Элементарная теория дисперсии света. Электронная теория дисперсии

Максвелл показал, что свет представляет собой электромагнитную волну. Фазовые скорости распространения такой волны в веществе (V) и в вакууме (C) различны. Соотношение между ними определяется значениями диэлектрической (ε) и магнитной (μ) проницаемостей вещества: C / V =

Для немагнитных сред можно принять μ = 1. Тогда C / V =            (3)

то есть фазовая скорость света в веществе в  раз меньше, чем в вакууме. Это позволяет объяснить явление преломления света следующим образом:

Пусть в момент времени t = 0 некоторая точка А, принадлежащая фронту плоской монохроматической волны, падающей под углом i, достигает границы раздела вакуум - оптическая среда (рис.4). За время Δt свет пройдёт в среде путь АД = V· ∆ t. За это же время свет от некоторой точки В фронта волны пройдёт путь ВС = V· ∆ t, достигнув границы раздела. Поскольку C > V, то BC > AC, и фронт CD волны в среде должен повернуться так, чтобы направление его распространения в среде относительно нормали составляла некоторый новый угол r < i.. Учитывая равенство углов со взаимно перпендикулярными сторонами (см. рис.4), видим, что

ВС = AC Sin i, АД = AC Sin r тогда

= =   то есть

С / V = Sin i / Sin r      (4)

 Сравнивая выражения (1), (3) и (4) найдём, что C / V = n =           (5)

  В курсе "Электричество" было показано, что       ε = 1+ Χ,                                  (6)

где Х - диэлектрическая восприимчивость, определяющая способность среды к поляризации, то есть к образованию электрических диполей.

Для неполярных диэлектриков в первом приближении это явление можно рассматривать как смещение электрона на некоторое расстояние X относительно положения равновесия под действием электрического поля. Ядро атома при этом можно считать неподвижным, поскольку его масса значительно больше массы электрона. Количественной характеристикой эффекта является поляризованность Р, которая пропорциональна напряжённости электрического поля E:       Ρ= X·ε₀ ·E, (7)

где ε₀ – электрическая постоянная. Объединяя уравнения (5), (6) и (7) получим:

                                          n² = 1 +                                               (8)

находим, что на участках АВ и CD (см. рис.6) dn/ dλ< 0,т.е. имеет место нормальный закон дисперсии, а участок ВС, где dn/ dλ > 0, соответствует аномальной дисперсии.

Опыты Ньютона

Зависимость абсолютного пок. Преломл. От частоты света экспереент обнаружена в серии о.Ньютона. Он показал что при прохождении через призму немонохромотич. Белого света, на экране устан. Позади призмы наблюдается видимая радужная полоса mn сост.из 7 цветов кот. наз. Дисперсионным спектром Т.О. дисперсия света приводит к разложению белого света на монохроматические составляющие, каждая из кот. имеет опр. Частоту (или длинну водны)

 

ßà 7. Перенос излучения в мутных средах. Классификация мутных сред (дымы, туманы, взвеси, суспензии, мутные твердые тела) Ослабление излучения в мутных средах. Поглощение и рассеяние излучения. Закон Бугера.

 

Классификация мутных сред

При наличии значительной оптической неоднородности среды определённая часть электромагнитных волн, излучаемых возбуждёнными атомами и молекулами, является некогерентной по отношению к первичным волнам и распространяется во все стороны. Это явление получило название рассеяния света. В результате такого рассеяния энергия первичного пучка света постепенно уменьшается, так же как и при необратимом переходе энергии возбуждённых атомов в другие формы энергии.

 

Особенно существенным оказывается рассеяние в среде с резкими неоднородностями показателя преломления. Среды, обладающие такими свойствами, принято называть мутными. В свою очередь все мутные среды можно разделить на несколько групп в зависимости от их строения и свойств.

Дымы - представляют собой взвесь твёрдых частиц в газе;

Туманы - взвесь жидких частиц (капель) в газе, например атмосферный туман или облака - взвесь капель воды в воздухе;

Эмульсии - взвесь капелек одной жидкости в другой жидкости (при условии, что жидкости не смешиваются);

Взвеси или суспензии - взвесь твёрдых частиц в жидкости, например вода, замутнённая тиной или известью;

Твёрдые мутные тела, например, перламутр, "молочные" стёкла и т. п.

Вместо истинных количественных характеристик поглощения света часто измеряют общее ослабление интенсивности падающего и прошедшего световых пучков, предполагая, что все ослабление обусловлено поглощением излучения.

Таким образом, говорят не только о коэффициенте ослабления, но и о коэффициенте поглощения.

 

    Поглощение и рассеяние излучения

Уменьшение интенсивности света в результате взаимодействия световой волны с электронами вещества называется поглощением. В результате этого взаимодействия энергия волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов или атомов внутри молекулы. Частично эта энергия возвращается излучению в виде встречных волн, частично переходит во внутреннюю энергию вещества. В результате световой поток, прошедший некоторый поглощающий слой вещества оказывается ослабленным.