Rozszczepienie światła

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Pryzmat rozszczepiający światło

Rozszczepienie światła w fizyce to zjawisko rozdzielenia się fali świetlnej na składowe o różnej długości.

Rozszczepienie światła jest wynikiem ogólniejszego zjawiska fizycznego zwanego dyspersją, które określa zjawiska zachodzące dla fal na skutek zależności prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku od częstotliwości fali.

Fizyczne podstawy rozszczepienia[edytuj | edytuj kod]

Rozszczepienie światła w pryzmacie

Jeżeli fala przechodzi przez granicę ośrodków zachodzi zjawisko załamania. Jeżeli w jednym z ośrodków prędkość rozchodzenia się fali zależy od częstotliwości, to fale o różnej częstotliwości załamują się pod różnymi kątami. W efekcie droga, po której porusza się fala, zależy od jej częstotliwości, czyli zachodzi rozszczepienie.

Zjawisko rozszczepienia zachodzi również na siatce dyfrakcyjnej, ale istota tego zjawiska jest inna.

Współczynniki załamania dla różnych częstotliwości[edytuj | edytuj kod]

Z prawa załamania światła wynika zależność:

v = \frac{c}{n}

gdzie:

v – prędkość propagacji fali świetlnej,
c – prędkość światła w próżni,
nwspółczynnik załamania światła przy przejściu z próżni do ośrodka.

W praktyce dla każdego przezroczystego materiału współczynnik załamania zależy od długości fali. Wyznaczona empirycznie zależność, zwana równaniem Sellmeiera, współczynnika załamania od długości fali w próżni, dla szkła przyjmuje postać


n^2(\lambda) = 1
+ \frac{B_1 \lambda^2 }{ \lambda^2 - C_1}
+ \frac{B_2 \lambda^2 }{ \lambda^2 - C_2}
+ \frac{B_3 \lambda^2 }{ \lambda^2 - C_3}

gdzie:

B1,2,3 oraz C1,2,3 – stałe dobrane na podstawie pomiarów nazywane współczynnikami Sellmeiera. Dla różnych rodzajów kryształów zależność może przyjąć inne formy.

Szkło – przykład zmian wartości współczynnika załamania[edytuj | edytuj kod]

Zależność współczynnika załamania od długości fali światła dla szkła BK7

Jako przykład w tabeli podano wartości współczynników Sellmeiera dla szkła borowo-krzemowego oznaczanego jako BK7. Współczynnik B jest bezwymiarowy, a wartości C podano w mikrometr².

Współczynnik Wartość
B1 1,15150
B2 1,18584·10-1
B3 1,26301
C1 1,05984·10-2
C2 -1,18225·10-2
C3 1,29618·102

Oddziaływanie światła z materią[edytuj | edytuj kod]

Światło jako fala elektromagnetyczna to rozchodzące się zaburzenia natężenia pola elektrycznego i magnetycznego. Gdy fala pierwotna przechodzi przez ośrodek, oscylacje pola elektrycznego oddziałują z elektronami substancji wprawiając je w drgania (wymuszone) o częstotliwości zgodnej z częstotliwością fali padającej. Drgania te powodują wytworzenie wtórnej fali elektromagnetycznej, która jest opóźniona w stosunku do fali padającej, fala ta interferuje z pierwotnym promieniowaniem. W wyniku tych zjawisk fala porusza się w substancji wolniej, co odpowiada że powstaje fala o większej długości. Intensywność drgań elektronów zależy od częstotliwości fali padającej wykazuje zależność typu rezonansowego i jest różna dla różnych materiałów.

Zjawiska optyczne oparte na rozszczepieniu[edytuj | edytuj kod]

Najbardziej znany przykład dyspersji światła to rozszczepienie światła widzialnego na pryzmacie. Jako pierwszy to zjawisko zaobserwował Isaac Newton, badając rozszczepienie światła słońca. Obraz uzyskany dzięki dyspersji pozwala na pomiar widma fali świetlnej.

Jednym z widocznych skutków dyspersji jest powstawanie tęczy. W tym wypadku rozszczepienie zachodzi na kropelkach wody unoszących się w powietrzu.

Praktyczne znaczenie dyspersji[edytuj | edytuj kod]

Dzięki rozszczepieniu światła możliwy jest dokładny pomiar natężenia promieniowania dla różnych długości fali. Służy do tego spektroskop optyczny. W oparciu o który powstała duża gałąź fizyki zwana spektroskopią. Przykładowo, dzięki niemu możliwa jest zdalna obserwacja wielu właściwości świecących ciał, można wyznaczyć temperaturę odległej gwiazdy, zbadać substancje w niej zawarte, określić prędkość ruchu.

W niektórych przyrządach optycznych dyspersja może powodować wady obrazu, nazywane aberracją chromatyczną. Powodują one powstawanie na zdjęciu kolorowej obwódki wokół jasnych elementów na ciemnym tle.

Zjawisko załamania zachodzi dla fal o różnej częstotliwości z różną siłą. W zakresie światła widzialnego wzrost częstotliwości powoduje zmniejszenie prędkości fali. Dla pewnych szczególnych częstotliwości fal elektrony przezroczystego materiału, wpadają w rezonans. Efektem tego jest zniekształcenie zmian współczynnika załamania dla częstotliwości w pewnym małym zakresie. Załamanie światła widzialnego zależy od częstotliwości. Dla dyspersji normalnej najsłabiej załamuje się światło czerwone, a najbardziej fioletowe (o największej częstości). Zjawisko to wykorzystuje się do budowy soczewek korygujących aberrację chromatyczną.

Zjawisko dyspersji powoduje rozmywanie impulsów świetlnych, co stanowi problem przy przesyłaniu sygnałów w światłowodach.