Dispersie is een fenomeen dat samenhangt met de breking van licht. Hoewel het kan voorkomen bij elk type golf en bij elke golflengte van licht, wordt het vaak besproken met betrekking tot zichtbaar licht. Verspreiding is tenslotte de reden voor regenbogen!
Definitie van dispersie
Dispersie, soms specifieker genoemdchromatische dispersie, treedt op wanneer de snelheden van verschillende componenten van een lichtgolf afhangen van de golflengten van die componenten. Specifieke soorten chromatische dispersie worden gedefinieerd door wat de afhankelijkheid van snelheid op golflengte veroorzaakt.
Soorten dispersie
Voormateriaal dispersie, dit betekent dat de brekingsindex in een materiaal enigszins verschilt, afhankelijk van de golflengte. (Bedenk dat de brekingsindex n = c/v is, waarbijcis de lichtsnelheid in een vacuüm envis de lichtsnelheid in het gegeven medium.)
Hoeveel een materiaal daadwerkelijk licht verspreidt, wordt gemeten door een parameter die het getal van Abbe wordt genoemd. Om het getal van Abbe te berekenen, moet je verschillende brekingsindices in het materiaal meten die afkomstig zijn van de karakteristieke lichtemissies van bepaalde elementen; deze lichtemissies vinden alleen plaats bij bepaalde exacte golflengten, waardoor individuele lijnen ontstaan bij elk van die golflengten in het spectrum, en het patroon van deze lijnen is uniek voor elk element.
De brekingsindices die nodig zijn om het getal van Abbe te berekenen zijn: de index van het blauwFlijn van waterstof, de geleDlijnen van natrium en de rode C lijn van waterstof. Dit zijn drie verschillende golflengten van licht die allemaal verschillende brekingsindices in het medium hebben, en het Abbe-getal voor het medium wordt vervolgens berekend met behulp van de volgende vergelijking:
v=\frac{n_D-1}{n_F-n_C}
Als een materiaal een lager Abbe-getal heeft, zal het meer dispersie hebben over het zichtbare spectrum.
Golfgeleider dispersieis wanneer de snelheid van een lichtgolf in een golfgeleider afhangt van de frequentie vanwege de geometrie van de structuur van de golfgeleider. In een optische vezel is meestal zowel materiaal- als golfgeleiderdispersie aanwezig.
Materiaaldispersie treedt op als gevolg van verschillende brekingsindices in een medium, afhankelijk van de golflengte; golfgeleiderdispersie treedt op als gevolg van de structuur van de golfgeleider die ervoor zorgt dat licht van verschillende golflengten met verschillende snelheden reist. Een ander type dispersie wordt genoemdpolarisatie modus dispersie:, waar de snelheid van een lichtgolf afhangt van de polarisatie in het medium.
Een iets complexer type dispersie is:spreiding van groepssnelheid velocity. Lichtgolven kunnen reizen in "golfpakketten", ook bekend als "signalen" of "pulsen", en de snelheid van die pulsen wordt een groepssnelheid genoemd. Binnen de pulsen zijn golfcomponenten van verschillende frequenties; groepssnelheidsdispersie treedt op wanneer deze componenten beginnen te scheiden vanwege verschillende snelheden in het medium. De puls begint zich dan te "verspreiden", waardoor informatie verloren gaat. Deze degradatie van het signaal is een groot probleem in optische communicatiesystemen die optische vezels gebruiken.
De wet van Snell
Hoeveel licht buigt wanneer het van het ene medium naar het andere gaat, wordt bepaald door de wet van Snellius. Voor een invalshoekθiken brekingshoekθr,
n_i\sin{\theta_i}=n_r\sin{\theta_r}
waarneeikis de brekingsindex van het invallende medium enneeris de brekingsindex van het tweede medium.
Als een lichtgolf reist van een medium met een hoge brekingsindex naar een met een veel lagere index, met a hoek van inval groot genoeg is, vereist de wet van Snell dat de sinus van de brekingshoek groter is dan 1. Dit is technisch onmogelijk, en het betekent dat de lichtgolf helemaal niet zal reflecteren; in feite zal het volledig reflecteren op de grens tussen de twee media. Dit wordt totale interne reflectie genoemd.
Verschillende wetenschappers hebben deze wet onafhankelijk van elkaar ontdekt in de loop van de geschiedenis, waaronder Rene Descartes.
Driehoekige prisma's en regenbogen
De brekingsindex in materialen is meestal hoger voor blauw licht met een kortere golflengte en lager voor rood licht met een langere golflengte. Dit betekent dat blauw licht langzamer door een dispersief medium zal reizen dan rood licht.
Wanneer wit licht bijvoorbeeld op een driehoekig prisma valt, veroorzaakt het verspreiden van de verschillende golflengten scheiding van licht door verschillende kleuren, waardoor een regenboog ontstaat.
