Dyspersja - optyka - Polski Serwis Naukowy

Rozszczepienie światła białego w pryzmacie o dużej (u góry) i małej (na dole) dyspersji

Dyspersja w optyce – zależność współczynnika załamania ośrodka od częstotliwości fali świetlnej. Jednym ze skutków dyspersji jest to, że wiązki światła o różnych barwach, padające na granicę ośrodków pod kątem różnym od zera, załamują się pod różnymi kątami. Efekt ten można zaobserwować, gdy światło białe pada na pryzmat i ulega rozszczepieniu na barwy tęczy.

Fala - zaburzenie rozprzestrzeniające się w ośrodku lub przestrzeni. Fale przenoszą energię z jednego miejsca do drugiego bez transportu jakiejkolwiek materii. W przypadku fal mechanicznych cząstki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, oscylują wokół położenia równowagi.

Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) – rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Zaburzenie to ma charakter fali poprzecznej, w której składowa elektryczna i magnetyczna są prostopadłe do siebie, a obie są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się promieniowania. Oba pola indukują się wzajemnie – zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmienne pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne. Źródłem zmiennego pola elektromagnetycznego jest przyspieszający ładunek elektryczny. Najczęściej źródłem tego promieniowania jest ładunek wykonujący drgania.

Współczynnik załamania światła wynika z prędkości rozchodzenia się światła w ośrodku. W optyce za dyspersję uznaje się też zależność prędkości rozchodzenia się światła od innych czynników np. w falowodzie określa się dyspersję modową, w której prędkość ruchu modu wzdłuż falowodu zależy od jego drogi w falowodzie.

Optyka to dział fizyki, zajmujący się badaniem natury światła, prawami opisującymi jego emisję, rozchodzenie się, oddziaływanie z materią oraz pochłanianie przez materię. Optyka wypracowała specyficzne metody pierwotnie przeznaczone do badania światła widzialnego, stosowane obecnie także do badania rozchodzenia się innych zakresów promieniowania elektromagnetycznego - podczerwieni i ultrafioletu - zwane światłem niewidzialnym.

Tęcza – zjawisko optyczne i meteorologiczne występujące w postaci charakterystycznego wielobarwnego łuku, widocznego gdy Słońce oświetla krople wody w ziemskiej atmosferze. Tęcza powstaje w wyniku rozszczepienia światła załamującego się i odbijającego się wewnątrz kropli wody (np. deszczu) o kształcie zbliżonym do kulistego.

Zależność współczynnika załamania światła od długości fali światła nazywana jest współczynnikiem dyspersji i jest parametrem określającym własności minerałów. Minerały o dużej dyspersji odpowiednio oszlifowane mienią się różnymi barwami w wyniku rozszczepiania światła białego.

Prędkość grupowa – wielkość opisująca rozchodzenie się fal nieharmonicznych (innych niż sinusoidalne) w sytuacji, gdy natężenie fali nie wpływa na prędkość ruchu fali.

Załamanie w fizyce to zmiana kierunku rozchodzenia się fali (refrakcja fali) związana ze zmianą jej prędkości, gdy przechodzi do innego ośrodka. Zmiana prędkości powoduje zmianę długości fali, a częstotliwość pozostaje stała.

Dyspersja w optyce jest szczególnym przypadkiem ogólniejszego zjawiska dyspersji fali, które oznacza zależność prędkości fazowej fali od jej częstości, a tym samym i długości. W ośrodku niedyspersyjnym, gdzie ta zależność nie występuje, prędkość fazowa fali jest jednakowa dla wszystkich długości fal i jest równa prędkości grupowej. Przykładem niedyspersyjnego rozchodzenia się światła jest rozchodzenie się fali elektromagnetycznej w próżni.

Dla niemalże każdego materiału rozchodzenie się światła jest dyspersyjne.

Dla fali elektromagnetycznej rozchodzącej się w jonosferze i wielu innych ośrodkach iloczyn prędkości fazowej i grupowej jest stały i wynosi $v_c\cdot v_g = \frac{\omega}{k}\frac{d\omega}{dk}=c^2$

Prędkość grupowa jest mniejsza lub równa prędkości światła w próżni, a prędkość fazowa jest równa lub większa od prędkości światła.

Ogólniej, tak zwana relacja dyspersji $\omega (k)$ może być zapisana w postaci $\omega (k)=ck/n$ , gdzie $k=2\pi /\lambda$ jest wektorem falowym. Szczegółowa zależność $n (\lambda)$ określa własności fali.

Miara dyspersji

Miarą dyspersji dla danej długości fali jest pochodna współczynnika załamania po długości fali lub po liczbie falowej $\frac{dn\left( \lambda \right)}{d\lambda }=\frac{dn\left( k \right)}{dk}$

Aby liczbowo określić wielkość dyspersji w całym zakresie światła widzialnego, definiuje się dyspersję średnią, czyli $n_{F}-n_{C}$

gdzie nF – współczynnik załamania dla światła niebieskiego (linia Fraunhofera F – 486,1 nm) nC – współczynnik załamania dla światła czerwonego (linia Fraunhofera C – 656,3 nm)

Dyspersją względną (zdolnością rozszczepiającą) nazywa się stosunek dyspersji średniej do refrakcji żółtej linii sodu D (589,6 nm) $\Delta =\frac{n_{D}-1}{n_{F}-n_{C}}$

Zobacz też

dyspersja (fala)

właściwości fizyczne i chemiczne minerałów