A dispersão é um fenômeno associado à refração da luz. Embora possa ocorrer com qualquer tipo de onda e com qualquer comprimento de onda de luz, é frequentemente discutido com respeito à luz visível. Afinal, a dispersão é a razão dos arco-íris!
Definição de Dispersão
Dispersão, às vezes mais especificamente chamadadispersão cromática, ocorre quando as velocidades de diferentes componentes de uma onda de luz dependem dos comprimentos de onda desses componentes. Tipos específicos de dispersão cromática são definidos pelo que causa a dependência da velocidade no comprimento de onda.
Tipos de dispersão
Paradispersão de material, isso significa que o índice de refração em um material difere ligeiramente dependendo do comprimento de onda. (Lembre-se de que o índice de refração é n = c / v, ondecé a velocidade da luz no vácuo evé a velocidade da luz no meio fornecido.)
O quanto um material realmente dispersa a luz é medido por um parâmetro chamado número de Abbe. Para calcular o número de Abbe, você precisa medir vários índices de refração no material que vêm das emissões de luz características de certos elementos; essas emissões de luz acontecem apenas em certos comprimentos de onda exatos, criando linhas individuais em cada um desses comprimentos de onda no espectro, e o padrão dessas linhas é exclusivo para cada elemento.
Os índices de refração necessários para calcular o número de Abbe são: o índice do azulFlinha de hidrogênio, o amareloDlinhas de sódio e a linha vermelha C de hidrogênio. Estes são três diferentes comprimentos de onda de luz que terão diferentes índices de refração no meio, e o número de Abbe para o meio é então calculado usando a seguinte equação:
v = \ frac {n_D-1} {n_F-n_C}
Se um material tiver um número de Abbe menor, ele terá mais dispersão no espectro visível.
Dispersão de guia de ondasé quando a velocidade de uma onda de luz em um guia de ondas depende de sua frequência devido à geometria da estrutura do guia de ondas. Em uma fibra óptica, a dispersão do material e do guia de ondas geralmente está presente.
A dispersão do material ocorre devido a diferentes índices de refração em um meio, dependendo do comprimento de onda; a dispersão do guia de ondas ocorre devido à estrutura do guia de ondas, fazendo com que a luz de diferentes comprimentos de onda viaje em diferentes velocidades. Outro tipo de dispersão é chamadodispersão do modo de polarização, onde a velocidade de uma onda de luz depende de sua polarização no meio.
Um tipo ligeiramente mais complexo de dispersão édispersão de velocidade de grupo. As ondas de luz podem viajar em "pacotes de ondas", também conhecidos como "sinais" ou "pulsos", e a velocidade desses pulsos é chamada de velocidade de grupo. Dentro dos pulsos estão componentes de onda de diferentes frequências; a dispersão da velocidade do grupo ocorre quando esses componentes começam a se separar devido a terem velocidades diferentes no meio. O pulso então começa a se "espalhar", perdendo informações. Essa degradação do sinal é um grande problema em sistemas de comunicação ótica que usam fibras óticas.
Lei de Snell
A quantidade de curvas de luz ao passar de um meio para outro é determinada pela lei de Snell. Para um ângulo de incidênciaθeue ângulo de refraçãoθr,
n_i \ sin {\ theta_i} = n_r \ sin {\ theta_r}
Ondeneué o índice de refração do meio incidente enré o índice de refração do segundo meio.
Se uma onda de luz viaja de um meio com um alto índice de refração para um com um índice muito mais baixo, com um ângulo de incidência grande o suficiente, a lei de Snell exige que o seno do ângulo de refração seja maior que 1. Isso é tecnicamente impossível e significa que a onda de luz não refletirá de forma alguma; na verdade, ele refletirá inteiramente fora da fronteira entre os dois médiuns. Isso é chamado de reflexão interna total.
Vários cientistas descobriram independentemente essa lei ao longo da história, incluindo René Descartes.
Prismas triangulares e arco-íris
O índice de refração em materiais tende a ser mais alto para luz azul com comprimento de onda mais curto e mais baixo para luz vermelha com comprimento de onda mais longo. Isso significa que a luz azul viajará mais lentamente através de um meio dispersivo do que a luz vermelha.
Quando a luz branca incide sobre um prisma triangular, por exemplo, a dispersão dos diferentes comprimentos de onda causa a separação da luz por cores diferentes, criando um arco-íris.