9.1 Дисперсія світла

ДИСПЕРСІЯ СВІТЛА - залежність фазової швидкості світлових хвиль від їхньої частоти. Д. с. проявляється в залежності показника заломлення світла від довжини хвилі. Зокрема, внаслідок дисперсії пучок променів білого світла при проходженні через тригранну призму з прозорої речовини розкладається в спектр (див. Спектри оптичні). Вивчаючи такі спектри, І. Ньютон 1672 відкрив явище Д. с. При збільшенні довжини хвилі ? показник заломлення n може як зменшуватися (нормальна Д. с.), так і збільшуватися (аномальна Д. с.). Аномальна зміна n супроводиться значним поглинанням світла. На мал. подано залежність n і показника поглинання ? від ? (відрізки АВ і СD відповідають нормальній Д. с., ВС - аномальній). У вакуумі всі хвилі, зокрема й світлові, поширюються без дисперсії. Природу Д. с. розкрила електронна теорія, яка пояснює Д. с. взаємодією світла з зарядженими частинками, що входять до складу речовини і здійснюють вимушені коливання у змінному електромагнітному полі світлової хвилі. Для видимого світла істотні лише коливання зовн. (найслабкіше зв'язаних) електронів атомів і молекул. Внаслідок коливань електронів змінюються дипольні електр. моменти молекул (див. Диполь), що призводить до випромінювання когерентних вторинних електромагнітних хвиль з частотою падаючої хвилі. Амплітуди і фази вторинних хвиль залежать від співвідношення між частотами власних коливань електронів та частотою первинної хвилі. При інтерференції вторинних хвиль у середовищі створюється хвиля, фазова швидкість якої залежить від частоти падаючої. Квантова теорія повністю підтвердила якісні результати електронної і пояснила ряд особливостей Д. с., яких не могла пояснити електронна теорія. На явищі Д. с. основана дія призмових спектроскопів і спектрометрів

9.2 Групова швидкість

Групова швидкість хвиль, швидкість руху групи або цугу (низки) хвиль, яка за відсутності поглинання в середовищі збігається із швидкістю переміщення енергії цієї групи хвиль. Приклад групи хвиль — сигнал, змальований на мал. Група хвиль не є періодичною хвилею (тобто в точності тієї, що повторюється через певні проміжки часу), а складається з набору гармонійних хвиль, частоти яких лежать в деякому інтервалі, тим більше вузькому, ніж плавнішу форму має та, що огинає групи хвиль.

Якщо середовище не володіє дисперсією, те всі гармонійні хвилі, що входять до групи, поширюються з однією і тією ж фазовою швидкістю. З тією ж швидкістю поширюється і що огинає групи; в цьому випадку Р. с. збігається з фазовою.

За наявності дисперсії гармонійної хвилі різних частот, створюючі групу, поширюються з різними фазовими швидкостями. Внаслідок цього при поширенні змінюються співвідношення між фазами різних гармонійних хвиль і відбувається спотворення форми тієї, що огинає. Проте якщо фазові швидкості групи хвиль відрізняються один від одного мало (сигнал з вузьким спектром), то форма огинає зберігається при поширенні і вплив дисперсії позначається лише на тому, що швидкість руху огинаючої групи, тобто Р. с. відрізняється від фазової швидкості.

У середовищах з дисперсією зв'язок між Г. ш. і фазовою швидкістю виражається формулою: де X - довжина хвилі.

При нормальній дисперсії Г. ш. менша за фазову шкидкість, а при аномальній - більша. Всі методи вимірювання швидкості світла в речовині, пов'язані з визначенням запізнення світла, дають значення Г. ш. Методами лазерної спектроскопії, де безпосередньо вимірюється частота коливань дуже монохроматичного випромінювання, можна визначити фазову швидкість світла.