Dispersia este un fenomen asociat cu refracția luminii. Deși poate apărea cu orice tip de undă și cu orice lungime de undă a luminii, este adesea discutată cu privire la lumina vizibilă. Dispersia, la urma urmei, este motivul curcubeilor!
Definiția Dispersion
Dispersie, uneori mai specific numitădispersie cromatică, apare atunci când viteza diferitelor componente ale unei unde de lumină depinde de lungimile de undă ale acestor componente. Tipurile specifice de dispersie cromatică sunt definite de ceea ce determină dependența vitezei de lungimea de undă.
Tipuri de dispersie
Pentrudispersie materială, aceasta înseamnă că indicele de refracție dintr-un material diferă ușor în funcție de lungimea de undă. (Reamintim că indicele de refracție este n = c / v, undeceste viteza luminii în vid șiveste viteza luminii în mediul dat.)
Cât de mult un material dispersează efectiv lumina se măsoară printr-un parametru numit numărul lui Abbe. Pentru a calcula numărul lui Abbe, trebuie să măsurați mai mulți indici de refracție în material care provin din emisiile de lumină caracteristice ale anumitor elemente; aceste emisii de lumină se întâmplă numai la anumite lungimi de undă exacte, creând linii individuale la fiecare dintre acele lungimi de undă din spectru, iar modelul acestor linii este unic pentru fiecare element.
Indicii de refracție necesari pentru a calcula numărul lui Abbe sunt: indicele albastruFlinia de hidrogen, galbenulDlinii de sodiu și linia roșie C de hidrogen. Acestea sunt trei lungimi de undă diferite ale luminii, care vor avea toți indici de refracție diferiți în mediu, iar numărul lui Abbe pentru mediu este apoi calculat folosind următoarea ecuație:
v = \ frac {n_D-1} {n_F-n_C}
Dacă un material are un număr mai mic de Abbe, va avea o dispersie mai mare pe spectrul vizibil.
Dispersia ghidului de undăeste atunci când viteza unei unde luminoase într-un ghid de undă depinde de frecvența sa din cauza geometriei structurii ghidului de undă. Într-o fibră optică, atât materialul, cât și dispersia ghidului de undă sunt de obicei prezente.
Dispersia materialului apare datorită diferiților indici de refracție într-un mediu în funcție de lungimea de undă; dispersia ghidului de undă are loc datorită structurii ghidului de undă, determinând lumina de diferite lungimi de undă să circule la viteze diferite. Un alt tip de dispersie se numeștedispersie mod polarizare, unde viteza unei unde de lumină depinde de polarizarea acesteia în mediu.
Un tip de dispersie ceva mai complex estedispersia vitezei grupului. Undele luminoase pot călători în „pachete de unde”, cunoscute și sub denumirea de „semnale” sau „impulsuri”, iar viteza acestor impulsuri se numește viteză de grup. În interiorul impulsurilor sunt componente de undă cu frecvențe diferite; dispersia vitezei de grup apare atunci când aceste componente încep să se separe datorită vitezei diferite în mediu. Pulsul începe apoi să se „răspândească”, pierzând informații. Această degradare a semnalului este o mare problemă în sistemele de comunicații optice care utilizează fibre optice.
Legea lui Snell
Câtă lumină se îndoaie când trece dintr-un mediu în altul este determinată de legea lui Snell. Pentru un unghi de incidențăθeuși unghiul de refracțieθr,
n_i \ sin {\ theta_i} = n_r \ sin {\ theta_r}
Undeneueste indicele de refracție al mediului incident șinreste indicele de refracție al celui de-al doilea mediu.
Dacă o undă luminoasă se deplasează de la un mediu cu un indice de refracție ridicat la unul cu un indice mult mai mic, cu un unghiul de incidență suficient de mare, legea lui Snell impune ca sinusul unghiului de refracție să fie mai mare decât 1. Acest lucru este imposibil din punct de vedere tehnic și înseamnă că unda de lumină nu se va reflecta deloc; de fapt, se va reflecta în întregime de la granița dintre cele două medii. Aceasta se numește reflexie internă totală.
Mai mulți oameni de știință au descoperit în mod independent această lege pe parcursul istoriei, inclusiv Rene Descartes.
Prisme triunghiulare și curcubee
Indicele de refracție al materialelor tinde să fie mai mare pentru lumina albastră cu lungime de undă mai mică și mai mic pentru lumina roșie cu lungime de undă mai mare. Aceasta înseamnă că lumina albastră va călători mai încet printr-un mediu dispersiv decât va face lumina roșie.
De exemplu, atunci când lumina albă este incidentă pe o prismă triunghiulară, dispersarea diferitelor lungimi de undă determină separarea luminii de diferite culori, creând un curcubeu.