ДИСПЕ́РСИЯ СВЕ́ТА
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ДИСПЕ́РСИЯ СВЕ́ТА, совокупность оптич. явлений, обусловленных зависимостью показателя преломления $n$ (или диэлектрич. проницаемости $ε$) среды от частоты $ω$ (длины волны $λ$) и волнового вектора $𝑘$ распространяющейся в ней световой волны. Термин «Д. с.» введён И. Ньютоном (1672) для описания разложения белого света в спектр при преломлении в стеклянной призме; теперь этот термин употребляется в более широком смысле (см. Дисперсия волн).
Отклик среды на воздействие световой волны является инерционным и нелокальным, т. е. значение электромагнитной индукции $D$ в данный момент времени $t$ и в данной точке $r_0$ зависит от значений напряжённости электрич. поля $E$ в предыдущие моменты времени (временна́я, или частотная, Д. с.) и значений $E$ в окрестности этой точки (пространственная Д. с.). Частотная дисперсия более существенна, т. к. частоты оптич. излучения $ω$ (порядка 1015 Гц) соизмеримы с внутриатомными (молекулярными) процессами. Эффекты дисперсии пространственной проявляются слабее.
При разложении белого света в спектр с помощью двух скрещённых стеклянных призм на экране образуется цветная полоса, дающая информацию о зависимости $n(ω)$. Для большинства оптич. материалов показатель преломления растёт с частотой (фиолетовые лучи преломляются сильнее красных) – нормальная Д. с., но вблизи собств. частот поглощения вещества наблюдается обратная зависимость – аномальная дисперсия света.
В классич. теории Д. с. Х. А. Лоренца оптич. электроны (находящиеся на внешней орбите атомов прозрачных диэлектриков и вызывающие поглощение и излучение света) рассматриваются как гармонич. осцилляторы. Под действием электрич. поля световой волны они совершают вынужденные колебания. Когда частота световой волны приближается к собств. частоте колебаний, амплитуда колебаний увеличивается, возникает явление резонанса и поглощение света возрастает. В этом случае показатель преломления становится комплексной величиной $ñ=n-iϰ=\sqrt \varepsilon$, где $n$ – действительная часть показателя преломления, связанная с фазовой скоростью света соотношением $v_ф=с/n$ ($c$ – скорость света), $ϰ$ – коэф. поглощения, зависимость которого от частоты определяет форму линии поглощения.
На рис. приведены зависимости $n$ и ϰ для газа от частоты света $ω$; видно, что область нормальной Д. с. находится вне пределов полосы поглощения, а область аномальной Д. с. расположена в области полосы поглощения. При распространении света в конденсированной среде, в которой внутр. поля соизмеримы со световым полем, учитывают взаимодействие молекул и выражение для $n$ усложняется.
В квантовой теории Д. с. атом рассматривают в виде квантовомеханич. системы с дискретным набором энергетич. состояний, вместо частоты колебания атомного осциллятора вводят частоту атомных переходов $ω=(ℰ_i-ℰ_k)/\hbar$, где $ℰ_i$ и $ℰ_k$ – энергии $i$-го и $𝑘$-го состояний. Переход с более низкого энергетич. состояния на более высокое сопровождается поглощением кванта энергии, а обратный переход – излучением. Воздействие электромагнитного поля световой волны на атом учитывается с помощью теории возмущений. Квантовая теория объяснила особенности Д. с., наблюдавшиеся в средах с инверсной населённостью, когда переходы с верхних уровней на нижние сопровождаются усилением света, – т. н. отрицательную дисперсию.
Д. с. учитывают при расчёте и анализе характеристик оптич. элементов и приборов, при описании распространения световых импульсов в диспергирующей среде, где они могут существенно искажаться (расплываться или сжиматься).