Дысперсія святла

Раскладанне святла ў спектр пры праходжанні яго праз прызму (вопыт Ньютона).

Дысперсія святла (раскладанне святла) — гэта сукупнасць з’яў, абумоўленых залежнасцю абсалютнага паказчыка праламлення рэчыва ад частаты (або даўжыні хвалі) святла (частотная дысперсія), або, што тое ж самае, залежнасць фазавай скорасці святла ў рэчыве ад частаты (або даўжыні хвалі). Эксперыментальна адкрыта Ньютанам каля 1672 года, хоць тэарэтычна дастаткова добра растлумачана значна пазней.

Прасторавай дысперсіі называецца залежнасць тэнзара дыэлектрычнай пранікальнасці асяроддзя ад хвалевага вектара. Такая залежнасць выклікае шэраг з’яў, званых эфектамі прасторавай палярызацыі.

Уласцівасці і праявы

Анімацыя дысперсіі святла, якое праходзіць праз трохвугольную прызму

У оптыцы дысперсія — гэта з’ява, пры якой фазавая скорасць хвалі залежыць ад яе частаты. Асяроддзе, якое мае гэту агульную ўласцівасць, можа быць названа дысперсійным асяроддзем. Часам тэрмін храматычная дысперсія выкарыстоўваецца для спецыфічнасці. Хоць гэты тэрмін выкарыстоўваецца ў галіне оптыкі для апісання святла і іншых электрамагнітных хваляў, дысперсія ў тым жа сэнсе можа прымяняцца да любога хвалевага руху, напрыклад, да акустычнай дысперсіі ў выпадку гукавых і сейсмічных хваль, у гравітацыйных хвалях (акіянскія хвалі). І для тэлекамунікацыйных сігналаў па лініях перадачы (напрыклад, кааксіяльным кабелі) або па оптавалакне.

У оптыцы адзін важны і вядомы вынік дысперсіі — змена вугла праламлення святла розных колераў, як відаць са спектру, створанага дысперсійнай прызмай, і храматычнай аберацыі лінз. Канструкцыя складаных ахраматычных лінз, у якіх храматычная аберацыя ў значнай ступені адмяняецца, выкарыстоўвае колькасную ацэнку дысперсіі шкла, зададзеную яго лікам Абэ V, дзе больш нізкія лікі Абэ адпавядаюць большай дысперсіі па бачным спектры. У некаторых прыкладаннях, такіх як тэлекамунікацыі, абсалютная фаза хвалі часта не важная, а толькі распаўсюджванне хвалевых пакетаў або «імпульсаў»; у гэтым выпадку нас цікавяць толькі варыяцыі групавой скорасці з частатой, так званая дысперсія групавой скорасці.

Адзін з самых наглядных прыкладаў дысперсіі — разлажэнне белага святла пры праходжанні яго праз прызму (вопыт Ньютана). Сутнасцю з’явы дысперсіі з’яўляецца адрозненне фазавых скарасцей распаўсюджвання прамянёў святла з рознай даўжынёй хвалі ў празрыстым рэчыве — аптычным асяроддзі (тады як у вакууме скорасць святла заўсёды аднолькавая, незалежна ад даўжыні хвалі і, такім чынам, колеру). Звычайна, чым менш даўжыня светлавой хвалі, тым больш паказчык праламлення асяроддзя для яе і тым менш фазавая скорасць хвалі ў асяроддзі:

• у святла чырвонага колеру фазавая скорасць распаўсюджвання ў асяроддзі максімальная, а ступень праламлення — мінімальная,
• у святла фіялетавага колеру фазавая скорасць распаўсюджвання ў асяроддзі мінімальная, а ступень праламлення — максімальная.

Аднак у некаторых рэчывах (напрыклад, у парах ёда) назіраецца эфект анамальнай дысперсіі, пры якім сінія прамяні праламляюцца менш, чым чырвоныя, а іншыя прамяні паглынаюцца рэчывам і становяцца недаступнымі для назірання. Кажучы больш строга, анамальная дысперсія шырока распаўсюджана, напрыклад, яна назіраецца практычна ва ўсіх газах на частотах паблізу ліній паглынання, аднак у пароў ёда яна досыць зручная для назірання ў аптычным дыяпазоне, дзе яны вельмі моцна паглынаюць святло.

Дысперсія святла дазволіла ўпершыню цалкам пераканаўча паказаць састаўную прыроду белага святла.

Белы свет раскладаецца ў спектр і ў выніку праходжання праз дыфракцыйную рашотку або адлюстравання ад яе (гэта не звязана з з’явай дысперсіі, а тлумачыцца прыродай дыфракцыі). Дыфракцыйны і прызматычны спектры ў пэўнай ступені адрозніваюцца: прызматычны спектр сціснуты ў чырвонай частцы і расцягнуты ў фіялетавай і размяшчаецца ў парадку змяншэння даўжыні хвалі: ад чырвонага да фіялетавага; нармальны (дыфракцыйны) спектр — раўнамерны ва ўсіх абласцях і размяшчаецца ў парадку ўзрастання даўжынь хваль: ад фіялетавага да чырвонага.

Па аналогіі з дысперсіяй святла, таксама дысперсіяй называюцца і падобныя з’явы залежнасці распаўсюджвання хваль любой іншай прыроды ад даўжыні хвалі (або частаты). Па гэтай прычыне, напрыклад, тэрмін закон дысперсіі, які ўжываецца як назва колькасных суадносін, які злучае частату і хвалевы лік, прымяняецца не толькі да электрамагнітнай хвалі, але і да любога хвалевага працэсу.

Дысперсіяй тлумачыцца факт з’яўлення вясёлкі пасля дажджу (дакладней той факт, што яна рознакаляровая, а не белая).

Дысперсія з’яўляецца прычынай храматычных аберацый — адной з аберацый аптычных сістэм, у тым ліку і фатаграфічных відэа-аб’ектываў.

Агюстэн Кашы прапанаваў эмпірычную формулу для апраксімацыі залежнасці паказання праламлення асяроддзя ад даўжыні хвалі:

$n=a+b/\lambda ^{2}+c/\lambda ^{4},$

дзе $\lambda$ — даўжыня хвалі ў вакууме; «a», «b», «c» — пастаянныя, значэнні якіх для кожнага матэрыялу павінны быць вызначаны ў вопыце. У большасці выпадкаў можна абмежавацца двума першымі членамі формулы Кашы. Пасля былі прапанаваны іншыя больш дакладныя, але і адначасова больш складаныя формулы апраксімацыі.

Дысперсія святла ў прыродзе і мастацтве

• Чырвоны захад — адзін з вынікаў раскладання святла ў атмасферы Зямлі. Прычынай гэтай з’явы з’яўляецца залежнасць паказчыка праламлення газаў, якія складаюць зямную атмасферу, ад даўжыні хвалі святла.
• Вясёлка, чый колер абумоўлены дысперсіяй, — адзін з ключавых вобразаў культуры і мастацтва.
• Дзякуючы дысперсіі святла, можна назіраць каляровую «гульню святла» на гранях брыльянта і іншых празрыстых гранёных прадметах або матэрыялах.
• У той ці іншай ступені вясёлкавыя эфекты выяўляюцца дастаткова часта пры праходжанні святла праз амаль любыя празрыстыя прадметы. У мастацтве яны могуць спецыяльна ўзмацняцца і/або падкрэсліваецца.
• Раскладанне святла ў спектр (з прычыны дысперсіі) пры пераламленні ў прызме — даволі распаўсюджаная тэма ў выяўленчым мастацтве. Напрыклад, на вокладцы альбома The Dark Side of the Moon групы Pink Floyd намалявана праламленне святла ў прызме з раскладаннем у спектр.

Літаратура

• Яштолд-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съёмка, формулы, термины, рецепты. — Изд. 4-е, сокр. — М.: Искусство, 1977.
• Дысперсія святла — артыкул з Фізічнай энцыклапедыі