Дисперсия света – это разложение света на составляющие его части. Экспериментально это явление открыл в 1672 году Ньютон. С тех пор все пытались понять: с чего это по-разному ломаются цветовые лучи? И умные головы додумались – у каждого цвета различная фазовая скорость.
А что такое фазовая скорость? Как пишет Википедия:
“Фазовая скорость – скорость перемещения точки, обладающей постоянной фазой колебательного движения в пространстве, вдоль заданного направления”.
Вы что-нибудь поняли? Где эта точка? На максимуме волны, на минимуме волны, где-то в промежутке или где-то в непостижимом уму месте? Как бы, то не было, но эта точка – это какой-то элемент волны. Если не сходить с ума, то это следует признать. А теперь представьте, что вся волна движется со скоростью света, а какая-то ее точка движется с меньшей скоростью. Долго она будет так двигаться? Не оторвется ли она от волны? Такая точка может быть в волне, но если она замедлилась на какое-то время, то в следующий период ее скорость должна быть больше скорости волны, то есть средняя скорость точки должна быть равна скорости волны. Такое присуще для полей электрического и магнитного, а электромагнитное поле движется со скоростью света.
Волна движется со скоростью v, а точка К пересечения волны и оси OXдвижется вдоль оси со скоростьюV. Чем меньше угол между волной и осью, тем быстрее движется точка К. Эта скорость может быть любой, в том числе и больше скорости света. Но ведь ни один элемент волны не движется вдоль оси OX. Все элементы просто пересекают ось. Сущность фазовой скорости сыграла злую шутку с Эйнштейном, когда он предположил, что свет распространяется вдоль осей Y и Z со скоростью.В результате этого в него шар при изменении скорости превратился в эллипсоид, что противоречит всему, чему можно.
Физическая скорость элементов одинакова и в красном, и в зеленом, и в ультрафиолетовом и в любом другом потоке излучения. Все они движутся с одной и той же скоростью относительно вакуума. Воздух тоже обладает определенным коэффициентом преломления, то есть задерживает составляющие света. Причем разные составляющие задерживаются по-разному.
Но почему все лучи вдруг на границе сред поменяли свое направление вообще, не зависимо от частоты? Можно конечно представить волну как некоторую гребенку с зубьями сверху и снизу, которую под углом запихивают в дыру и она нижними зубьями цепляется за другую среду раньше, чем верхними и в результате этого изменят направление движения. А когда и верхние зубья дойдут до другой среды, то движение этой гребенки будет прямолинейным. Все это было бы так, если бы не выход лучей из призмы. На выходе призма давит на нижние зубья гребенки, а на верхние нет и поэтому гребенка должна изменить поворот на противоположный. Опыт показывает, что это не так. Это видно на рисунке 2. Механистическое предположение не верно. Тем более это очевидно, если посмотреть на инфракрасное излучение.
Что будут показывать датчики измерения излучения расположенные в точках 1-7? Пусть каждый датчик может регистрировать все виды излучений. Датчик 1 будет регистрировать ультрафиолет, но не будет реагировать на видимый спектр. Датчик 2 будет регистрировать видимый спектр, но будет безразличен к ультрафиолету. Датчик 3 будет показывать сигналы инфракрасного спектра, другие излучения на него просто не попадают. Это же будут показывать датчики 4-6. Датчик 7 будет показывать видимый спектр и инфракрасный спектр. Если точнее, то инфракрасное излучение будут показывать все датчики. А почему же это так?
Да потому что для инфракрасного излучения вступают законы томпсоновского рассеяния. А томпсоновское рассеяние характеризуется почти круговой диаграммой рассеяния. Можно это показать как-то по проще? Да. Если вместо датчиков излучения поставить термометры, то увидим, что при подаче не призму луча, они изменят свои показания. Почему так? Призма нагрелась инфракрасными фотонами и начала ретранслировать инфракрасные фотоны во все стороны. Теперь предположенные гребенки разворачивались во все стороны, что не возможно. Надо искать другую модель взаимодействия фотона и вещества.
Одну из таких моделей мы и предложим. Она базируется на модели фотона в виде суммы квантов (статья “О фотоне подробно”) и на модели отражения и прохождения света (статья “Отражение и прохождение света. Часть 2”). Из рисунка 1 второй статьи видно, что фотон, не резонансный для поверхностного атома призмы, начинает поглощаться электроном при его торможении общим электрическим полем. На протяжении некоторого пути движения электрона он будет поглощен. Но так как данный фотон не приемлем для данного состояния электрона (он не может перевести электрон на другой устойчивый уровень), то он будет отторгнут (излучен) электроном. На излучение потребуется некоторое время. За периоды поглощения и излучения электрон пройдет некоторый путь. Например, как изображено на рисунке 1 второй статьи, он долетит до атома С, где отторгнутый фотон будет излучен, и полетит по направлению не совпадающего с тем направлением, по которому он подлетал к этой среде, в данном случае призме. Так получится излом луча.
Чем большей энергией обладает фотон, то есть чем длиннее цепочка квантов, тем больший промежуток времени будет такой фотон поглощаться и излучатся. Соответственно за этот больший промежуток времени электрон пройдет большую часть орбиты, где будет излучен фотон. Направление этого фотона еще больше будет отклонено от исходного направления. Для других длин волн будут другие направления.
Если вещество призмы будет другое, то может оказаться, что атомы, в то числе и поверхностные, содержат электроны, которые находятся на других энергетических уровнях, то есть при других скоростных режимах. Время же излучения и поглощения кванта величина постоянная, ибо она зависит от спина, но не от вещества. Один и тот же фотон будет взаимодействовать с электроном одно и то же время в любом веществе. Но в одном веществе за это время электрон пройдет какой-то отрезок своей орбиты, а в другом веществе он пройдет больший или меньший отрезок своей орбиты и, следовательно, получится различный излом луча. Причем на эту большую или меньшую величину будет изломан весь спектр. Это и есть различные величины коэффициента преломления.
А что же происходит с инфракрасным излучением, что оно обнаруживается в различных точках вокруг призмы? В статье “Электромагнитное излучение” рассказано, что излучение это поток фотонов с различной частоты. Примерно, так как показано на Рис. 3.
Фотоны 1, 2 и 3 различной энергии движутся с одной и той же частотой с длиной волны равной λ, при условии, что мы измеряем длину волны верно. Может оказаться, что длиной волны придется считать величины λ1, λ2 или λ3. Для данного случая нам это безразлично.
Естественно, что эти же фотоны или фотоны других энергий могут двигаться с другой частотой. Если посмотреть на радио диапазон, то там λ может достигать многих метров. Можно предположить, что и сами элементарные фотоны обладают большей энергией (электрон в LC контуре пробегает большие расстояния) и, следовательно, он длиннее.
Возможно, и в инфракрасном потоке фотоны длиннее, нежели фотоны видимого спектра. А это значит, что инфракрасные фотоны поглощаются или излучаются дольше, чем фотоны видимого спектра. Они регенерируются не на части оборота электрона вокруг ядра, а за оборот или оборот с некоторой частью или несколько оборотов электрона вокруг ядра. Соответственно фотоны из этих точек орбит и излучаются. А это может оказаться любое направление. А поскольку тепловые фотоны заставляют электроны двигаться с различной скоростью, то эти точки излучения плавают и поэтому диаграмма излучения (рассеяние) размывается. Это значит, что каждый электрон обладает различным коэффициентом преломления. Если представить антенну в виде штыря, то эта диаграмма почти идеальный круг. Другие материалы и конструкции ретрансляторов дадут другие диаграммы, в том числе и призма.
Так формируется томсоновское рассеяние без изменения длины волны излучения.
Между дисперсией видимого спектра и дисперсией инфракрасного спектра есть наблюдаемое промежуточное явление в виде аномальной дисперсии. Например, в парах йода (да и во многих других газах) красный луч ломается сильнее, чем синий. Конечно, можно сказать, что в газе другая фазовая скорость какой-то мнимой точки, поэтому лучи ломаются по-другому, но это не прояснит физики явления.
В призме из стекла фотон видимого спектра взаимодействует с электроном на протяжении некоторой части его орбиты в атоме. Можно подбирать вещество, призмы так, что этот путь будет больше или меньше, то есть коэффициент преломления будет больше или меньше. В свободном атоме протяженность одной и той же орбиты всегда будет меньше чем в связанном. При образовании связи электрон захватывает часть чужой территории. Но фотон всегда взаимодействует с электроном одно и то же время. И если протяженность орбиты относительно мала, то может случиться так, что фотон ретранслируется в тело призмы, вплоть до обратного направления, как при томсоновском рассеянии. И тогда может случиться то, что показано на Рис.3.
На одном из атомов йода излом лучей произошел обычным порядком, но фотоны ушли в призму. На втором атоме лучи попали в точки 4 и 5. И хотя расстояние от 4-6 большее, чем расстояние 5-7, излучение синего луча может произойти из точки 6 раньше, чем излучение красного луча в точке 7.
Опыт показывает, что явление обратной аномалии наблюдается вблизи линий поглощения. Возможно это и так, но все же следует поискать другие лучи по всем направлениям. Может быть некоторы окажется сзади, снизу или сверху призмы.
Конечно, к данной модели, как и ко многим другим моделям в других моих статьях, можно предъявить много претензий. Почему электрон движется в таком направлении, а не в каком-нибудь другом, почему фотон попадает в этом месте на элетрон, а не в другом и т.д. Все это можно попытаться объяснять, но дело не в этом. Важно привлечь внимание к необходимости перехода на квантовый уровень познания, а там, глядишь, кто-нибудь построит истинную модель, того или иного явления.