Šviesos dispersija - tai reiškinys, kuomet šviesos sklidimą apibūdinančio dydžio priklausomybė nuo šviesos spalvos (dažnio). Šis reiškinys yra pagrindinė priežastis, kodėl balta šviesa, praeidama pro prizmę, suskyla į atskiras spalvas, formuodama vaivorykštės spektrą. Tai viena iš žinomiausių ir labiausiai akivaizdžių optinių reiškinių, su kuriais susiduriame kasdienybėje.
Baltos šviesos spindulys, kritęs į stiklinės prizmės paviršių, lūžta. Kadangi prizmė pagaminta iš stiklo, o stiklo lūžio rodiklis priklauso nuo šviesos bangos ilgio, kiekviena skirtingo dažnio šviesos banga lūžta skirtingu kampu. Tai reiškia, kad skirtingų spalvų šviesos spinduliai keliauja skirtingais kampais, taip iš balto šviesos pluošto atsiskiria jį sudarantys skirtingų spalvų pluošteliai. Praeidami prizmės briauną, skirtingų spindulių šviesos spinduliai dar kartą lūžta link prizmės pagrindo. Tokiu būdu kitoje prizmės pusėje skirtingais kampais keliaus skirtingos spalvos. Jei tų spindulių kelyje patalpintume baltą popieriaus lapą, pamatytume paveikslą, vadinamą spektru.
Šviesos spektrą susitarta dalinti į šias spalvas: raudoną, oranžinę, geltoną, žalią, žydrą, mėlyną, violetinę. Spektre visos spalvos palaipsniui pereina viena į kitą, sudarydamos vientisą spalvų gradaciją. Mažiausiai lūžta raudoni spinduliai, o daugiausiai - violetiniai. Šis skirtumas lūžio kampuose yra tiesiogiai susijęs su skirtingų spalvų šviesos bangų ilgiais ir medžiagos lūžio rodiklio priklausomybe nuo jų.
Mažiausiai lūžta raudoni spinduliai: nuo pradinės krypties jų nukrypimo kampas lygus δr = (nr-1)α, čia nr - raudonos spalvos spindulio lūžimo rodiklis, o α - prizmės laužiamasis kampas. Daugiausiai lūžta violetiniai, jų nukrypimo kampas δv = (nv - 1)α. Kaip jau minėta, skirtingų spalvų šviesos spinduliai skiriasi bangų ilgiais (λ = 0,75-0,4μ) ir skirtingais lūžio rodikliais. Tarp spektro kraštinių spalvų spindulių esantį kampą vadiname dispersijos kampu δ. Lūžio rodiklių skirtumas nv - nΓ kiekybiškai ir apibūdina medžiagos dispersiją.
Kas yra dispersija?
Dispersija yra šviesą apibūdinančio dydžio (pavyzdžiui, lūžio rodiklio) priklausomybė nuo šviesos spalvos (dažnio). Tai reiškia, kad skirtingų spalvų šviesa skirtingai sąveikauja su medžiaga, todėl ir lūžta skirtingais kampais. Labiausiai žinomas dispersijos pavyzdys yra vaivorykštė, kuri susidaro dėl vandens lašų, esančių ore, medžiaginės dispersijos.
Medžiaginė dispersija turi įtakos ir kitomis aplinkybėmis: ji sąlygoja impulsų plitimą optiniame šviesolaidyje, dėl to signalai išsikraipo nusklisdami didelius atstumus. Medžiaginė dispersija ir netiesiniai efektai gali sąlygoti solitonų atsiradimą.
Difrakcinė gardelė ir kampinė dispersija
Kitas svarbus dispersijos tipas yra kampinė dispersija, kurią sąlygoja difrakcinė gardelė. Difrakcinė gardelė sąlygoja kampinės dispersijos atsiradimą didesnės negu nulinės eilės difrakciniuose maksimuose. Kampinė dispersija yra plačiai naudojama įvairiuose optiniuose prietaisuose tam, kad būtų atskirti skirtingos spalvos signalai erdvėje. Kampinė dispersija gali būti sąlygota ir medžiaginės dispersijos.
Spalvų suvokimas ir jų savybės
Spalva - tai daikto savybė sukelti regos pojūtį, atitinkantį tų daiktų skleidžiamos, atspindimos arba praleidžiamos šviesos spektrinę sudėtį ir intensyvumą. Spalvos pojūtis leidžia žmogui skirti vienodo intensyvumo, skirtingo bangos ilgio spinduliuotes. Spalvos pagrindinės savybės yra tonas, sotis, šviesis.
Tonas - požymis, pagal kurį tam tikra spalva priskiriama tam tikro bangos ilgio šviesai (pvz., raudonai). Sotis - spalvos intensyvumas - rodo achromatinės spalvos priemaišą chromatinėje. Šviesis - spalvų kiekybinio palyginimo rodiklis (pvz., spektro žalia, geltona spalva yra šviesesnės - labiau sužadina regą - už mėlyną).
Galima išskirti 3 spektro pagrindines spalvas - mėlyną, žalią ir raudoną - ir iš jų gauti visas kitas spalvas. Kiekviena pagrindinė spalva turi papildomąją. Spalvos sodrumą lemia tam tikro atspalvio monochromatinės spinduliuotės dalis, kurią sumaišius su baltąja spinduliuote gaunama spinduliuotė, tapati nagrinėjamajai.
Šviesos filtrai praleidžia tam tikro bangos ilgio šviesą, kito ilgio sugeria, pvz., žalioji augalija atspindi žalią šviesą, o kitas sugeria. Regimosios šviesos spektras (spalvų spektras) sudaro labai mažą viso elektromagnetinių bangų spektro dalį. Baltos šviesos pluoštas, sklisdamas pro siaurų plyšelių sistemą (difrakcinę gardelę) arba prizmę, suskaidomas į daugelio spalvų spindulius. Spalvotų sričių ribos neryškios - vienos sritys pereina į kitas sudarydamos tarpines spalvas.
Spalvų skirstymas
Spalvos skirstomos į chromatines (spalvingąsias) ir achromatines (bespalves). Chromatinių spalvų daiktai įvairių bangos ilgių šviesą atspindi arba praleidžia skirtingai. Achromatinių spalvų daiktai visų bangos ilgių spindulius sugeria arba atspindi vienodai.
Renė Dekartas ir šviesos sklidimas
Renė Dekartas (1596-1650), prancūzų filosofas, matematikas ir fizikas, tyrinėjo šviesos sklidimą viename vandens laše. Jo darbai padėjo suprasti, kaip šviesa gali būti išsklaidoma į spalvotų spindulių spektrą, panašiai kaip tai vyksta su prizme. Vandens lašo sienelės ir išėjimas iš lašo veikia panašiai kaip stiklinė Niutono prizmė, skaidydama šviesą.
Chromoatinės dispersijos aprašymas perturbacijos būdu, naudojant Teiloro koeficientus, yra naudingas sprendžiant optimizavimo uždavinius, kai reikia subalansuoti kelių skirtingų sistemų dispersiją. Pavyzdžiui, chirpinių impulsų lazeriniuose stiprintuvuose, siekiant išvengti optinių pažeidimų, impulsai pirmiausia ištempiami laike naudojant tempiklį.