ, обумовлених залежністю показника заломлення n (або діелектричної проникності ε) середовища від частоти ω (довжини хвилі λ) і хвильового вектора k розповсюджується в ній світлової хвилі. Термін «дисперсія світла» введений І. Ньютоном (1672) для опису розкладання білого світла в спектр при ламанні в скляній призмі; тепер цей термін вживається в більш широкому сенсі (дивись Дисперсія хвиль).
Відгук середовища на вплив світлової хвилі є інерційним і нелокальним, т. Е. значення електромагнітної індукції D в даний момент часу t і в даній точці r0 залежить від значень напруженості електричного поля Е в попередні моменти часу (тимчасова, або частотна, дисперсія світла) і значень Е в околиці цієї точки (просторова дисперсія світла). Частотна дисперсія більш істотна, так як частоти оптичного випромінювання ω (близько 1015 Гц) сумірні з внутріатомними (молекулярними) процесами. Ефекти дисперсії просторової проявляються слабше.
Реклама
При розкладанні білого світла в спектр за допомогою двох схрещених скляних призм на екрані утворюється кольорова смуга, що дає інформацію про залежність n (ω). Для більшості оптичних матеріалів показник заломлення зростає з частотою (фіолетові промені заломлюються сильніше червоних) - нормальна дисперсія світла, але поблизу власних частот поглинання речовини спостерігається зворотна залежність - аномальна дисперсія світла.
У класичній теорії дисперсії світла Х. А. Лоренца оптичні електрони (що знаходяться на зовнішній орбіті атомів прозорих діелектриків і викликають поглинання і випромінювання світла) розглядаються як гармонійні осцилятори. Під дією електричного поля світлової хвилі вони здійснюють вимушені коливання. Коли частота світлової хвилі наближається до власної частоти коливань, амплітуда коливань збільшується, виникає явище резонансу і поглинання світла зростає. В цьому випадку показник заломлення стає комплексною величиною ñ = n - iκ = √ε, де n - дійсна частина показника заломлення, пов'язана з фазовою швидкістю світла співвідношенням υφ = с / n (з - швидкість світла), κ - коефіцієнт поглинання, залежність якого від частоти визначає форму лінії поглинання.
На малюнку наведено залежності n і κ для газу від частоти світла ω; видно, що область нормальної дисперсії світла знаходиться поза межами смуги поглинання, а область аномальної дисперсії світла розташована в області смуги поглинання. При поширенні світла в конденсованому середовищі, в якій внутрішні поля сумірні зі світловим полем, враховують взаємодію молекул, і вираз для n ускладнюється.
У квантовій теорії дисперсії світла атом розглядають у вигляді квантово-механічної системи з дискретним набором енергетичних станів, замість частоти коливання атомного осцилятора вводять частоту атомних переходів ω = (Ei - Ek) / k, де Ei і Ek - енергії i-го і k-го станів. Перехід з нижчого енергетичного стану на більш високе супроводжується поглинанням кванта енергії, а зворотний перехід - випромінюванням. Вплив електромагнітного поля світлової хвилі на атом враховується за допомогою теорії збурень. Квантова теорія пояснила особливості дисперсії світла, що спостерігалися в середовищах з інверсної населеністю, коли переходи з верхніх рівнів на нижні супроводжуються посиленням світла, - так звану негативну дисперсію.
Дисперсію світла враховують при розрахунку і аналізі характеристик оптичних елементів і приладів, при описі поширення світлових імпульсів в диспергирующей середовищі, де вони можуть істотно спотворюватися (розпливатися або стискатися).
Літ .: Борн М., Вольф Е. Основи оптики. 2-е изд. М., 1973; Ландсберг Г. С. Оптика. 6-е изд. М., 2003; Ахманов С. А., Нікітін С. Ю. Фізична оптика. 2-е изд. М., 2004; Сивухин Д. В. Загальний курс фізики. 3-е изд. М., 2006. Т. 4: Оптика.
П. В. Короленко.