№ 3–15. Изучение дисперсии стеклянной призмы в видимой области спектра

Приборы и принадлежности: гониометр, стеклянная призма, лупа, ртутная лампа.

Цель работы: изучение дисперсии света.

1. Краткая теория

Электромагнитные волны различных частот распространяются в веществе с различными скоростями. Так как скорость света в веществе определяет его показатель преломления n, то n является функцией частоты (длины волны): n = n(ω). Это явление называется дисперсией света. Если n растет с ω (убывает с λ), то речь идет о нормальной дисперсии. Например, стеклянная призма сильнее преломляет фиолетовые лучи, чем красные. Поэтому луч белого света при прохождении через призму разлагается в спектр.

Явление дисперсии обусловлено возникновением вынужденных колебаний элементарных диполей в веществе при прохождении через него световой волны. Пусть на кювету, содержащую газ, падает электромагнитная волна с частотой ω.

У каждой молекулы индуцируется диполь с переменным электрическим моментом. Вынужденные колебания диполей создают в веществе вторичную электромагнитную волну той же частоты ω, но c отставанием по фазе. Наложение на первичную волну вторичной волны, сдвинутой по фазе, приводит к замедлению суммарной волны в веществе. Причем, с ростом ω увеличивается отставание по фазе вторичной волны, что приводит к еще большему уменьшению скорости волны в веществе.

Электронная теория дисперсии дает следующую связь показателя преломления и частоты световой волны вблизи ω₀ - собственной частоты колебаний молекул вещества, находящегося в газовом состояний: , где А - коэффициент пропорциональности, зависящий от числа молекул в единице объема.

В этой формуле пренебрегается затуханием, поэтому функция n = n(ω) терпит разрыв в точке ω = ω₀ (пунктирная линия на рис. 50). Учет затухания приводит к зависимости, показанной на рис. 52 сплошной линией.

В области частот , показатель преломления растет с ростом частоты. Это область нормальной дисперсии. Наоборот, в области частот показатель преломления убывает с ростом частоты. Это область аномальной дисперсии.

Аномальная дисперсия обнаруживается в узких частотных интервалах спектра вблизи собственных частот колебаний молекул газа, когда наступает резонанс колебательной системы каждой молекулы с проходящей через вещество электромагнитной волной. В этих условиях свет наиболее активно поглощается молекулами вещества. Так что в прошедшем пучке света появляются линия поглощения, соответствующие областям аномальной дисперсии около собственных частот молекул вещества. В то же время газ будет сам излучать свет в тех же самых частотных интервалах, в которых происходило поглощение: линейчатый спектр излучения соответствует линейчатому спектру поглощения.