Дисперсия света. Дифракционный и призматический спектры. Электронная теория дисперсии света.

Одним из результатов взаимодействия света с веществом является его дисперсия.

      Дисперсией света называется зависимость показателя преломления n вещества от частоты  (длины волн λ) света или зависимость фазовой скорости  световых волн   от их частоты.

      Дисперсия света представляется в виде зависимости:

      т.е. угол отклонения лучей призмой тем больше, чем больше преломляющий угол призмы.

      Из выражения (1) вытекает, что угол отклонения лучей призмой зависит от показателя преломления n, а n – функция длины волны, поэтому лучи разных длин волн после прохождения призмы отклоняются на разные углы. Пучок белого света за призмой разлагается в спектр, который называется дисперсионным или призматическим. Таким образом, с помощью призмы, так же как с помощью дифракционной решетки, разлагая свет в спектр, можно определить его спектральный состав.

      Рассмотрим различия в дифракционном и призматическом спектрах.

      Дифракционная решетка разлагает свет непосредственно по длинам волн, поэтому по измеренным углам (по направлениям соответствующих максимумов) можно вычислить длину волны (частоты). Разложение света в спектр в призме происходит по значениям показателя преломления, поэтому для определения частоты или длины волны света надо знать 

      Поэтому, красные лучи отклоняются призмой слабее, в отличие от дифракционной решетки.

  Спектр, показанный на рис. является призматическим. Фиолетовые волны преломляются сильнее красных, т.к. длина волны красных волн больше, чем у фиолетовых, а частота, соответственно, меньше, то показатель преломления красных волн будет меньше, чем у фиолетовых.

Призмы часто используются в различных спектроскопах (Спектроскоп (спектрометр, спектрограф)— оптический прибор для визуального наблюдения спектра излучения.)  Отличие спектрометра от спектрографа заключается в том, что в спектрометре происходит визуальное наблюдение спектра с помощью глаз, а в спектрографе используется какой-либо способ записи спектра – фотопластинка, самописец, фотоумножитель или фотоэлемент, цифровая фотокамера и т.п.  Те и другие используются для быстрого качественного спектрального анализа веществ химии, металлургии(например, стилоскоп) и т. д).

Дисперсия света называется нормальной, если показатель преломления монотонно убывает с увеличением длины волны (возрастает с увеличением частоты).

Нормальная дисперсия света наблюдается вдали от собственных линий поглощения, аномальная – в пределах полос или линий поглощения.

Для изучения нормальной и аномальной дисперсии можно использовать метод скрещенных призм.

противоречие между теорией Максвелла и экспериментом возникает вследствие того, что мы правильно применяем формулу ε0 = 81, которая справедлива только в статическом поле (ω = 0). Молекулы воды постоянно ориентируются в переменном электрическом поле. Электрическое поле световой волны изменяется по гармоническому закону.

ε(ω) < ε(0), поэтому n(ω) < n(0). Т.е. для каждой частоты будет свой показатель преломления. Поэтому нужно учитывать зависимость n от частоты.

Явление дисперсии можно объяснить, рассматривая взаимодействие световой волны с веществом. Такое стало возможным благодаря классической электронной теории Лоренца.

Согласно классической электронной теории электроны в атоме совершают колебания под действием квазиупругой силы. Световая волн, падающая на диэлектрик, заставляет электроны, находящиеся в атоме этого диэлектрика, совершать вынужденные колебания, частота которых совпадает с частотой вынуждающей силы. Но электроны, движущиеся ускоренно излучают электромагнитные волны. Эти вторичны волны, излучаемые электронами атомов вещества, имеют ту же частоту, что и падающая волна. Начальные фазы могут различаться. Эти вторичные волны интерферируют с падающей волной, и в веществе распространяется результирующая волна, направление которой совпадает с направлением падающей волны, скорость которой зависит от частоты (а в вакууме равна скорости света). Следовательно, показатель преломления n зависит от частоты ω.

частоты падающего света, так же как и ε. Если ω0 > ω, то n   существует, если ω0 = ω, то n терпит разрыв 2-го рода. В том случае, если атом содержит несколько валентных электронов:

Если учесть затухание

(β ≠ 0), то мы получаем формулу, которая даёт хорошее соответствие с экспериментальной кривой)