Какое явление называют дисперсией света. Разложение света в спектр

Иногда, когда после сильного ливня вновь проглядывает солнце, можно увидеть радугу. Это происходит потому, что воздух насыщен мельчайшей водяной пылью. Каждая капля воды в воздухе выполняет роль крохотной призмы, дробящей свет на разные цвета.

Около 300 лет назад И.Ньютон пропустил солнечные лучи через призму. Он открыл, что белый свет – это «чудесная смесь цветов».

Это интересно… Почему в спектре белого света выделяют только 7 цветов?

Так, например, Аристотель указывал всего три цвета радуги: красный, зеленый, фиолетовый. Ньютон вначале выделил в радуге пять цветов, а позднее – десять. Однако, впоследствии, он остановился на семи цветах. Выбор объясняется, скорее всего, тем, что число семь считалось «магическим» (семь чудес света, семь недель и т.д.).

Дисперсия света впервые была экспериментально обнаружена Ньютоном в 1666 г., при пропускании узкого пучка солнечного света через стеклянную призму. В полученном им спектре белого света он выделил семь цветов: Из этого опыта Ньютон сделал вывод, что «световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломления». Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше всех – красные.

Белый свет является сложным светом, состоящим из волн различной длины (частоты). Каждой цветности соответствует своя длина и частота волны: красного, оранжевого, зеленого, голубого, синего, фиолетового – такое разложение света называется спектром.

Волны различной цветности по-разному преломляются в призме: меньше красного, больше – фиолетового. Призма отклоняет волны разной цветности на разные углы . Такое их поведение объясняется тем, что при переходе световых волн из воздуха в стеклянную призму скорость волн «красного цвета» изменяется меньше, чем «фиолетового цвета». Таким образом, чем меньше длина волны (больше частота), тем показатель преломления среды для таких волн больше.

Дисперсией называется зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны).

Для волн различной цветности показатели преломления данного вещества различны; вследствие этого при отклонении призмой белый свет разлагается в спектр .

При переходе монохроматической световой волны из воздуха в вещество длина световой волны уменьшается, частота колебаний остается неизменной . Неизменным остается цвет.

При наложении всех цветов спектра образуется белый свет.

Почему же мы видим предметы окрашенными? Краска не создает цвета , она избирательно поглощает или отражает свет.

Опорный конспект:

Вопросы для самоконтроля по теме «Дисперсия света»

1. Что называют дисперсией света?
2. Нарисуйте схемы получения спектра белого света с помощью стеклянной призмы.
3. Почему белый свет, проходя через призму, дает спектр?
4. Сравните показатели преломления для красного и фиолетового света.
5. Какой свет распространяется в призме с большей скоростью – красный или фиолетовый?
6. Как объяснить многообразие цветов в природе с точки зрения волновой оптики?
7. Какого цвета будут видны через красный светофильтр окружающие предметы? Почему?

После грозы и дождя, когда из-за туч выглядывает солнышко, мы часто наблюдаем на небе очень красивое явление - радугу.

Она состоит из разноцветных дуг. Причём цвета в ней всегда чередуются в определённой последовательности: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Оказывается, на такие цвета разлагается обыкновенный солнечный свет.

Что такое дисперсия света

Разложение белого света на цвета называют дисперсией света .

Для знакомства с этим явлением проведём простой опыт. Направим узкий луч белого света на прозрачную трёхгранную призму из стекла, расположенную в тёмной комнате. Пройдя сквозь грани призмы, луч преломится дважды и отклонится. Кроме того за призмой вместо одного белого луча мы увидим семь разноцветных, окрашенных в те же цвета, что и радуга, лучей, расположенных в той же последовательности. Причём окажется, что сильнее всего преломился фиолетовый луч, а меньше всего красный. То есть, угол преломления зависит от цвета луча.

Если на пути цветового спектра поместить другую призму, повёрнутую на 180° относительно первой, то пройдя через неё, все цветовые лучи снова соберутся в луч белого света.

Опыт с прохождение белого света через призму первые провёл Исаак Ньютон. Он же объяснил, что цвет - это собственное свойство света.

Из своего опыта Нютон сделал 2 вывода:

1. Белый свет имеет сложную структуру. Он состоит из потока частиц разного цвета.
2. Все эти частицы движутся с разной скоростью, поэтому лучи разного цвета и преломляются на разный угол. Самая высокая скорость у частиц красного цвета. Он преломляется через призму меньше всех других цветов. Чем меньше скорость, тем больше показатель преломления.

Именно Ньютон разделил цветовой спектр на 7 цветов, потому что считал, что существует связь между цветами и музыкальными нотами, которых тоже 7, семью днями недели и семью объектами Солнечной системы (во времена Ньютона были известны только 7 планет: Меркурий, Венера, Земля, Луна, Марс, Сатурн, Юпитер), семью чудесами света. Правда, в спектре Ньютона синий цвет назывался индиго.

Чтобы легче было представить последовательность цветов в спектре, достаточно запомнить фразу, в которой заглавные буквы совпадают с первыми буквами наименований цветов: «Каждый Охотник Желает Знать , Где Сидит Фазан ».

В общем смысле спектром в физике называют распределение значений физической величины (энергии, массы или частоты).

Спектр видимого излучения

Свет, представляющий собой волны одинаковой длины и соответствующий одному цвету, называется монохроматичным . Белый свет представляет собой набор электромагнитных волн различной длины. Поэтому он является полихроматичным .

Почему же белый свет разлагается на другие цвета, проходя через призму? Причина в том, что каждый цвет, входящий в состав белого света, имеет свою длину световой волны и распространяется в прозрачной оптической среде со своей фазовой скоростью, отличной от скоростей волн других цветов. У красного цвета эта скорость в среде максимальна, а у фиолетового минимальна. Кстати, скорости эти различны только в оптической среде. В вакууме скорость лучей разного цвета остаётся постоянной и равной скорости света.

Лучи разного цвета (разной длины волны) имеют разные показатели преломления, поэтому по-разному отклоняются при переходе из одной среды в другую. В зависимости показателя преломления света от длины волны заключается суть явления дисперсии света. По этой причине и возникает спектр .

Отношение скорости света в вакууме к его скорости в данной среде называют абсолютным показателем преломления среды.

n = c/v ,

где с - скорость света; v - скорость света в оптической среде.

Зная длину волны, можно вычислить показатель преломления среды для каждого цвета видимого спектра.

Итак, белый свет разлагается на разные цвета, потому что каждый цвет имеет свой показатель преломления.

Дисперсией объясняется появление радуги. Капельки воды сферической формы, парящие в атмосфере, преломляют, а затем и отражают солнечный свет от своей внутренней поверхности. В результате он разлагается в спектр, и мы видим разноцветное свечение. Грани бриллианта «играют» цветами также благодаря дисперсии.

Цвета, входящие в спектр, называются спектральными цветами . Но спектр содержит не все цвета, которые воспринимает мозг человека. Например, в нём нет розового цвета. Он получается при смешении других цветов.

В спектре не существует резкой границы между цветами. Все цвета плавно переходят друг в друга.

Длины волн, соответствующих каждому цвету, были определены одним из создателей волновой теории света английским физиком, механиком, врачом, астрономом и востоковедом Томасом Юнгом.

Свет и цвет

Сложной структурой белого света объясняется многообразие красок в окружающем нас мире. Из-за того что световые лучи разного цвета по-разному отражаются от предметов или поглощаются ими, мы и видим мир цветным.

Помните выражение: «Все кошки ночью серые»? А ведь это действительно так. В темноте цвет различить невозможно. Там, где нет света, все предметы кажутся нам чёрными. Но стоит только направить на кошку луч света, как она сразу же приобретёт цвет.

Цвет предмета - это цвет отражённой волны спектра. Белые предметы отражают все цвета, поэтому мы и видим их белыми. Чёрные, наоборот, все цвета поглощают и не отражают ничего. Траву мы видим зелёной, потому при солнечном свете она отражает зелёный цвет, а все остальные поглощает. Банан жёлтый, потому что отражает жёлтый цвет и т.д.

17. 18. Взаимодействие света с веществом. Дисперсия и поглощение света. Нормальная и аномальная дисперсия. Закон Бугера-Ламберта.

Дисперсией света называют явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества n от частоты света ω (или длины волны λ):

Следствием дисперсии света является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму. Первое экспериментальное исследование дисперсии света в стеклянной призме было выполнено И. Ньютоном в 1672 г.

Дисперсия света называется нормальной в случае, если показатель преломления монотонно возрастает с увеличением частоты (убывает с увеличением длины волны); в противном случае дисперсия называется аномальной , рис.1.

Величина

называется дисперсией вещества и характеризует скорость изменения показателя преломления при изменении длины волны.

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

Рассмотрим дисперсию света в призме, рис.2.

Пусть монохроматический пучок света падает на прозрачную призму с преломляющим углом θ и показателем преломления n под углом α 1 . После двукратного отклонения (на левой и правой гранях призмы) луч оказывается отклоненным от первоначального направления на угол φ. Из геометрических преобразований следует, что

т.е. угол отклонения лучей призмой тем больше, чем больше преломляющий угол и показатель преломления вещества призмы. Поскольку n = f(λ), то лучи разных длин волн после прохождения призмы окажутся отклоненными на разные углы, т.е. пучок белого света, падающий на призму, за призмой разлагается в спектр, что и наблюдалось впервые Ньютоном. Значит, с помощью призмы, так же как и с помощью дифракционной решетки, разлагая свет в спектр, можно определить его спектральный состав.

Следует помнить, что составные цвета в дифракционном и призматическом спектрах располагаются различно. В дифракционном спектре синус угла отклонения пропорционален длине волны, следовательно, красные лучи, имеющие большую длину волны, чем фиолетовые, отклоняются дифракционной решеткой сильнее. В призме же для всех прозрачных веществ с нормальной дисперсией показатель преломления n с увеличением длины волны уменьшается, поэтому красные лучи отклоняются призмой слабее, чем фиолетовые.

На явлении нормальной дисперсии основано действие призменных спектрометров , широко используемых в спектральном анализе. Это объясняется тем, что изготовить призму значительно проще, чем дифракционную решетку. Призменные спектрометры имеют также большую светосилу.

Электронная теория дисперсии света. Из макроскопической электромагнитной теории Максвелла следует, что

но в оптической области спектра для всех веществ μ ≈ 1, поэтому

n = ε. (1)

Формула (1) противоречит опыту, т.к. величина n, являясь переменной n = f(λ), равняется в то же время определенной постоянной ε (постоянной в теории Максвелла). Кроме того, полученные из этого выражения значения n не согласуются с экспериментальными данными.

Для объяснения дисперсии света была предложена электронная теория Лоренца, в которой дисперсия света рассматривается как результат взаимодействия электромагнитных волн с заряженными частицами, входящими в состав вещества и совершающими вынужденные колебания в переменном электромагнитном поле волны.

Ознакомимся с этой теорией на примере однородного изотропного диэлектрика, предположив формально, что дисперсия света является следствием зависимости ε от частоты ω световых волн. Диэлектрическая проницаемость вещества равна

ε = 1 + χ = 1 + Р/(ε 0 Е),

где χ – диэлектрическая восприимчивость среды, ε 0 – электрическая постоянная, Р – мгновенное значение поляризованности (наведенный дипольный момент единицы объема диэлектрика в поле волны напряженностью Е). Тогда

n 2 = 1 + Р/(ε 0 Е), (2)

т.е. зависит от Р. Для видимого света частота ω~10 15 Гц столь велика, что существенны лишь вынужденные колебания внешних (наиболее слабо связанных) электронов атомов, молекул или ионов под действием электрической составляющей поля волны, а ориентационной поляризации молекул при такой частоте не будет. Эти электроны наз. оптическими электронами.

Для простоты рассмотрим колебания одного оптического электрона в молекуле. Наведенный дипольный момент электрона, совершающего вынужденные колебания, равен р = ех, где е – заряд электрона, х – смещение электрона из положения равновесия под действием электрического поля световой волны. Пусть n 0 – концентрация атомов в диэлектрике, тогда

Р = р n 0 = n 0 е х. (3)

Подставив (3) в (2) получим

n 2 = 1 + n 0 е х /(ε 0 Е), (4)

т.е. задача сводится к определению смещения х электрона под действием внешнего электрического поля Е = Е 0 cos ωt.

Уравнение вынужденных колебаний электрона для простейшего случая

d 2 x/dt 2 +ω 0 2 x = (F 0 /m)cos ωt = (e/ m) E 0 cos ωt, (5)

где F 0 = еE 0 –амплитудное значение силы, действующей на электрон со стороны поля волны, ω 0 = √k/m – собственная частота колебаний электрона, m – масса электрона. Решив уравнение (5), найдем ε = n 2 в зависимости от констант атома (е, m, ω 0) и частоты внешнего поля ω, т.е. решим задачу дисперсии.

Решением (5) является

Х = А cos ωt, (6)

А = еЕ 0 /m(ω 0 2 – ω 2). (7)

Подставим (6) и (7) в (4) и получим

n 2 = 1 + n 0 e 2 /ε 0 m(ω 0 2 – ω 2). (8)

Из (8) видно, что показатель преломления вещества зависит от частоты ω внешнего поля, и что в области частот от ω = 0 до ω = ω 0 значение n 2 больше 1 и возрастает с увеличением частоты ω (нормальная дисперсия ). При ω = ω 0 значение n 2 = ± ∞; в области частот от ω = ω 0 до ω = ∞ значение n 2 меньше 1 и возрастает от - ∞ до 1 (нормальная дисперсия). Перейдя от n 2 к n, получим график зависимости n = n(ω), рис.1. Область АВ – область аномальная дисперсии . Изучение аномальной дисперсии – Д.С. Рождественский.

Поглощением света – называется уменьшение энергии световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии.

С точки зрения электронной теории, взаимодействие света и вещества сводится к взаимодействию электромагнитного поля световой волны с атомами и молекулами вещества. Электроны, входящие в состав атомов, могут колебаться под действием переменного электрического поля световой волны. Часть энергии световой волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Частично энергия колебаний электронов вновь переходит в энергию светового излучения, а также переходит в другие формы энергии, например, в энергию теплового излучения.

Поглощение светового излучения можно в общих чертах описать с энергетической точки зрения, не входя в детали механизма взаимодействия световых волн с атомами и молекулами поглощающего вещества.

Формальное описание поглощения света веществом было дано Бугером, который установил связь между интенсивностью света, прошедшего через конечный слой поглощающего вещества, и интенсивностью падающего на него света

I lλ = I 0λ e -K l (1)

где I 0 λ – интенсивность светового излучения с длиной волны λ, падающего на поглощающий слой; I lλ - интенсивность светового излучения, прошедшего поглощающий слой вещества толщиной l ; К λ – коэффициент поглощения, зависящий от λ, т.е. К λ = f(λ).

Если поглотителем является вещество в растворе, то поглощение света тем больше, чем больше молекул растворенного вещества свет встречает на своем пути. Поэтому коэффициент поглощения зависит от концентрации С. В случае слабых растворов, когда взаимодействием молекул растворенного вещества можно пренебречь, коэффициент поглощения пропорционален С:

К λ = c λ С (2)

где c λ – коэффициент пропорциональности, который также зависит от λ. Учитывая (2), можно закон Бугера (1) переписать в виде:

I λ = I 0λ e - c C l (3)

c λ – показатель поглощения света на единицу концентрации вещества. Если концентрация растворенного вещества выражается в [моль/литр], то c λ называют молярным коэффициентом поглощения .

Соотношение (3) носит название закона Бугера-Ламберта-Бера. Отношение величины светового потока, вышедшего из слоя I lλ , к во­шедшему I 0λ носит название коэффициента оптического (или свето-) пропускания слоя Т :

Т = I lλ /I 0 λ = e - c C l (4)

или в процентах

Т = I lλ /I 0λ 100%. (5)

Поглощение слоя равно отношению

Л
огарифм величины 1/Т называетсяоптической плотностью слоя D

D = lg 1/T = lg I 0 λ /I l λ = 0,43c λ Сl (6)

т.е. оптическая плотность характеризует поглоще­ние света средой. Соотношение (6) может быть использовано как для определения концен- трации растворов, так и для характеристики спек­тров поглощения веществ.

Зависимость оптической плотности от длины волны D = f(λ) является спектральной характеристикой поглощения данного вещества, а кривая, выражающая эту зависимость, называется спектром поглощения. Спектры поглощения, как и спектры испускания, бывают линейчатые, полосатые и сплошные, рис. 3. Cогласно модели атома Бора кванты света испускаются и поглощаются при переходе системы (атома) из одного энергетического состояния в другое. Если при этом в оптических переходах меняется только электронная энергия системы, как это имеет место в атомах, то в спектре линия поглощения будет резкой.

Рис.3.а)линейчатый спектр поглощения, б)полосатый спектр поглощения, в) сплошной спектр поглощения.

Однако для сложных молекул, энергия которых слагается из электронной Е эл, колебательной Е кол и вращательной Е вр энергии (Е =Е эл + Е кол + Е вр) при поглощении света изменяется не только электронная энергия, но обязательно колебательная и вращательная. Причем поскольку ∆Е эл >>∆E кол >>∆Е вр, то в результате этого набор линий, соответствующих электронному переходу, в спектре поглощения растворов выглядит как полоса поглощения.

Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (примерно 10 -3 – 10 -5 см -1), для них наблюдаются широкие полосы поглощения, т.е. диэлектрики имеют сплошной спектр поглощения . Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика.

Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (примерно 10 3 - 10 5 см -1) и поэтому металлы являются непрозрачными для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нем поглощается свет. На рис. 1 показана типичная зависимость коэффициента поглощения света от частоты в области полосы поглощения. Видно, что внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия. Однако поглощение света веществом должно быть значительным, чтобы повлиять на ход показателя преломления.

Зависимостью коэффициента поглощения от длины волны (частоты) объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из-за сильного поглощения этих длин волн стекло будет казаться черным. Это явление используется при изготовлении светофильтров , которые в зависимости от хим. состава стекол пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные.

или, что то же самое, зависимость фазовой скорости световых волн от частоты:

Дисперсия - зависимость показателя преломления вещества от частоты волны – особенно ярко и красиво проявляет себя совместно с эффектом двойного лучепреломления (см. Видео 6.6 в предыдущем параграфе), наблюдаемом при прохождении света через анизотропные вещества. Дело в том, что показатели преломления обыкновенной и необыкновенной волн различно зависят от частоты волны. В результате цвет (частота) света прошедшего через анизотропное вещество помещенное между двумя поляризаторами зависит как от толщины слоя этого вещества, так и от угла между плоскостями пропускания поляризаторов.

Для всех прозрачных бесцветных веществ в видимой части спектра с уменьшением длины волны показатель преломления увеличивается, то есть дисперсия вещества отрицательна: . (рис. 6.7, области 1-2, 3-4)

Если вещество поглощает свет в каком-то диапазоне длин волн (частот), то в области поглощения дисперсия

оказывается положительной и называется аномальной (рис. 6.7, область 2–3).

Рис. 6.7. Зависимость квадрата показателя преломления (сплошная кривая) и коэффициента поглощения света веществом
(штриховая кривая) от длины волны l вблизи одной из полос поглощения ()

Изучением нормальной дисперсии занимался ещё Ньютон. Разложение белого света в спектр при прохождении сквозь призму является следствием дисперсии света. При прохождении пучка белого света через стеклянную призму на экране возникает разноцветный спектр (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Прохождение белого света через призму: вследствие различия значений показателя преломления стекла для разных
длин волн пучок разлагается на монохроматические составляющие - на экране возникает спектр

Наибольшую длину волны и наименьший показатель преломления имеет красный свет, поэтому красные лучи отклоняются призмой меньше других. Рядом с ними будут лучи оранжевого, потом желтого, зеленого, голубого, синего и, наконец, фиолетового света. Произошло разложение падающего на призму сложного белого света на монохроматические составляющие (спектр).

Ярким примером дисперсии является радуга. Радуга наблюдается, если солнце находится за спиной наблюдателя. Красные и фиолетовые лучи преломляются сферическими капельками воды и отражаются от их внутренней поверхности. Красные лучи преломляются меньше и попадают в глаз наблюдателя от капелек, находящихся на большей высоте. Поэтому верхняя полоса радуги всегда оказывается красной (рис. 26.8).

Рис. 6.9. Возникновение радуги

Используя законы отражения и преломления света, можно рассчитать ход световых лучей при полном отражении и дисперсии в дождевых каплях. Оказывается, что лучи рассеиваются с наибольшей интенсивностью в направлении, образующем угол около 42° с направлением солнечных лучей (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Расположение радуги

Геометрическое место таких точек представляет собой окружность с центром в точке 0. Часть ее скрыта от наблюдателя Р под горизонтом, дуга над горизонтом и есть видимая радуга. Возможно также двойное отражение лучей в дождевых каплях, приводящее к радуге второго порядка, яркость которой, естественно, меньше яркости основной радуги. Для нее теория дает угол 51 °, то есть радуга второго порядка лежит вне основной. В ней порядок цветов заменен на обратный: внешняя дуга окрашена в фиолетовый цвет, а нижняя - в красный. Радуги третьего и высших порядков наблюдаются редко.

Элементарная теория дисперсии. Зависимость показателя преломления вещества от длины электромагнитной волны (частоты) объясняется на основе теории вынужденных колебаний. Строго говоря, движение электронов в атоме (молекуле) подчиняется законам квантовой механики. Однако для качественного понимания оптических явлений можно ограничиться представлением об электронах, связанных в атоме (молекуле) упругой силой. При отклонении от равновесного положения такие электроны начинают колебаться, постепенно теряя энергию на излучение электромагнитных волн или передавая свою энергию узлам решетки и нагревая вещество. В результате этого колебания будут затухающими.

При прохождении через вещество электромагнитная волна воздействует на каждый электрон с силой Лоренца:

где v - скорость колеблющегося электрона. В электромагнитной волне отношение напряженностей магнитного и электрического полей равно

Поэтому нетрудно оценить отношение электрической и магнитной сил, действующих на электрон:

Электроны в веществе движутся со скоростями, много меньшими скорости света в вакууме:

где - амплитуда напряженности электрического поля в световой волне, - фаза волны, определяемая положением рассматриваемого электрона. Для упрощения вычислений пренебрежем затуханием и запишем уравнение движения электрона в виде

где, - собственная частота колебаний электрона в атоме. Решение такого дифференциального неоднородного уравнения мы уже рассматривали ранее и получили

Следовательно, смещение электрона из положения равновесия пропорционально напряженности электрического поля. Смещениями ядер из положения равновесия можно пренебречь, так как массы ядер весьма велики по сравнению с массой электрона.

Атом со смещенным электроном приобретает дипольный момент

(для простоты положим пока, что в атоме имеется только один «оптический» электрон, смещение которого вносит определяющий вклад в поляризацию). Если в единице объема содержится N атомов, то поляризованность среды (дипольный момент единицы объема) можно записать в виде

В реальных средах возможны разные типы колебаний зарядов (групп электронов или ионов), вносящих вклад в поляризацию. Эти типы колебаний могут иметь разные величины заряда е i и массы т i , а также различные собственные частоты (мы будем обозначать их индексом k), при этом число атомов в единице объема с данным типом колебаний N k пропорционально концентрации атомов N:

Безразмерный коэффициент пропорциональности f k характеризует эффективный вклад каждого типа колебаний в общую величину поляризации среды:

С другой стороны, как известно,

где - диэлектрическая восприимчивость вещества, которая связана с диэлектрической проницаемостью e соотношением

В результате получаем выражение для квадрата показателя преломления вещества:

Вблизи каждой из собственных частот функция , определяемая формулой (6.24), терпит разрыв. Такое поведение показателя преломления обусловлено тем, что мы пренебрегли затуханием. Аналогично, как мы видели ранее, пренебрежение затуханием приводит к бесконечному росту амплитуды вынужденных колебаний при резонансе. Учет затухания избавляет нас от бесконечностей, и функция имеет вид, изображенный на рис. 6.11.

Рис. 6.11. Зависимость диэлектрической проницаемости среды от частоты электромагнитной волны

Учитывая связь частоты с длиной электромагнитной волны в вакууме

можно получить зависимость показателя преломления вещества п от длины волны в области нормальной дисперсии (участки 1–2 и 3–4 на рис. 6.7):

Длины волн, соответствующие собственным частотам колебаний , - постоянные коэффициенты.

В области аномальной дисперсии () частота внешнего электро­маг­нитного поля близка к одной из собственных частот колебаний молекулярных диполей, то есть возникает резонанс. Именно в этих областях (например, участок 2–3 на рис. 6.7) наблюдается существенное поглощение электромагнитных волн; коэффициент поглощения света веществом показан штриховой линией на рис. 6.7.

Понятие о групповой скорости. С явлением дисперсии тесно связано понятие о групповой скорости. При распространении в среде с дисперсией реальных электромагнитных импульсов, например известных нам цугов волн, испускаемых отдельными атомными излучателями, происходит их «расплывание» - расширение протяженности в пространстве и длительности во времени. Это связано с тем, что такие импульсы представляют собой не монохроматическую синусоидальную волну, а так называемый волновой пакет, или группу волн - совокупность гармонических составляющих с разными частотами и с разными амплитудами, каждая из которых распространяется в среде со своей фазовой скоростью (6.13).

Если бы волновой пакет распространялся в вакууме, то его форма и пространственно-временная протяженность оставались бы неизменными, а скоростью распространения такого цуга волн была бы фазовая скорость света в вакууме

Из-за наличия дисперсии зависимость частоты электромагнитной волны от волнового числа k становится нелинейной, и скорость распространения цуга волн в среде, то есть скорость переноса энергии, определяется производной

где - волновое число для «центральной» волны в цуге (обладающей наибольшей амплитудой).

Мы не будем выводить эту формулу в общем виде, но на частном примере поясним ее физический смысл. В качестве модели волнового пакета примем сигнал, состоящий из двух плоских волн, распространяющихся в одном направлении с одинаковыми амплитудами и начальными фазами , но различающихся частотами, сдвинутыми относительно «центральной» частоты на небольшую величину . Соответствующие волновые числа сдвинуты относительно «центрального» волнового числа на небольшую величину . Эти волны описываются выражениями.