В чем состоит явление дисперсии. Нормальная и аномальная дисперсия. Электронная теория дисперсии (с выводом)

Дисперсия света – зависимость показателя преломления вещества от длины волны или частоты света.

Все электроны, входящие в атом, можно разделить на перифе­рийные, или оптические, и электроны внутренних оболочек. На излучение и поглощение света в оптической области спектра оказы­вают влияние практически одни только оптические электроны. Собственные частоты электронов внутренних оболочек слишком велики, так что их колебания в поле световой волны практически не возбуждаются. Поэтому в теории дисперсии можно ограничиться рассмотрением одних только оптических электронов.

Для простоты предположим сначала, что в атоме есть всего один оптический электрон. В классической теории дисперсии оп­тический электрон рассматривается как. затухающий гармонический осциллятор, колебания которого в поле световой волны описывают­ся уравнением

(5.6)

где m — масса, е — заряд электрона, –kr — квазиупругая возвра­щающая сила, стремящаяся вернуть электрон в положение равновесия, — сила, аналогичная силе трения и введенная для учета поглощения света, — напряженность электрического поля, действующего на электрон.

Поле , вообще говоря, отличается от среднего макроскопического поля Е, входящего в уравнения Максвелла, но в случае неплотных газов этим различием можно пренебречь. Разделив на т, приведем предыдущее уравнение к виду

(5.7)

где , . Магнитной силой , действующей на электрон, мы пренебрегли, так как скорость электрона υ пренебре­жимо мала по сравнению со скоростью света с. Эта сила проявляется лишь в световом давлении, которое в обычных условиях мало и в разбираемом нами вопросе не играет существенной роли.

Все силы, действующие внутри атомов и молекул, имеют элек­трическую природу. Такими силами определяется и внутренняя структура этих частиц. Однако объяснить этими силами существо­вание и структуру атомов и молекул на основе классических пред­ставлений оказалось невозможным. Это было сделано только в рам­ках квантовой физики. Никаких квазиупругих сил и сил трения, пропорциональных скорости заряженных частиц, в атомах и мо­лекулах нет. Правильная теория дисперсии должна принимать во внимание только реально существующие силы и основываться на квантовых законах. Такую теорию дает квантовая механика. Однако она приводит к поразительному результату, что в отношении дисперсии и поглощения света атомы и молекулы ведут себя так, как если бы среда представляла собой набор осцилляторов с различ­ными собственными частотами и коэффициентами затухания, подчиняющихся классическим уравнениям движения Ньютона.

Собственные частоты и коэффициенты затухания не могут быть вычислены на основе классической модели. В классической теории на них надо смотреть как на формально введенные постоянные. Вычисление этих постоянных и раскрытие их истинного физиче­ского смысла возможно только в рамках квантовой теории. На классическую же теорию надо смотреть как на теорию, дающую модель диспергирующей среды, которая приводит к правильным окончательным результатам, если к ней применять законы класси­ческой механики.

После этого замечания можно перейти к изложению классиче­ской теории дисперсии, не опасаясь, что смысл этой теории будет понят неправильно.

Предположим, что поле Е представляется плоской волной

(5.8)

Амплитуда поля меняется от точки к точке. Значит, в различных точках траектории электрон подвергается действию поля различной амплитуды. (Указан­ное обстоятельство приводит к явлению так называемой простран­ственной дисперсии.) Однако мы пренебрежем этим обстоятельством, предполагая, что амплитуда колебаний электрона r₀ мала по срав­нению с длиной волны λ. Для теории дисперсии имеет значение не общее, а только частное решение уравнения (5.7), представляющее вынужденные колебания осциллятора Амплитуда r₀ найдется подстановкой этого выражения в (5.7) если пренебречь различием между и , то получится

. (5.9)

Атом в электрическом поле приобретает дипольный момент P=er=βE, где β — поляризуемость атома, определяемая формулой

. (5.10)

Если N — число атомов в единице объема, то вектор поляризации среды будет P=Np=NβE, индукция D=E+4 π P= ε E, где

. (5.11)

Материальное уравнение D= ε E принимает такой же вид, как и в формальной теории Максвелла, с тем существенным отличием, что диэлектрическая проницаемость ε теперь зависит от частоты ω. Поэтому сохраняют силу все ранее полученные результаты, если в них постоянную ε заменить функцией ε(ω). Функция ε(ω) получилась комплексной. Этого и следовало ожидать, так как в нашей модели учтено поглощение света. Введем комплексный показатель преломления по формуле

, (5.12)

где n — вещественный показатель преломления, а κ — показатель затухания среды. Обе функции n (ω) и κ (ω) зависят от частоты.

Таким образом, получают принципиальное, хотя и формальное объяснение не только дисперсия, но и абсорбция света.

Возведем (5.12) в квадрат и сравним вещественные и мнимые части полученного соотношения и соотношения (5.11). Тогда по­лучим

(5.13)

(5.14)

С помощью этих формул показатели преломления и затухания n и х. можно выразить через частоту ω и молекулярные параметры N и e²/m

Вдали от собственной частоты ω₀, где , мнимой частью в (5.11) можно пренебречь и получить приближенную формулу:

. (5.15)

Формула для n такого вида впервые была получена Зельмейером в 1871 г. в механической теории эфира. Конечно, в формуле самого Зельмейера нет никакого намека на связь показателя пре­ломления с диэлектрической проницаемостью ε и вообще со вся­кими величинами, характеризующими электрические свойства среды.

На Рис.5.5 сплошной линией представлен график функции ε=ε(ω). При переходе через точку ω=ω₀ эта функция претерпевает скачок от +∞ до −∞.

Показатель преломления n представлен штриховой, а показатель затухания κ — штрихпунктирной линией. Величина n обращается в нуль на участке, где ε(ω)<0.

Показатель затухания κ, наоборот, на этом участке отличен от нуля, обращаясь в нуль при всех остальных частотах. Величина κ опи­сывает именно затухание, а не поглощение волн, так как кривые Рис. 5.5 относятся к модели непоглощающей среды (диэлектрическая проницаемость ε всюду вещественна).

Впрочем, эти выводы имеют формальный характер, так как вблизи собственной частоты ω₀ соотношение не выполняется, а потому формула (5.15) неприменима. В действительности при переходе через точку ω=ω₀ величины ε ,n,κ должны меняться непрерывно, нигде не обращаясь в бесконечность.

В частности, поднимающаяся ветвь кривой ε=ε(ω) левее точки ω=ω₀ должна переходить в опускающуюся, чтобы сомкнуться с другой поднимающейся ветвью, расположенной правее той же точки.

Это замечание позволяет без особого труда представить ход кривых n и κ в окрестности полосы поглощения. Типичный вид кривых n = n (ω) и κ = κ (ω) приведен на Рис.5.6. Там, где поглощение невелико, показатель преломления n (ω) возрастает с ча­стотой. В этом случае говорят, что дисперсия нормальная. В области сильного поглощения n (ω) уменьшается с частотой. Такую диспер­сию называют аномальной. Ее трудно наблюдать из-за сильного поглощения.

Теоретические соображения, изложенные выше, справед­ливы не только для электронов, но и для ионов, и притом в послед­нем случае классические представления более обоснованы ввиду относительно больших масс ионов. Во всех телах наблюдается не одна, а несколько полос поглощения. Чтобы это \честь, в класси­ческой модельной теории принимается, что вещество построено из частиц различного типа — электронов и ионов, которые ведут себя как затухающие гармонические осцилляторы с различными собст­венными частотами. В газах можно пренебречь их взаимодейст­вием. Тогда формула (5.11) принимает вид

, (5.16)

где N_k, m_k, e_k, ω_k, γ_k — концентрация, масса, заряд, собственная частота и коэффициент затухания осциллятора k-го типа, а сумми­рование ведется по всем k. Каждой собственной частоте соответствует своя линия поглощения, вблизи которой показатель прелом­ления меняется аномально. Общий ход показателя преломления в зависимости от частоты представлен схематически на Рис. 5.7.

Сравнивая формулу (5.16) с опытом, можно найти коэффициенты . По этим данным можно оценить удельные заряды e_k/m_k и вывести заключения относительно природы осцилляторов. Действительно, заряды e_k по порядку величины не могут существенно отличаться от элементарного заряда e= 4,8·10^-9 СГСЭ, а N_k — от числа атомов в единице объема, т.е. от N_Ав ρ/A, где N_Ав — число Авогадро, ρ — плотность вещества, А — атомная масса (по старой терминологии — атомный вес).

Таким образом,

, (5.17)

Где F≡ N_Авe =2,9·10^-14 СГС·г·экв^-1 — число Фарадея. С помощью этой формулы и можно оценить величины e_k/m_k. Таким путем, в согласии с теоретическими представлениями, было найдено, что все осцилляторы отчетливо подразделяются на две группы: у одной удельные заряды по порядку величины такие же, как у электронов, у другой — как у ионов. Первым соответствуют полосы поглоще­ния, лежащие в ультрафиолетовой (реже — в видимой), вторым — в инфракрасной области спектра.

Формула (5.16) и соответствующие ей формулы для пик применимы и в случае металлов. В инфракрасной области спектра основную роль играют свободные электроны, для которых следует положить ω_k =0. Влияют также ионы вблизи их собственных частот. В видимой и примыкающей к ней ультрафиолетовой обла­стях спектра формула (5.16) удовлетворительно согласуется с опы­том, если наряду со свободными учесть также электроны, связанные в ионах металла (колебания самих ионов в этих областях спектра не играют роли).

Учтем теперь, хотя далеко не безупречным способом, взаимо­действие молекул, поляризованных электрическим полем световой волны. Для этого воспользуемся методом действующего поля. В кристаллах кубической системы, построенных из точечных и изотропных атомов, поле , действующее на молекулу, связано со средним максвелловским полем Е соотношением

. (5.18)

То же соотношение приближенно справедливо для изотропных газов и жидкостей, построенных из изотропных молекул, если под понимать действующее поле, усредненное по положениям центров молекул в физически бесконечно малом объеме среды. Формула (5.18) выведена в электростатике, но ею можно приближенно пользоваться и в случае переменных полей, когда длина волны велика по сравнению с межмолекулярными рас­стояниями.

Будем предполагать, что все молекулы одинаковы и каждая из них содержит только один оптический электрон. Кроме того, прене­брежем затуханием, предполагая, что частота ω далека от полосы поглощения. В этих предположениях все, что нужно сделать, — это заменить в уравнении (5.7) выражением (5.18). Последующие вычисления крайне элементарны, но мы опустим их, так как они уже были выполнены в электростатике. Там по методу, в точности совпадающему с излагаемым здесь, была полу­чена формула Мосотти — Клаузиуса:

. (5.19)

Дисперсия спектральных приборов. Спектральные приборы, как известно, служат для обнаружения излучения и анализа распреде­ления его по длинам волн. Отдельным длинам волн соответствует определенный максимум. Контур максимума зависит от характерис­тик данного спектрального прибора. В зависимости от контура соседние близлежащие максимумы, перекрываясь друг с другом, могут образовать один результирующий максимум. Очевидно, что для данной формы криво интенсивности расстояние между макси­мумами соседних длин, волн следует принять за параметр, характеризующий спектральный прибор. В зависимости от величины этого параметра, который называют дисперсией прибора, соседние линии можно наблюдать либо как самостоятельные, либо как одну линию.

Поскольку положение спектральных линий в приборе опреде­ляется направлением лучей, а на экране (или на фотопластинке) — расстоянием между соответствующими спектральными линиями, вводятся соответственно такие характеристики прибора, как угловая (D) и линейная (D*) дисперсии.

Угловая дисперсия и определяется отношением углового расстояния линии, отличающихся по длине на δλ, к величине этого интервала:

D= δφ/ δλ. (5.20)

Если расстояние между линиями, отличающимися по длине на δλ обозначить через δ S, то согласно определению линейной дисперсии имеем:

D*= δ S /δλ. (5.21)

При известном фокусном расстоянии (f) линзы, проектирующей спектр на экран, исходя из соотношения δ S=f δ φ, можно найти связь между D и D*:

D*=fD. (5.22)

В качестве примера найдем дисперсию дифракционной решетки, призмы и интерферометра Фабри-Перо.

Дисперсия призмы. Вспектрографах призма располагается так, чтобы угол отклонения луча был минимальным. Поэтому, волны различной длины отклоняются под разными углами φ_мин (из-за зависимости n от λ). Принимая во внимание зависимость φ от n, а также зависимость n от λ и подставляя φ=φ_мин имеем

. (5.23)

Так как

, (5.24)

то

. (5.25)

Так как , то для дисперсии призмы имеем

(5.26)

Отношение δ n /δλ называется дисперсией призмы и зависит от материала призмы.