Что такое дисперсия света

3. Поляризация света. Дисперсия света

При прохождении света лампы через одноосную турмалиновую пластинку интенсивность света уменьшится, но при вращении пластинки изменяться не будет (рис. \(1\)). Если свет будет проходить через две идентичные пластинки, то вращением второй пластинки относительно первой можно добиться уменьшения интенсивности света вплоть до нуля (рис. \(1\)). Отсюда следует, что световой луч от источника света осесимметричен относительно оси распространения света, а после прохождения через первый кристалл луч перестаёт быть осесимметричным. Явление, при котором световой луч перестаёт иметь осевую симметрию, называется поляризацией.
Поскольку на приёмники излучения (в том числе на сетчатку глаза) действует электрическое поле световой волны, а векторы напряжённости электрического поля и индукции магнитного перпендикулярны (\(\vec\perp\vec\)), то будем говорить только о направлении колебаний электрического поля.

Рис. \(1\). Схема опыта с микрокристаллической пластинкой
Поляризация

Предположим, что в свете источника колебания вектора напряжённости электрического поля совершаются по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения. Такой свет называется естественным (рис. \(2\)а). Также предположим, что кристалл пропускает только световые волны, колебания электрической напряжённости которых лежат в одной плоскости, и поглощает колебания, совершаемые в других плоскостях. Кристалл с таким свойством называют поляризатором, а такой свет — плоскополяризованным (рис. \(2\)б).

Рис. \(2\). Модели света: а) естественный свет, б) плоскополяризованный свет

Дисперсией света называется явление, когда скорость света в среде зависит от частоты (или длины) волны \(\lambda=c/\nu\). То есть показатель преломления вещества можно рассматривать как функцию от частоты \(n=n(\nu)=n(\lambda)\). В зависимости от того, как меняется показатель преломления с увеличением длины волны, различают нормальную (с ростом длины волны показатель преломления уменьшается) (рис. \(3\)а) и аномальную (с ростом длины волны показатель преломления увеличивается) (рис. \(3\)б) дисперсии.

Дисперсия света: что это такое, причины, примеры

Дисперсия света (разложение света; светорассеяние) — это разложение света в спектр, обусловленное зависимостью показателя преломления среды от частоты световой волны.

Наверное, вы уже наблюдали явление образования разноцветной дуги в небе — радугу. Если нет, то, возможно, вы видели разноцветные капли росы солнечным утром. Если вам не нравится дождь и вы не любите вставать по утрам, поставьте перед собой стакан с газированной минеральной водой так, чтобы его освещали солнечные лучи. Затем вы увидите, что пузырьки газа в стекле меняют свой цвет и светятся. Все эти явления являются проявлениями разложения (дисперсии) света.

Разложение солнечного света с помощью призмы, проведенное Ньютоном в 1665-66 годах, было признано научным миром как один из десяти самых красивых экспериментов в истории физики. Таким образом, ученый продемонстрировал, что белый свет на самом деле представляет собой смесь цветов. При этом повторное соединение всех цветов в спектре дает белый свет.

Разложение белого света

Физиком, который впервые доказал, что белый свет представляет собой смесь различных цветов, был Исаак Ньютон, первооткрыватель закона всемирного тяготения. Именно Ньютон использовал призму в своем эксперименте.

Призма — это твердое тело из оптически прозрачного материала (обычно стекла), представляющее собой призму с треугольным основанием. Когда свет проходит через призму, он преломляется дважды: сначала на границе раздела воздух-стекло (при входе в призму), а затем на границе раздела стекло-воздух (при выходе из призмы). Ход светового луча в призме показан на рисунке 1 ниже.

Опыт. Как и почему рассеивается свет?

Проверим гипотезу о том, что белый свет разлагается, потому что он представляет собой смесь основных, простых цветов.

Что вам понадобится?

• источник белого света (светодиодный фонарик, проектор);
• щель;
• призма с подставкой;
• экран.

Инструкция.

1. Расположите щель вертикально непосредственно за источником света.
2. Направьте источник света на одну стенку призмы.
3. Расположите экран так, чтобы свет падал на него после прохождения через призму.

Вывод, который получим в результате опыта.

На экране мы наблюдаем так называемый спектр белого света, который представляет собой набор цветов от фиолетового до красного в результате дисперсии пучка белого света. Таким образом, белый свет представляет собой смесь цветов.

Каков механизм формирования спектра белого света? Луч света, представляющий собой смесь цветов, претерпевает двойное преломление при прохождении через призму (см. рисунок 2). Каждый компонент преломляется под разным углом, поскольку скорость его распространения меняется при переходе из одной среды в другую.

Помните! При прохождении через призму фиолетовый свет отклоняется от своего первоначального направления в наибольшей степени, а красный — в наименьшей.

Дисперсия света уже происходит, когда белый свет попадает в призму. При выходе из призмы углы преломления, под которыми цветовые компоненты белого света покидают призму, увеличиваются, делая явление более заметным.

Дисперсия света может объяснить многие явления, наблюдаемые в природе, например, образование радуги.

Причина дисперсии света

Причина разложения белого света через призму заключается в следующем: свет разных цветов и, следовательно, разных длин волн имеет разную скорость распространения в материале, например, в стекле. В том же стекле, например, скорость распространения синего света ниже, чем красного.

Следовательно, согласно закону преломления света, синий свет преломляется сильнее, чем красный. В результате различного преломления разных частей белого света, свет разворачивается веером, образуя спектр. Это также называется спектром призмы. При использовании белого света создается непрерывный спектр.

Длины волн и частоты спектральных цветов

Видимый нами диапазон спектра охватывает диапазон длин волн от 390 нм до 780 нм. Это соответствует диапазону частот от 7,7⋅10 14 Гц до 3,8⋅10 14 Гц.

В направлении более длинных волн (более коротких частот) присоединяется инфракрасный свет, а в направлении более коротких волн (более высоких частот) присоединяется ультрафиолетовый свет.

На рисунке 3 приведены частоты и длины волн для шести спектральных цветов. Из данных видно, что каждый спектральный цвет охватывает определенный диапазон длин волн.

Поэтому необходимо проводить различие между светом спектрального цвета (всегда включает в себя диапазон длин волн) и светом определенной длины волны (всегда является частью света спектрального цвета).

Проблемы, возникающие при дисперсии света

Дисперсия света — красивое и эффектное явление, но оно также может доставлять неприятности. Первые наблюдения за небом проводились с помощью телескопов, которые имели одинарные стеклянные линзы.

Когда луч света проходит через линзу и преломляется, как в призме, особенно в «толстых» линзах, свет может «расщепляться» на основные цвета. Каждый цвет имеет свою фокусную точку (фокус) — поэтому нет единой точки, в которой сходятся все световые лучи. В результате вы можете заметить цветовую кайму (см. рисунок 4) вокруг наблюдаемых объектов и ощутить снижение остроты зрения.

Это явление называется хроматической аберрацией. Определение этого понятия следующее:

Хроматическая аберрация — это дефект линзы, вызванный разложением белого света на составляющие цвета, так что каждый цвет имеет свой собственный фокус, расположенный на разном расстоянии от линзы.

Хроматическая аберрация влияет на качество изображения как при астрономических наблюдениях, проводимых с помощью простых телескопов, так и в процессе обычной фотосъемки, поскольку фотоаппараты оснащены пластиковыми или стеклянными линзами. Этот эффект можно устранить, используя вместо отдельных линз систему соответствующим образом подобранных линз (ахроматическая система).

Примеры

Приведу следующие примеры явлений, где наблюдается дисперсии света:

• Дисперсия белого света через призму. Как показано на рисунке 2, когда белый свет падает на призму, из нее выходит «коллекция» из семи цветов из-за дисперсии.
• Дисперсия из-за масла на дороге. Небольшое количество масла обычно присутствует на поверхности дороги, например, смазочное масло из автомобилей, что приводит к появлению полос красивых цветов во время дождя.
• Образование радуги. Радуга считается одним из самых удивительных световых проявлений, когда-либо наблюдавшихся на планете. Радуга — это многоцветная дуга, образованная светом, падающим на капли воды. Радуга образуется во время дождя в результате поглощения, преломления и рассеивания света в капельках воды. Все эти явления создают в небе световой спектр, который и называется радугой.
• Дисперсия в алмазе. Это когда белый свет попадает в алмаз (или любой другой плотный объект), разделяется на все спектральные цвета радуги и отражается обратно в глаза наблюдателя в виде прекрасного проявления цветного света, также известного как «алмазный огонь».

Что такое дисперсия света

Физика

Электродинамика

Магнитное поле

Механические колебания

Электромагнитные колебания

Механические волны

Электромагнитные волны

Оптика

Геометрическая оптика

Задачи на сферическое зеркало

Линза

Волновая оптика

Основы теории относительности

Основы квантовой физики

Излучения и спектры

Световые кванты

Атомная физика

Ядерная физика

Физика элементарных частиц

Открытие позитрона. Античастицы

Современная физическая картина мира

Современная физическая картина мира

Строение Вселенной

Строение Вселенной

Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд

Наша галактика и другие галактики

Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной

Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов

«Красное смещение» в спектрах галактик

Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной

Наблюдение солнечных пятен, звёздных скоплений, туманностей и галактик

Медиаматериалы

Дисперсия света

Диспе́рсия све́та, совокупность оптических явлений, обусловленных зависимостью показателя преломления n n n (или диэлектрической проницаемости ε ε ε ) среды от частоты ω ω ω ( длины волны λ λ λ ) и волнового вектора k \boldsymbol k k распространяющейся в ней световой волны. Термин «дисперсия света» введён И. Ньютоном (1672) для описания разложения белого света в спектр при преломлении в стеклянной призме (рис. 1). В настоящее время этот термин употребляется и в более широком смысле; по аналогии с дисперсией света, дисперсией также называют явления, обусловленные зависимостью распространения волн любой другой природы от длины волны или частоты ( дисперсия волн ). По этой причине, например, термин «дисперсионное соотношение» (« дисперсионное уравнение ») – количественное соотношение, связывающее частоту и волновой вектор ω = ω ( k ) , ω = ω(\boldsymbol k), ω = ω ( k ) , – применяется не только к электромагнитной волне , но к любому волновому процессу.

Отклик среды на воздействие световой волны является инерционным и нелокальным, т. е. значение электрической индукции D D D в данный момент времени t t t и в данной точке r 0 r_0 r 0 ​ зависит от значений напряжённости электрического поля E E E в предыдущие моменты времени Рис. 1. Схематическое представление разложения белого света в спектр при прохождении через стеклянную призму вследствие дисперсии света в стекле. Рис. 1. Схематическое представление разложения белого света в спектр при прохождении через стеклянную призму вследствие дисперсии света в стекле. (временна́я, или частотная, дисперсия света) и значений E E E в окрестности этой точки ( пространственная дисперсия света). Частотная дисперсия более существенна, т. к. частоты оптического излучения ω (порядка 10 15 Гц) соизмеримы с внутриатомными (молекулярными) процессами. Эффекты пространственной дисперсии 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 ) n(ω) n ( ω ) . Для большинства оптических материалов показатель преломления растёт с частотой (фиолетовые лучи преломляются сильнее красных; см. рис. 1) – нормальная дисперсия света, но вблизи собственных частот поглощения вещества наблюдается обратная зависимость – аномальная дисперсия света .

В классической теории дисперсии света Х. А. Лоренца оптические электроны (находящиеся на внешней орбите атомов прозрачных диэлектриков и вызывающие поглощение и излучение света) рассматриваются как гармонические осцилляторы . Под действием электрического поля световой волны они совершают вынужденные колебания . Когда частота световой волны приближается к собственной частоте колебаний, амплитуда колебаний увеличивается, возникает явление резонанса и поглощение света возрастает. В этом случае показатель преломления становится комплексной величиной n ~ = n – i ϰ = O ¨ ε , ñ = n – iϰ = Öε, n ~ = n – i ϰ = O ¨ ε , где n n n – действительная часть показателя преломления, связанная с фазовой скоростью света υ ф υ_ф υ ф ​ соотношением υ ф = с / n υ_ф = с/n υ ф ​ = с / n ( c c c – скорость света), ϰ ϰ ϰ – коэффициент поглощения, зависимость которого от частоты определяет форму линии поглощения.

Рис. 2. Зависимости показателя преломления и коэффициента поглощения для газа от частоты света. Рис. 2. Зависимости показателя преломления и коэффициента поглощения для газа от частоты света. На рис. 2 представлены зависимости n n n и ϰ ϰ ϰ для газа от частоты света ω ; ω; ω ; видно, что область нормальной дисперсии света находится вне пределов полосы поглощения , а область аномальной дисперсии света расположена в области полосы поглощения. При распространении света в конденсированной среде , в которой внутренние поля соизмеримы со световым полем, учитывают взаимодействие молекул и выражение для n n n усложняется.

В квантовой теории дисперсии света атом рассматривают как квантово-механическую систему с дискретным набором энергетических состояний; вместо частоты колебания атомного осциллятора вводят частоту атомных переходов ω = ( E i – E k ) / ℏ , ω = (ℰ_i – ℰ_k)/\hbar, ω = ( E i ​ – E k ​ ) /ℏ , где E i ℰ_i E i ​ и E k ℰ_k E k ​ – энергии i i i -го и k k k —го состояний. Переход с более низкого энергетического 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 дисперсии света, наблюдавшиеся в средах с инверсной населённостью , когда переходы с верхних уровней на нижние сопровождаются усилением света, – т. н. отрицательную дисперсию .

Дисперсию света учитывают при расчёте и анализе характеристик оптических элементов и приборов, при описании распространения световых импульсов в диспергирующей среде , где они могут существенно искажаться (расплываться или сжиматься). Последний эффект играет особенно важную роль в оптоволоконных линиях связи .

Дисперсия света является причиной хроматической аберрации оптических систем.

Опубликовано 29 ноября 2022 г. в 19:02 (GMT+3). Последнее обновление 10 мая 2023 г. в 21:35 (GMT+3). Связаться с редакцией