|
Дисперсия света - это зависимость показателя преломления n вещества от длины волны света (в вакууме) |
или, что то же самое, зависимость фазовой скорости световых волн от частоты:
|
Дисперсией вещества называется производная от n по |
Дисперсия - зависимость показателя преломления вещества от частоты волны – особенно ярко и красиво проявляет себя совместно с эффектом двойного лучепреломления (см. Видео 6.6 в предыдущем параграфе), наблюдаемом при прохождении света через анизотропные вещества. Дело в том, что показатели преломления обыкновенной и необыкновенной волн различно зависят от частоты волны. В результате цвет (частота) света прошедшего через анизотропное вещество помещенное между двумя поляризаторами зависит как от толщины слоя этого вещества, так и от угла между плоскостями пропускания поляризаторов.
Для всех прозрачных бесцветных веществ в видимой части спектра с уменьшением длины волны показатель преломления увеличивается, то есть дисперсия вещества отрицательна: . (рис. 6.7, области 1-2, 3-4)
Если вещество поглощает свет в каком-то диапазоне длин волн (частот), то в области поглощения дисперсия
оказывается положительной и называется аномальной (рис. 6.7, область 2–3).
Рис. 6.7. Зависимость квадрата показателя преломления (сплошная кривая) и коэффициента поглощения света веществом
(штриховая кривая) от длины волны
l
вблизи одной из полос поглощения
()
Изучением нормальной дисперсии занимался ещё Ньютон. Разложение белого света в спектр при прохождении сквозь призму является следствием дисперсии света. При прохождении пучка белого света через стеклянную призму на экране возникает разноцветный спектр (рис. 6.8).
Рис. 6.8. Прохождение белого света через призму: вследствие различия значений показателя преломления стекла для разных
длин волн пучок разлагается на монохроматические составляющие - на экране возникает спектр
Наибольшую длину волны и наименьший показатель преломления имеет красный свет, поэтому красные лучи отклоняются призмой меньше других. Рядом с ними будут лучи оранжевого, потом желтого, зеленого, голубого, синего и, наконец, фиолетового света. Произошло разложение падающего на призму сложного белого света на монохроматические составляющие (спектр).
Ярким примером дисперсии является радуга. Радуга наблюдается, если солнце находится за спиной наблюдателя. Красные и фиолетовые лучи преломляются сферическими капельками воды и отражаются от их внутренней поверхности. Красные лучи преломляются меньше и попадают в глаз наблюдателя от капелек, находящихся на большей высоте. Поэтому верхняя полоса радуги всегда оказывается красной (рис. 26.8).
Рис. 6.9. Возникновение радуги
Используя законы отражения и преломления света, можно рассчитать ход световых лучей при полном отражении и дисперсии в дождевых каплях. Оказывается, что лучи рассеиваются с наибольшей интенсивностью в направлении, образующем угол около 42° с направлением солнечных лучей (рис. 6.10).
Рис. 6.10. Расположение радуги
Геометрическое место таких точек представляет собой окружность с центром в точке 0. Часть ее скрыта от наблюдателя Р под горизонтом, дуга над горизонтом и есть видимая радуга. Возможно также двойное отражение лучей в дождевых каплях, приводящее к радуге второго порядка, яркость которой, естественно, меньше яркости основной радуги. Для нее теория дает угол 51 °, то есть радуга второго порядка лежит вне основной. В ней порядок цветов заменен на обратный: внешняя дуга окрашена в фиолетовый цвет, а нижняя - в красный. Радуги третьего и высших порядков наблюдаются редко.
Элементарная теория дисперсии. Зависимость показателя преломления вещества от длины электромагнитной волны (частоты) объясняется на основе теории вынужденных колебаний. Строго говоря, движение электронов в атоме (молекуле) подчиняется законам квантовой механики. Однако для качественного понимания оптических явлений можно ограничиться представлением об электронах, связанных в атоме (молекуле) упругой силой. При отклонении от равновесного положения такие электроны начинают колебаться, постепенно теряя энергию на излучение электромагнитных волн или передавая свою энергию узлам решетки и нагревая вещество. В результате этого колебания будут затухающими.
При прохождении через вещество электромагнитная волна воздействует на каждый электрон с силой Лоренца:
|
|
где v - скорость колеблющегося электрона. В электромагнитной волне отношение напряженностей магнитного и электрического полей равно
Поэтому нетрудно оценить отношение электрической и магнитной сил, действующих на электрон:
|
|
Электроны в веществе движутся со скоростями, много меньшими скорости света в вакууме:
|
|
где - амплитуда напряженности электрического поля в световой волне, - фаза волны, определяемая положением рассматриваемого электрона. Для упрощения вычислений пренебрежем затуханием и запишем уравнение движения электрона в виде
|
|
где, - собственная частота колебаний электрона в атоме. Решение такого дифференциального неоднородного уравнения мы уже рассматривали ранее и получили
|
|
Следовательно, смещение электрона из положения равновесия пропорционально напряженности электрического поля. Смещениями ядер из положения равновесия можно пренебречь, так как массы ядер весьма велики по сравнению с массой электрона.
Атом со смещенным электроном приобретает дипольный момент
(для простоты положим пока, что в атоме имеется только один «оптический» электрон, смещение которого вносит определяющий вклад в поляризацию). Если в единице объема содержится N атомов, то поляризованность среды (дипольный момент единицы объема) можно записать в виде
|
|
В реальных средах возможны разные типы колебаний зарядов (групп электронов или ионов), вносящих вклад в поляризацию. Эти типы колебаний могут иметь разные величины заряда е i и массы т i , а также различные собственные частоты (мы будем обозначать их индексом k), при этом число атомов в единице объема с данным типом колебаний N k пропорционально концентрации атомов N:
Безразмерный коэффициент пропорциональности f k характеризует эффективный вклад каждого типа колебаний в общую величину поляризации среды:
|
|
С другой стороны, как известно,
|
|
где - диэлектрическая восприимчивость вещества, которая связана с диэлектрической проницаемостью e соотношением
В результате получаем выражение для квадрата показателя преломления вещества:
|
|
Вблизи каждой из собственных частот функция , определяемая формулой (6.24), терпит разрыв. Такое поведение показателя преломления обусловлено тем, что мы пренебрегли затуханием. Аналогично, как мы видели ранее, пренебрежение затуханием приводит к бесконечному росту амплитуды вынужденных колебаний при резонансе. Учет затухания избавляет нас от бесконечностей, и функция имеет вид, изображенный на рис. 6.11.
Рис. 6.11. Зависимость диэлектрической проницаемости среды от частоты электромагнитной волны
Учитывая связь частоты с длиной электромагнитной волны в вакууме
можно получить зависимость показателя преломления вещества п от длины волны в области нормальной дисперсии (участки 1–2 и 3–4 на рис. 6.7):
|
|
Длины волн, соответствующие собственным частотам колебаний , - постоянные коэффициенты.
В области аномальной дисперсии () частота внешнего электромагнитного поля близка к одной из собственных частот колебаний молекулярных диполей, то есть возникает резонанс. Именно в этих областях (например, участок 2–3 на рис. 6.7) наблюдается существенное поглощение электромагнитных волн; коэффициент поглощения света веществом показан штриховой линией на рис. 6.7.
Понятие о групповой скорости. С явлением дисперсии тесно связано понятие о групповой скорости. При распространении в среде с дисперсией реальных электромагнитных импульсов, например известных нам цугов волн, испускаемых отдельными атомными излучателями, происходит их «расплывание» - расширение протяженности в пространстве и длительности во времени. Это связано с тем, что такие импульсы представляют собой не монохроматическую синусоидальную волну, а так называемый волновой пакет, или группу волн - совокупность гармонических составляющих с разными частотами и с разными амплитудами, каждая из которых распространяется в среде со своей фазовой скоростью (6.13).
Если бы волновой пакет распространялся в вакууме, то его форма и пространственно-временная протяженность оставались бы неизменными, а скоростью распространения такого цуга волн была бы фазовая скорость света в вакууме
Из-за наличия дисперсии зависимость частоты электромагнитной волны от волнового числа k становится нелинейной, и скорость распространения цуга волн в среде, то есть скорость переноса энергии, определяется производной
где - волновое число для «центральной» волны в цуге (обладающей наибольшей амплитудой).
Мы не будем выводить эту формулу в общем виде, но на частном примере поясним ее физический смысл. В качестве модели волнового пакета примем сигнал, состоящий из двух плоских волн, распространяющихся в одном направлении с одинаковыми амплитудами и начальными фазами , но различающихся частотами, сдвинутыми относительно «центральной» частоты на небольшую величину . Соответствующие волновые числа сдвинуты относительно «центрального» волнового числа на небольшую величину . Эти волны описываются выражениями.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Дисперсией света называют зависимость показателя преломления вещества (n) от частоты () или длины волны () света в вакууме (часто индекс 0 опускают):
Иногда дисперсию определяют как зависимость фазовой скорости (v) волн света от частоты.
Всем известное следствие дисперсии - это разложение белого света в спектр при прохождении сквозь призму. Первым свои наблюдения дисперсии света зафиксировал И. Ньютон. Дисперсия является следствием зависимости поляризованности атомов от частоты.
Графическая зависимость показателя преломления от частоты (или длины волны) - дисперсионная кривая.
Дисперсия возникает в результате колебаний электронов и ионов.
Дисперсия света в призме
Если монохроматический пучок света попадает на призму, показатель преломления вещества которой равен n, под углом (рис.1), то после двойного преломления луч отклоняется от первоначального направления на угол :
Если углы А, - маленькие, следовательно малыми являются все остальные углы в формуле (2). В таком случае закон преломления можно записать не через синусы этих углов, а непосредственно через величины самих углов в радианах:
Зная, что , имеем:
Следовательно, угол отклонения лучей при помощи призмы прямо пропорционален величине преломляющего угла призмы:
и зависит от величины . А нам известно, что показатель преломления - функция длины волны. Получается, что лучи, имеющие разные длины волн после того, как пройдут через призму, отклонятся на разные углы. Становится понятным, почему пучок белого света разложится в спектр.
Дисперсия вещества
Величина (D), равная:
называется дисперсией вещества . Она показывает быстроту изменения показателя преломления в зависимости от длины волны.
Показатель преломления для прозрачных веществ при уменьшении длины волны монотонно увеличивается, значит, величина D по модулю растет с уменьшением длины волны. Данная дисперсия называется нормальной. Явление нормальной дисперсии положено в основу действия призменных спектрографов, которые могут использоваться для исследования спектрального состава света.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | В чем состоят основные различия в дифракционном и призматическом спектрах? |
| Решение | Дифракционная решетка раскладывает свет по длинам волн. По полученным и измеренным углам на направления соответствующих максимумов можно рассчитать длину волны. В отличи от дифракционной решетки призма раскладывает свет по величинам показателя преломления, следовательно, для нахождения длины волны света необходимо иметь зависимость .
Кроме сказанного выше цвета в спектре, полученном в результате дифракции, и призматическом спектре расположены по-разному. Для дифракционной решетки было получено, что синус угла отклонения является пропорциональным длине волны. Значит, красные лучи дифракционная решетка отклоняет больше, чем фиолетовые. Призма раскладывает лучи по величинам показателя преломления, а он для всех прозрачных веществ при росте длины волны монотонно уменьшается. Получается, что красные лучи, обладающие меньшим показателем преломления, будут отклоняться призмой меньше, чем фиолетовые (рис.2). |
ПРИМЕР 2
| Задание | Каким будет угол отклонения () луча стеклянной призмой, если он нормально падает на ее грань? Показатель преломления вещества призмы равен n=1,5. Преломляющий угол призмы составляет тридцать градусов (). |
| Решение | При решении задачи можно воспользоваться рис. 1 в теоретической части статьи. Следует учесть, что . Из рис.1 следует, что
По закону преломления запишем:
Так как , получим, что . Из формулы (2.1) получим, что: |
Иногда, когда после сильного ливня вновь проглядывает солнце, можно увидеть радугу. Это происходит потому, что воздух насыщен мельчайшей водяной пылью. Каждая капля воды в воздухе выполняет роль крохотной призмы, дробящей свет на разные цвета.
Около 300 лет назад И.Ньютон пропустил солнечные лучи через призму. Он открыл, что белый свет – это «чудесная смесь цветов».
Это интересно… Почему в спектре белого света выделяют только 7 цветов?
Так, например, Аристотель указывал всего три цвета радуги: красный, зеленый, фиолетовый. Ньютон вначале выделил в радуге пять цветов, а позднее – десять. Однако, впоследствии, он остановился на семи цветах. Выбор объясняется, скорее всего, тем, что число семь считалось «магическим» (семь чудес света, семь недель и т.д.).
Дисперсия света впервые была экспериментально обнаружена Ньютоном в 1666 г., при пропускании узкого пучка солнечного света через стеклянную призму. В полученном им спектре белого света он выделил семь цветов: Из этого опыта Ньютон сделал вывод, что «световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломления». Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше всех – красные.
Белый свет является сложным светом, состоящим из волн различной длины (частоты). Каждой цветности соответствует своя длина и частота волны: красного, оранжевого, зеленого, голубого, синего, фиолетового – такое разложение света называется спектром.
Волны различной цветности по-разному преломляются в призме: меньше красного, больше – фиолетового. Призма отклоняет волны разной цветности на разные углы . Такое их поведение объясняется тем, что при переходе световых волн из воздуха в стеклянную призму скорость волн «красного цвета» изменяется меньше, чем «фиолетового цвета». Таким образом, чем меньше длина волны (больше частота), тем показатель преломления среды для таких волн больше.
Дисперсией называется зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны).
Для волн различной цветности показатели преломления данного вещества различны; вследствие этого при отклонении призмой белый свет разлагается в спектр .
При переходе монохроматической световой волны из воздуха в вещество длина световой волны уменьшается, частота колебаний остается неизменной . Неизменным остается цвет.
При наложении всех цветов спектра образуется белый свет.
Почему же мы видим предметы окрашенными? Краска не создает цвета , она избирательно поглощает или отражает свет.
Опорный конспект:
Вопросы для самоконтроля по теме «Дисперсия света»
- Что называют дисперсией света?
- Нарисуйте схемы получения спектра белого света с помощью стеклянной призмы.
- Почему белый свет, проходя через призму, дает спектр?
- Сравните показатели преломления для красного и фиолетового света.
- Какой свет распространяется в призме с большей скоростью – красный или фиолетовый?
- Как объяснить многообразие цветов в природе с точки зрения волновой оптики?
- Какого цвета будут видны через красный светофильтр окружающие предметы? Почему?
) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимостью фазовой скорости света в веществе от частоты (или длины волны). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года , хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.
Пространственной дисперсией называется зависимость тензора диэлектрической проницаемости среды от волнового вектора . Такая зависимость вызывает ряд явлений, называемых эффектами пространственной поляризации.
Энциклопедичный YouTube
1 / 3
Дисперсия и спектр света
Дисперсия света и Цвет тел
Дисперсия света. Цвета тел.
Субтитры
Свойства и проявления
Один из самых наглядных примеров дисперсии - разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является различие фазовых скоростей распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе - оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно, чем меньше длина световой волны, тем больше показатель преломления среды для неё и тем меньше фазовая скорость волны в среде:
- у света красного цвета фазовая скорость распространения в среде максимальна, а степень преломления - минимальна,
- у света фиолетового цвета фазовая скорость распространения в среде минимальна, а степень преломления - максимальна.
Однако в некоторых веществах (например в парах иода) наблюдается эффект аномальной дисперсии , при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. Говоря строже, аномальная дисперсия широко распространена, например, она наблюдается практически у всех газов на частотах вблизи линий поглощения, однако у паров иода она достаточно удобна для наблюдения в оптическом диапазоне, где они очень сильно поглощают свет.
Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света.
Огюстен Коши предложил эмпирическую формулу для аппроксимации зависимости показателя преломления среды от длины волны:
n = a + b / λ 2 + c / λ 4 {\displaystyle n=a+b/\lambda ^{2}+c/\lambda ^{4}} ,где λ {\displaystyle \lambda } - длина волны в вакууме; a , b , c - постоянные, значения которых для каждого материала должны быть определены в опыте. В большинстве случаев можно ограничиться двумя первыми членами формулы Коши. Впоследствии были предложены другие более точные, но и одновременно более сложные, формулы аппроксимации.
Дисперсия света (разложение света) — это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны света (частотная дисперсия), а также, от координаты (пространственная дисперсия), или, что то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.
Один из самых наглядных примеров дисперсии — разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе — оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета).
Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней:
Красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,
Фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.
Аномальная дисперсия — вид дисперсии света, при которой показатель преломления среды уменьшается с увеличением частоты световых колебаний.
где — показатель преломления среды,
— частота волны.
Согласно современным представлениям и нормальная, и аномальная дисперсии представляют собой явления единой природы. Эта точка зрения основывается на электромагнитной теории света, с одной стороны, и на электронной теории вещества, — с другой. Термин «аномальная дисперсия» сохраняет сегодня лишь исторический смысл, поскольку «нормальная дисперсия» — это дисперсия вдали от длин волн, при которых происходит поглощение света данным веществом, а «аномальная дисперсия» — это дисперсия в области полос поглощения света веществом.
Отличие аномальной дисперсии от нормальной в том, что в некоторых веществах (например в парах иода) при разложении света при прохождении призмы, синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. В нормальной дисперсии наоборот, красный свет преломляется на угол, меньший, чем тот, на который преломляется фиолетовый. (подробнее смотри тему "Дисперсия").
Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света. Белый свет разлагается на спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от нее (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции). Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр — равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.
Поглощение света - явление ослабления яркости света при его прохождении через вещество или при отражении от поверхности. Поглощение света происходит вследствие преобразования энергии световой волны во внутреннюю энергию вещества или в энергию вторичного излучения, имеющего иной спектральный состав и иное направление распространения.
Закон Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.
Закон выражается следующей формулой:
,
где I0 — интенсивность входящего пучка, l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, kλ — показатель поглощения.
Показатель поглощения — коэффициент, характеризующий свойства вещества и зависящий от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества.
Цвет — качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения, и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов. Индивидуальное восприятие цвета определяется его спектральным составом, а также цветовым и яркостным контрастом c окружающими источниками света, а также несветящимися объектами. Очень важны такие явления, как метамерия; особенности человеческого глаза, и психики.
Спектр поглощения — зависимость интенсивности поглощённого веществом излучения (как электромагнитного, так и акустического) от частоты. Он связан с энергетическими переходами в веществе. Спектр поглощения характеризуется так называемым коэффициентом поглощения который зависит от частоты и определяется как обратная величина к расстоянию, на котором интенсивность прошедшего потока излучения снижается в e раз. Для различных материалов коэффициент поглощения и его зависимость от длины волны различны..
С сегодняшних позиций, нормальная дисперсия — это дисперсия вдали от длин волн, при которых происходит поглощение света данным веществом, тогда как аномальная дисперсия — это дисперсия в области полос поглощения света веществом.
