Dyspersja to zjawisko związane z załamaniem światła. Chociaż może wystąpić przy dowolnym typie fali i przy dowolnej długości fali światła, często omawia się to w odniesieniu do światła widzialnego. W końcu rozproszenie jest przyczyną tęczy!
Definicja dyspersji
Dyspersja, czasami bardziej konkretnie nazywanaDyspersja chromatyczna, występuje, gdy prędkości różnych składowych fali świetlnej zależą od długości fal tych składowych. Określone typy dyspersji chromatycznej są definiowane przez to, co powoduje zależność prędkości od długości fali.
Rodzaje dyspersji
Dlarozproszenie materiału, oznacza to, że współczynnik załamania w materiale różni się nieznacznie w zależności od długości fali. (Przypomnijmy, że współczynnik załamania światła wynosi n = c/v, gdziedoto prędkość światła w próżni ivto prędkość światła w danym ośrodku.)
Jak bardzo materiał faktycznie rozprasza światło, mierzy się parametrem zwanym liczbą Abbego. Aby obliczyć liczbę Abbego, musisz zmierzyć kilka współczynników załamania w materiale, które pochodzą z charakterystycznych emisji światła niektórych pierwiastków; te emisje światła zachodzą tylko przy pewnych dokładnych długościach fal, tworząc indywidualne linie na każdej z tych długości fal w widmie, a wzór tych linii jest unikalny dla każdego elementu.
Wskaźniki załamania potrzebne do obliczenia liczby Abbego to: indeks koloru niebieskiegofalinia wodoru, żółtyrelinie sodu i czerwona linia C wodoru. Są to trzy różne długości fal światła, które będą miały różne współczynniki załamania w ośrodku, a liczba Abbego dla ośrodka jest następnie obliczana przy użyciu następującego równania:
v=\frac{n_D-1}{n_F-n_C}
Jeśli materiał ma niższą liczbę Abbego, będzie miał większą dyspersję w widmie widzialnym.
Dyspersja falowoduma miejsce, gdy prędkość fali świetlnej w falowodzie zależy od jego częstotliwości ze względu na geometrię struktury falowodu. W światłowodzie zwykle występuje zarówno dyspersja materiału, jak i falowodu.
Dyspersja materiału występuje z powodu różnych współczynników załamania w ośrodku w zależności od długości fali; dyspersja falowodu występuje ze względu na strukturę falowodu, która powoduje, że światło o różnych długościach fal przemieszcza się z różnymi prędkościami. Inny rodzaj dyspersji nazywa siędyspersja polaryzacji, gdzie prędkość fali świetlnej zależy od jej polaryzacji w ośrodku.
Nieco bardziej złożony rodzaj dyspersji togrupowa dyspersja prędkości. Fale świetlne mogą podróżować w „pakietach falowych”, znanych również jako „sygnały” lub „impulsy”, a prędkość tych impulsów nazywana jest prędkością grupową. W impulsach znajdują się składowe falowe o różnych częstotliwościach; grupowa dyspersja prędkości występuje, gdy te składniki zaczynają się rozdzielać z powodu różnych prędkości w ośrodku. Puls zaczyna się wtedy „rozchodzić”, tracąc informacje. Ta degradacja sygnału jest dużym problemem w optycznych systemach komunikacyjnych wykorzystujących światłowody.
Prawo Snella
To, ile światła ugina się przy przechodzeniu z jednego medium do drugiego, określa prawo Snella. Dla kąta padaniaθjai kąt załamaniaθr,
n_i\sin{\theta_i}=n_r\sin{\theta_r}
gdzieniejajest współczynnikiem załamania ośrodka padającego inierjest współczynnikiem załamania drugiego ośrodka.
Jeśli fala świetlna przechodzi z ośrodka o wysokim współczynniku załamania światła do ośrodka o znacznie niższym współczynniku, przy wystarczająco duży kąt padania, prawo Snella wymaga, aby sinus kąta załamania był większy niż 1. Jest to technicznie niemożliwe, a to oznacza, że fala świetlna w ogóle nie będzie odbijać; w rzeczywistości całkowicie odbije się od granicy między tymi dwoma mediami. Nazywa się to całkowitym odbiciem wewnętrznym.
Kilku naukowców niezależnie odkryło to prawo na przestrzeni historii, w tym Rene Descartes.
Trójkątne pryzmaty i tęcze
Współczynnik załamania w materiałach jest zwykle wyższy dla światła niebieskiego o krótszej długości fali i niższy dla światła czerwonego o dłuższej fali. Oznacza to, że światło niebieskie będzie podróżować wolniej przez ośrodek dyspersyjny niż światło czerwone.
Kiedy białe światło pada na przykład na trójkątny pryzmat, rozpraszanie różnych długości fal powoduje rozdzielenie światła na inny kolor, tworząc tęczę.