การกระจายตัวเป็นปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการหักเหของแสง แม้ว่าจะเกิดขึ้นได้กับคลื่นประเภทใดก็ตามและกับความยาวคลื่นของแสงใดๆ แต่มักมีการกล่าวถึงแสงที่มองเห็น การกระจายตัวเป็นสาเหตุของรุ้ง!
คำจำกัดความของการกระจายตัว
การกระจายตัว บางครั้งเรียกว่าเจาะจงมากกว่า moreการกระจายตัวของสีเกิดขึ้นเมื่อความเร็วของส่วนประกอบต่าง ๆ ของคลื่นแสงขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของส่วนประกอบเหล่านั้น ประเภทเฉพาะของการกระจายตัวของสีถูกกำหนดโดยสิ่งที่ทำให้เกิดการพึ่งพาความเร็วกับความยาวคลื่น
ประเภทของการกระจายตัว
สำหรับการกระจายตัวของวัสดุซึ่งหมายความว่าดัชนีการหักเหของแสงในวัสดุจะแตกต่างกันเล็กน้อยขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น (จำได้ว่าดัชนีหักเหคือ n = c/v โดยที่คคือ ความเร็วแสงในสุญญากาศ และวีคือ ความเร็วแสงในตัวกลางที่กำหนด)
จำนวนวัสดุที่กระจายแสงจริง ๆ วัดโดยพารามิเตอร์ที่เรียกว่าหมายเลขของ Abbe ในการคำนวณจำนวน Abbe คุณต้องวัดดัชนีการหักเหของแสงหลายตัวในวัสดุที่มาจากการปล่อยแสงที่เป็นลักษณะเฉพาะขององค์ประกอบบางอย่าง การปล่อยแสงเหล่านี้เกิดขึ้นที่ความยาวคลื่นที่แน่นอนเท่านั้น สร้างเส้นแต่ละเส้นที่ความยาวคลื่นแต่ละช่วงในสเปกตรัม และรูปแบบของเส้นเหล่านี้มีเอกลักษณ์เฉพาะสำหรับแต่ละองค์ประกอบ
ดัชนีหักเหที่จำเป็นในการคำนวณจำนวน Abbe คือ: ดัชนีของสีน้ำเงินFสายไฮโดรเจน สีเหลืองดเส้นโซเดียมและเส้นสีแดงของไฮโดรเจน นี่คือความยาวคลื่นที่แตกต่างกันสามช่วงของแสงซึ่งทั้งหมดจะมีดัชนีการหักเหของแสงในตัวกลางต่างกัน จากนั้นจึงคำนวณตัวเลขของ Abbe สำหรับตัวกลางโดยใช้สมการต่อไปนี้
v=\frac{n_D-1}{n_F-n_C}
ถ้าวัสดุมีจำนวนของ Abbe ต่ำกว่า มันจะมีการกระจายตัวมากกว่าสเปกตรัมที่มองเห็นได้
การกระจายตัวของท่อนำคลื่นคือเมื่อความเร็วของคลื่นแสงในท่อนำคลื่นขึ้นอยู่กับความถี่ของมันเนื่องจากรูปทรงของโครงสร้างของท่อนำคลื่น ในใยแก้วนำแสง มักจะมีการกระจายวัสดุและท่อนำคลื่น
การกระจายตัวของวัสดุเกิดขึ้นเนื่องจากดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกันในตัวกลางขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น การกระจายตัวของท่อนำคลื่นเกิดขึ้นเนื่องจากโครงสร้างของท่อนำคลื่นทำให้แสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันเดินทางด้วยความเร็วต่างกัน การกระจายตัวอีกประเภทหนึ่งเรียกว่าการกระจายโหมดโพลาไรซ์โดยที่ความเร็วของคลื่นแสงขึ้นอยู่กับโพลาไรซ์ในตัวกลาง
การกระจายตัวที่ซับซ้อนกว่าเล็กน้อยคือการกระจายความเร็วของกลุ่ม. คลื่นแสงสามารถเดินทางใน "แพ็กเก็ตคลื่น" หรือที่เรียกว่า "สัญญาณ" หรือ "พัลส์" และความเร็วของพัลส์เหล่านั้นเรียกว่าความเร็วของกลุ่ม ภายในพัลส์นั้นมีส่วนประกอบของคลื่นที่มีความถี่ต่างกัน การกระจายตัวของความเร็วของกลุ่มเกิดขึ้นเมื่อส่วนประกอบเหล่านี้เริ่มแยกออกจากกันเนื่องจากมีความเร็วต่างกันในตัวกลาง จากนั้นชีพจรก็เริ่ม "กระจาย" ทำให้ข้อมูลสูญหาย ความเสื่อมโทรมของสัญญาณนี้เป็นปัญหาใหญ่ในระบบการสื่อสารด้วยแสงที่ใช้ใยแก้วนำแสง
กฎของสเนลล์
แสงจะโค้งงอมากเพียงใดเมื่อผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางนั้นพิจารณาจากกฎของ Snell สำหรับมุมตกกระทบθผมและมุมหักเหθr,
n_i\sin{\theta_i}=n_r\sin{\theta_r}
ที่ไหนนผมเป็นดัชนีหักเหของตัวกลางเหตุการณ์และนrคือดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลางที่สอง
หากคลื่นแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงไปยังคลื่นที่มีดัชนีต่ำกว่ามากด้วย a มุมตกกระทบที่ใหญ่พอ กฎของสเนลล์กำหนดให้ไซน์ของมุมหักเหมากกว่า 1. สิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ในทางเทคนิค และหมายความว่าคลื่นแสงจะไม่สะท้อนเลย อันที่จริง มันจะสะท้อนขอบเขตระหว่างสื่อทั้งสองโดยสิ้นเชิง นี่เรียกว่าการสะท้อนภายในทั้งหมด
นักวิทยาศาสตร์หลายคนค้นพบกฎนี้โดยอิสระตลอดประวัติศาสตร์ รวมทั้ง Rene Descartes
ปริซึมสามเหลี่ยมและสายรุ้ง
ดัชนีการหักเหของแสงในวัสดุมีแนวโน้มสูงขึ้นสำหรับแสงสีน้ำเงินที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า และต่ำกว่าสำหรับแสงสีแดงที่มีความยาวคลื่นยาวกว่า ซึ่งหมายความว่าแสงสีน้ำเงินจะเดินทางผ่านตัวกลางที่กระจายตัวได้ช้ากว่าแสงสีแดง
เมื่อแสงสีขาวตกกระทบบนปริซึมสามเหลี่ยม ตัวอย่างเช่น การกระจายตัวของความยาวคลื่นต่างๆ ทำให้เกิดการแยกแสงด้วยสีที่ต่างกัน ทำให้เกิดรุ้งกินน้ำ