La dispersione è un fenomeno associato alla rifrazione della luce. Sebbene possa verificarsi con qualsiasi tipo di onda e con qualsiasi lunghezza d'onda della luce, viene spesso discusso rispetto alla luce visibile. La dispersione, dopotutto, è la ragione degli arcobaleni!
Definizione di dispersione
Dispersione, a volte chiamata più specificamentedispersione cromatica, si verifica quando le velocità dei diversi componenti di un'onda luminosa dipendono dalle lunghezze d'onda di tali componenti. Tipi specifici di dispersione cromatica sono definiti da ciò che causa la dipendenza della velocità dalla lunghezza d'onda.
Tipi di dispersione
Perdispersione di materiale, questo significa che l'indice di rifrazione in un materiale differisce leggermente a seconda della lunghezza d'onda. (Ricordiamo che l'indice di rifrazione è n = c/v, dovecè la velocità della luce nel vuoto evè la velocità della luce nel mezzo dato.)
Quanto un materiale disperde effettivamente la luce è misurato da un parametro chiamato numero di Abbe. Per calcolare il numero di Abbe è necessario misurare diversi indici di rifrazione nel materiale che derivano dalle emissioni luminose caratteristiche di alcuni elementi; queste emissioni di luce si verificano solo a determinate lunghezze d'onda esatte, creando linee individuali a ciascuna di quelle lunghezze d'onda nello spettro e il modello di queste linee è unico per ciascun elemento.
Gli indici di rifrazione necessari per calcolare il numero di Abbe sono: l'indice del bluFlinea dell'idrogeno, il gialloDlinee del sodio e la linea rossa C dell'idrogeno. Queste sono tre diverse lunghezze d'onda della luce che avranno tutti diversi indici di rifrazione nel mezzo, e il numero di Abbe per il mezzo viene quindi calcolato utilizzando la seguente equazione:
v=\frac{n_D-1}{n_F-n_C}
Se un materiale ha un numero di Abbe inferiore, avrà una maggiore dispersione nello spettro visibile.
Dispersione della guida d'ondaè quando la velocità di un'onda luminosa in una guida d'onda dipende dalla sua frequenza a causa della geometria della struttura della guida d'onda. In una fibra ottica sono solitamente presenti sia la dispersione del materiale che quella della guida d'onda.
La dispersione del materiale si verifica a causa di diversi indici di rifrazione in un mezzo a seconda della lunghezza d'onda; la dispersione della guida d'onda si verifica a causa della struttura della guida d'onda che fa sì che la luce di diverse lunghezze d'onda viaggi a velocità diverse. Un altro tipo di dispersione è chiamatomodalità di polarizzazione dispersione, dove la velocità di un'onda luminosa dipende dalla sua polarizzazione nel mezzo.
Un tipo di dispersione leggermente più complesso èdispersione della velocità di gruppo. Le onde luminose possono viaggiare in "pacchetti d'onda", noti anche come "segnali" o "impulsi", e la velocità di quegli impulsi è chiamata velocità di gruppo. All'interno degli impulsi ci sono componenti d'onda di diverse frequenze; la dispersione della velocità di gruppo si verifica quando questi componenti iniziano a separarsi a causa della diversa velocità nel mezzo. L'impulso inizia quindi a "diffondersi", perdendo informazioni. Questa degradazione del segnale è un grosso problema nei sistemi di comunicazione ottica che utilizzano fibre ottiche.
Legge di Snell
Quanta luce si piega quando passa da un mezzo all'altro è determinata dalla legge di Snell. Per un angolo di incidenzaθioe angolo di rifrazioneθr,
n_i\sin{\theta_i}=n_r\sin{\theta_r}
dovenioè l'indice di rifrazione del mezzo incidente enrè l'indice di rifrazione del secondo mezzo.
Se un'onda luminosa viaggia da un mezzo con un alto indice di rifrazione ad uno con un indice molto più basso, con a angolo di incidenza sufficientemente ampio, la legge di Snell richiede che il seno dell'angolo di rifrazione sia maggiore di 1. Questo è tecnicamente impossibile e significa che l'onda luminosa non rifletterà affatto; infatti, si rifletterà interamente sul confine tra i due mezzi. Questa è chiamata riflessione interna totale.
Diversi scienziati hanno scoperto in modo indipendente questa legge nel corso della storia, incluso René Descartes.
Prismi triangolari e arcobaleni
L'indice di rifrazione nei materiali tende ad essere più alto per la luce blu a lunghezza d'onda più corta e più basso per la luce rossa a lunghezza d'onda più lunga. Ciò significa che la luce blu viaggerà più lentamente attraverso un mezzo dispersivo rispetto alla luce rossa.
Quando la luce bianca è incidente su un prisma triangolare, ad esempio, la dispersione delle diverse lunghezze d'onda provoca la separazione della luce per colore diverso, creando un arcobaleno.