Η διασπορά είναι ένα φαινόμενο που σχετίζεται με τη διάθλαση του φωτός. Αν και μπορεί να συμβεί με οποιονδήποτε τύπο κύματος και με οποιοδήποτε μήκος κύματος φωτός, συζητείται συχνά σε σχέση με το ορατό φως. Η διασπορά, εξάλλου, είναι ο λόγος για τα ουράνια τόξα!
Ορισμός της διασποράς
Διασπορά, μερικές φορές πιο συγκεκριμέναχρωματική διασπορά, συμβαίνει όταν οι ταχύτητες διαφορετικών συστατικών ενός κύματος φωτός εξαρτώνται από τα μήκη κύματος αυτών των συστατικών. Οι συγκεκριμένοι τύποι χρωματικής διασποράς καθορίζονται από το τι προκαλεί την εξάρτηση της ταχύτητας από το μήκος κύματος.
Τύποι διασποράς
Γιαδιασπορά υλικού, αυτό σημαίνει ότι ο δείκτης διάθλασης σε ένα υλικό διαφέρει ελαφρώς ανάλογα με το μήκος κύματος. (Θυμηθείτε ότι ο δείκτης διάθλασης είναι n = c / v, όπουντοείναι η ταχύτητα του φωτός σε κενό καιβείναι η ταχύτητα του φωτός στο δεδομένο μέσο.)
Το πόσο πραγματικά ένα υλικό διασκορπίζει το φως μετράται από μια παράμετρο που ονομάζεται αριθμός Abbe. Για να υπολογίσετε τον αριθμό του Abbe, πρέπει να μετρήσετε αρκετούς δείκτες διάθλασης στο υλικό που προέρχονται από τις χαρακτηριστικές εκπομπές φωτός ορισμένων στοιχείων. Αυτές οι εκπομπές φωτός συμβαίνουν μόνο σε συγκεκριμένα ακριβή μήκη κύματος, δημιουργώντας μεμονωμένες γραμμές σε κάθε ένα από αυτά τα μήκη κύματος στο φάσμα, και το μοτίβο αυτών των γραμμών είναι μοναδικό για κάθε στοιχείο.
Οι δείκτες διάθλασης που απαιτούνται για τον υπολογισμό του αριθμού του Abbe είναι: ο δείκτης του μπλεφάγραμμή υδρογόνου, το κίτρινορεγραμμές νατρίου και την κόκκινη γραμμή υδρογόνου C. Αυτά είναι τρία διαφορετικά μήκη κύματος φωτός που όλα θα έχουν διαφορετικούς δείκτες διάθλασης στο μέσο και ο αριθμός του Abbe για το μέσο στη συνέχεια υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση:
v = \ frac {n_D-1} {n_F-n_C}
Εάν ένα υλικό έχει μικρότερο αριθμό Abbe, θα έχει μεγαλύτερη διασπορά στο ορατό φάσμα.
Διασπορά κυματοδηγούείναι όταν η ταχύτητα ενός φωτός κύματος σε έναν κυματοδηγό εξαρτάται από τη συχνότητά του λόγω της γεωμετρίας της δομής του κυματοδηγού. Σε μια οπτική ίνα, συνήθως υπάρχει διασπορά υλικού και κυματοδηγού.
Η διασπορά του υλικού συμβαίνει λόγω διαφορετικών δεικτών διάθλασης σε ένα μέσο ανάλογα με το μήκος κύματος. Η διασπορά κυματοδηγού συμβαίνει λόγω της δομής του κυματοδηγού που προκαλεί φως διαφορετικών μηκών κύματος να κινείται με διαφορετικές ταχύτητες. Ο άλλος τύπος διασποράς ονομάζεταιδιασπορά τρόπου πόλωσης, όπου η ταχύτητα ενός φωτεινού κύματος εξαρτάται από την πόλωσή του στο μέσο.
Ένας ελαφρώς πιο περίπλοκος τύπος διασποράς είναιδιασπορά ταχύτητας ομάδας. Τα κύματα φωτός μπορούν να ταξιδεύουν σε «πακέτα κυμάτων», επίσης γνωστά ως «σήματα» ή «παλμούς», και η ταχύτητα αυτών των παλμών ονομάζεται ομαδική ταχύτητα. Μέσα στους παλμούς υπάρχουν συνιστώσες κυμάτων διαφορετικών συχνοτήτων. η διασπορά της ταχύτητας της ομάδας εμφανίζεται όταν αυτά τα συστατικά αρχίζουν να διαχωρίζονται λόγω του ότι έχουν διαφορετικές ταχύτητες στο μέσο. Ο παλμός στη συνέχεια αρχίζει να "απλώνεται", χάνοντας πληροφορίες. Αυτή η υποβάθμιση του σήματος είναι ένα μεγάλο πρόβλημα σε συστήματα οπτικών επικοινωνιών που χρησιμοποιούν οπτικές ίνες.
Ο νόμος του Snell
Το πόσο λυγίζει το φως όταν περνά από το ένα μέσο στο άλλο καθορίζεται από τον νόμο του Snell. Για μια γωνία πρόσπτωσηςθΕγώκαι γωνία διάθλασηςθρ,
n_i \ sin {\ theta_i} = n_r \ sin {\ theta_r}
όπουνΕγώείναι ο διαθλαστικός δείκτης του μέσου συμβάντος καινρείναι ο διαθλαστικός δείκτης του δεύτερου μέσου.
Εάν ένα φωτεινό κύμα ταξιδεύει από ένα μέσο με υψηλό δείκτη διάθλασης σε ένα με πολύ χαμηλότερο δείκτη, με ένα αρκετά μεγάλη γωνία πρόσπτωσης, ο νόμος του Snell απαιτεί το ημίτονο της γωνίας διάθλασης να είναι μεγαλύτερο από 1. Αυτό είναι τεχνικά αδύνατο και σημαίνει ότι το φως κύματος δεν θα αντανακλά καθόλου. Στην πραγματικότητα, θα αντανακλά εντελώς το όριο μεταξύ των δύο μέσων. Αυτό ονομάζεται συνολική εσωτερική αντανάκλαση.
Αρκετοί επιστήμονες ανακάλυψαν ανεξάρτητα αυτόν τον νόμο κατά τη διάρκεια της ιστορίας, συμπεριλαμβανομένης της Rene Descartes.
Τριγωνικά πρίσματα και ουράνια τόξα
Ο δείκτης διάθλασης σε υλικά τείνει να είναι υψηλότερος για μικρότερο μπλε φως μήκους κύματος και χαμηλότερος για κόκκινο φως μεγαλύτερου μήκους κύματος. Αυτό σημαίνει ότι το μπλε φως θα ταξιδεύει πιο αργά μέσω ενός μέσου διασποράς από ό, τι το κόκκινο φως.
Όταν το λευκό φως εμφανίζεται σε ένα τριγωνικό πρίσμα, για παράδειγμα, η διασπορά των διαφορετικών μηκών κύματος προκαλεί διαχωρισμό του φωτός με διαφορετικό χρώμα, δημιουργώντας ένα ουράνιο τόξο.