Дисперсия света

 ДИСПЕРСИЯ СВЕТА

1. Нормальная и аномальная дисперсия

Дисперсией света называются явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества n от частоты ν или длины волны λ света

[pic 1] или [pic 2].

Явление дисперсии света было известно давно, о ней знали Леонардо да Винчи, Галилей, Декарт и другие. Ньютон в 1672 г. выполнил ряд экспериментов по оптике. Один из этих экспериментов приводится на рис. 1.

В ставне окна было проделано небольшое отверстие. Солнечные лучи, пройдя отверстие и трехгранную призму, давали на стене целый окрашенный спектр. Ньютон показал, что белый свет состоит из смеси цветов и эту смесь можно разложить на составные цвета: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.[pic 3]

В настоящее время известно, что все среды, за исключением абсолютного вакуума, обладают дисперсией. Дисперсия бывает нормальной и аномальной. При нормальной дисперсии показатель преломления n увеличивается с уменьшением длины волны λ. Все прозрачные бесцветные вещества дают нормальную дисперсию. Для них [pic 4] имеет вид, показанный на рис.2.

Величина, определяющая, как быстро изменяется показатель преломления вещества n с изменением длины волны λ, т.е. величина

[pic 5],

называется дисперсией вещества: она также как и нормальная дисперсия, увеличивается с уменьшением длины волны.

При аномальной дисперсии показатель преломления n возрастает с ростом длины волны λ (рис. 3.). Все тела, дающие аномальную дисперсию в какой-либо области, сильно поглощают свет в этой области. Аномальная дисперсия тесно связана с поглощением света. Опыты показывают, что аномальный ход показателя преломления наблюдается внутри полосы поглощения. На рис. 4 коэффициент поглощения [pic 6] представлен сплошной линией; показатель преломления n пунктирной линией.[pic 7]

Аномальную дисперсию открыл в 1862 г. Леру, который наблюдал преломление света в призме, наполненной парами йода. Он обнаружил, что синие лучи преломляются меньше, чем красные. Аномальная дисперсия наблюдается также в жидкостях.[pic 8]

Напомним, что дисперсия света связана с зависимостью показателя преломления света п от частоты [pic 9] или длины [pic 10]. Не вдаваясь в теорию дисперсии, основанной на взаимодействии света с атомами и молекулами вещества, рассмотрим связь между показателем преломления п и свойствами среды, которые, в числе прочих, характеризуются также диэлектрической постоянной [pic 11]. Показатель преломления п и диэлектрическая постоянная [pic 12] не являются постоянными, а зависят от частоты падающей световой волны. Это явление электромагнитная теория Максвелла не могла объяснить. По этой теории п и [pic 13] величины постоянные и связаны соотношением

[pic 14].

В прозрачной среде [pic 15] и поэтому

[pic 16].

Классическая теория дисперсии была разработана лишь после создания Лоренцем электронной теории строения вещества. На качественном уровне суть электронной теории дисперсии можно представить следующим образом:

На вещество падает световая волна. Она вызывает в атомах и молекулах вещества колебания заряженных частиц. Колеблющиеся частицы (электроны) излучают вторичные световые волны с частотой, равной частоте [pic 17] падающей волны. Волны эти когерентны между собой и с первичной волной. Вторичные волны складываются с первичной и образуют результирующую волну с амплитудой и фазой, отличной от амплитуды и фазы первичных волн. В однородной среде вторичная волна имеет то же направление, что и падающая первичная волна, но фазовая скорость ее отлична от скорости, с которой она распространилась бы в пустоте. Смещение, сдвиг электронов внутри атомов или молекул из их положения равновесия вызывает поляризацию вещества, которая обуславливает его диэлектрические свойства.