Нормальная и аномальная дисперсия.

Дисперсией вещества называется величина , определяющая степень растянутости спектра вблизи данной длины волны λ. Дисперсия называется нормальной, если с ростом длины волны показатель преломления уменьшается, т.е. , и аномальной, если . Для прозрачных веществ характерно монотонное возрастание показателя преломления с уменьшением длины волны.

Основы теории дисперсии (уравнение дисперсии).

Основы теории дисперсии могут быть получены, если рассматривать взаимодействие световых волн с электронами, входящими в состав атомов и молекул. Электроны в атомах и молекулах удерживаются около своих положений равновесия квазиупругими силами. Таким образом, электроны обладают определенным набором собственных частот колебаний ω_оi. Под действием падающей световой волны электроны в атомах и молекулах совершают вынужденные колебания с частотой, совпадающей с частотой падающей световой волны ω (без учета затухания). Первичная электромагнитная волна, распространяясь через вещество, вызывает вынужденные колебания электронов, и они становятся источниками вторичных волн. Вторичные волны, складываясь с первичной, образуют результирующую волну с амплитудой и фазой, отличными от амплитуды и фазы первичных волн. В результате волна проходит через вещество с фазовой скоростью, отличной от скорости, с которой она распространялась бы в вакууме.В идеальной однородной среде колеблющиеся электроны возвращают всю падающую энергию в виде вторичных
волн, и поглощения света не происходит. В реальном теле часть падающей энергии переходит в другие формы (главным образом, в тепловую) – наблюдается поглощение света.

Особый интерес представляет случай, когда частота световой волны ω совпадает с частотой собственных колебаний электронов ω_о. При этих частотах энергия световой волны полностью поглощается веществом. Такое явление называется резонансным поглощением света, а соответствующая частота – резонансной. Именно в области резонансного поглощения наблюдается аномальное поведение дисперсии. Вещество, состоящее из атомов или молекул с определенным набором частот собственных колебаний электронов ω_оi даст в спектре прошедшего через него света узкие линии поглощения. Коэффициент преломления окажется постоянным в областях, далеких от линий поглощения, и будет быстро меняться с частотой и сильно отличаться от единицы вблизи каждой линии поглощения, где взаимодействие света с веществом велико.

Зависимость показателя преломления n среды от частоты ω электромагнитной волны имеет вид:

,

где N_o – концентрация атомов, ω_оi – собственные частоты колебаний электронов, m – масса электрона, ε_о – электрическая постоянная.

Связь с поглощением

Пусть напряж. эл-го поля направл. вдоль OX,
E=E₀xcos(wt-kx+a), Pe=pen0, где pe-дипольн. момент отдельн. атома, n0- число атомов в ед. объема. Т.к. поле направ вдоль ox то pe=-ex, т.о. Pe=-exn0 => n2=1-en0x/(Eoxcos(wt-kx+a)), Запишем диф-е ур-е описыв. движен. эл-в в атоме F=ma=md2x/(d2t) на эл-н в атоме действует a) Fкул=-eEoxcos(wt-kx+a), b) Fупр=-kx=-mw02x, w0=Ö(k/x) => k=w02m,=> md2x/(d2t)=-eEoxcos(wt-kx+a)-mw02x, m- масс. эл-на. Решая это диф. ур-е окнчательно получаем n=Ö(1+n0e2/(e0E(w02-w02))). Видно что это выр-е терпит разрыв при w=w02 такой рез. получается в рез-те того что в 2-м законе Ньютона не была учтена сила трения (затухания) если учесть затухание то разрыва этой ф-ии не будет. Во всякой реальной колеб. сист. всегда есть затухание. Аномальная дисперсия набл-ся в области част-т близких к колеб. эл-в в атоме т.к. в общем случае таких частот (резонансов) м. б. несколько.