Dispersioon (optika)

Dispersiooniks nimetatakse valguse murdumisnäitaja sõltuvust sagedusest (lainepikkusest). Seda põhjustab valguse elektromagnetlainete vastastikmõju aines esinevate dipoolidega; see mõju kasvab koos sagedusega.

Nähtava valguse diapasoonis võib seda kirjeldada nõnda, et pinnanormaali suhtes nurga all keskkondade piirkihile langenud valguse punasele värvusele vastava sagedusega valguskiir murdub kõige vähem ja violetsele värvusele vastava sagedusega kiir murdub kõige rohkem. Vastavalt murdub suurema lainepikkusega (punane) valguskiir vähem kui lühema lainepikkuse (violetne) valguskiir.

Normaalne ja anomaalne dispersioon
Dispersiooni iseloomustab murdumisnäitaja  ja lainepikkuse   jagatis .

Kui see suhe on
 väiksem kui 0, siis on tegemist normaalse dispersiooniga, see tähendab, et kui lainepikkus väheneb siis murdumisnäitaja kasvab; normaalse dispersiooni alas on keskkond läbipaistev;
 suurem kui 0, siis on tegemist anomaalse dispersiooniga ehk suuremale lainepikkusele vastab suurem murdumisnäitaja; 
 võrdne nulliga, siis sellele lainepikkusele vastav dispersioon puudub.
Lainepikkusi, kus esineb anomaalne dispersioon, iseloomustab tugev valguse neeldumine.

Laine rühmakiiruse dispersioon
Laine levimise faasikiirus (vt Laine levimiskiirus)
,
kus  on valguse kiirus vaakumis ja  on keskkonna murdumisnäitaja ja  on laine levimise faasikiirus (sõnast velocity inglise keeles). Kuna murdumisnäitaja sõltub sagedusest, siis eri sagedustega lainetel on erisugune faasikiirus. See tähendab, et dispersiooni mõjul levivad optilises keskkonnas erineva sagedusega lained erineva kiirusega.

Laine levimise rühmakiirus
, 
kus  on lainepikkus. Rühmakiirus on funktsioon laine sagedusest. Sellest tuleneb rühmakiiruse dispersioon, millest omakorda valguskiire välja venimine ajas, sest eri sagedusega komponendid liiguvad erineva kiirusega.

Rühmakiiruse dispersiooni parameeter
 
Kui  on väiksem kui null, siis on keskkonnal positiivne dispersioon ehk suurema lainepikkusega impulss liigub kiiremini kui väiksema lainepikkusega impulss.  Kui  on suurem kui null, siis on dispersioon negatiivne ja suurema lainepikkusega impulss liigub aeglasemalt kui väiksema lainepikkusega impulss.

Dispersiooni arvutamine
Vältimaks väikese murdumisnäitajate vahe jagamist väikese lainepikkuste vahega , kasutatakse dispersiooni iseloomustamiseks fikseeritud lainepikkustele vastavate murdumisnäitajate vahet või mõnda muud avaldist.

Dispersiooni iseloomustatakse tavaliselt Fraunhoferi joontele C, D, H ja F vastavate lainepikkuste abil:

Järgmistes valemites on , ,  ja  aine murdumisnäitajad vastavalt Fraunhoferi D, F, H ja C joonte lainepikkustel.

Keskmine dispersioon .

Eridispersioon .

Suhteline dispersioon 

Materjali dispersiooni iseloomustatakse tihti Abbe numbriga V:
,
seejuures väiksematele V väärtustele vastab suurem dispersioon.

Abbe number on defineeritud ,  ja  kaudu, kuid kuna naatriumi ja vesiniku jooni on keeruline tekitada, on kasutusel ka alternatiivseid Abbe numbri definitsioone:
 ja 
kus , ,  ja  on murdumisnäitajad vastavalt Fraunhoferi d, e, F' ja C' joonte lainepikkustel.

Dispersiooni näited

Dispersiooni tuntuim näide on päikeselise ilma ja vihma koosmõjul tekkiv vikerkaar. Valguskiir murdub (refraktsioon) vihmapiiska sisenedes, peegeldub piisa tagaküljelt ning murdub vihmapiisast väljudes. Juba esimene murdumine lahutab valguse erinevateks komponentideks (spektriks), teine murdumine suurendab seda lahknevust. Vikerkaart on võimalik näha, kui dispergeerivaid vihmapiisku on palju ning kui Päikese, piisa ja vaatleja silma moodustatud nurk on ligikaudu 42 kraadi. Kuna vihmapiisk on ümmargune, siis muudab valgus suunda keskmiselt 138 kraadi. Vikerkaare keskpunkt asub täpselt Päikese vastaspunktis, seega tekib vikerkaar 180 – 138 = 42 kraadi kaugusel vastaspunktist.

Dispersiooni kohtab kõikides keskkondades (välja arvatud vaakum). Näiteks vääriskivide üks tähtsamaid karakteristikuid on "tuli", mis on kalliskivi omadus valgust spektriks lahutada. "Tuli" sõltub ka kalliskivi lihvitusest ning ka kalliskivi värvist (mis võib vähendada dispersiooni efekti).

Teisalt, pulsarite (kiiresti pöörlevate neutrontähtede) signaali registreerimisaeg on dispersiooni tõttu erineva lainepikkuse jaoks erinev, kuigi pulseerimine toimib korraga üle laia spektriala. Tähtedevahelise aine ioniseeritud komponendid on dispergeeriva toimega, seega Maale jõuavad madalamad sagedused hiljem kui kõrgemad sagedused.

Dispersiooni abil uuritakse elektromagnetlainete vastastikmõju ainega. Spektris leiduvad iseärasused on võimalik seostada aine ehitusega. Spektroskoopia uurimisobjektiks on kiirgus, mis on olnud vastastikmõjus ainega ja mille spekter kannab infot aine kohta,

Halb on aga see, et dispersioon tekitab optikasüsteemides kromaatilist aberratsiooni. Läätse fookuskaugus sõltub tema murdumisnäitajast ning kuna murdumisnäitaja sõltub lainepikkusest, on eri lainepikkustel erinev fookus. Tagajärjeks on kujutise teravuse vähenemine või värviliste kontuuride teke kujutisele.

Viited 

Optika