Закон дисперсии

Зако́н диспе́рсии, или дисперсио́нное соотноше́ние, в теории волн — функция зависимости частоты волны от волнового вектора:

$\omega =\omega (𝐤)$.

Математический вид этой зависимости, выражающей связь временно́й и пространственной периодичности волны, определяется свойствами рассматриваемых колебаний и среды, в которой они распространяются.

Из закона дисперсии можно получить фазовую и групповую скорости волны:

${𝐯}_{\text{ph}}=\frac{\omega }{k}\cdot \frac{𝐤}{k},{𝐯}_{\text{gr}}=\frac{d\omega }{d𝐤}$.

В простейшем случае линейной связи $\omega$ и $k$ эти скорости совпадают.

Законы дисперсии существуют для волн любой природы, в том числе для электромагнитных и упругих. Концепция корпускулярно-волнового дуализма позволяет записать данный закон также для волн де Бройля, ассоциируемых с частицами, например электронами.

Иногда дисперсионное соотношение задаётся в виде зависимости

$E=E(𝐤)$

для энергии кванта колебаний (фотона, фонона) $E=\hslash \omega$ или частицы, где $\hslash$ — постоянная Планка-Дирака.

Волновое уравнение и дисперсия

В гармоническом решении классического волнового уравнения фазовая скорость не зависит от волнового числа. Однако различные эффекты, возникающие в среде, могут приводить к появлению дополнительных членов в дифференциальном уравнении, описывающем распространение в этой среде волн. При подстановке в такое уравнение гармонической функции, можно увидеть, что она всё ещё является решением, но связь между частотой и волновым числом уже не линейная, что эквивалентно зависимости фазовой скорости от волнового числа.

Нахождение дисперсионного соотношения

Дисперсионные соотношения могут быть рассчитаны в рамках тех или иных моделей среды.

Экспериментально они не измеряются напрямую, но подлежат определению на основе анализа распространения волн. Например, закон дисперсии электромагнитной волны в некоторой среде можно получить на базе измерений частотной зависимости показателя преломления.

Примеры для волн различных типов

Дисперсия видимого света в оптике

Разложение пучка света в спектр при прохождении стеклянной призмы вследствие явления дисперсии света в стекле — нелинейности закона дисперсии для света в среде

Дисперсия возникает, если фазовая скорость распространения волны зависит от её волнового числа, что имеет место, когда закон дисперсии нелинеен. Среда, в которой возникает дисперсия, называется дисперсионной или диспергирующей средой. Такой средой в частности является стекло. Можно показать, что нелинейное дисперсионное соотношение для волн, распространяющихся в стекле, приводит к зависимости показателя преломления от длины волны.

Дисперсия стекла и закон Снеллиуса приводят к возможности использования стеклянной призмы в качестве простейшего спектрального прибора (см. картинку).

Упругие колебания атомов в цепочке

Пусть имеется одномерная линейная цепочка атомов массой $m$, расстояние между ними $d$. Сместим $n$-й атом на малое расстояние $u_n$. Из-за малости отклонения сила взаимодействия атомов будет квазиупругой.

С учётом ближайших соседей, действующая на $n$-й атом смла запишется как

$F_n=-\beta (u_n-u_{n+1})-\beta (u_n-u_{n-1})=\beta (u_{n+1}-2u_n+u_{n-1}),$

где $\beta$ — коэффициент. Уравнение движения для $n$-го атома имеет вид

$m{a}_n=F_n⟺m\frac{d^2{u}_n}{d{t}^2}=\beta (u_{n+1}-2u_n+u_{n-1})$.

Его решение ищется в форме $A{e}^{i(kd-\omega t)}$, где $k$ — волновое число, $A=$const, а $\omega$ — частота. Тогда

$-m{\omega }^2=\beta (e^{ikd}+e^{-ikd}-2)=-2\beta (1-\cos kd)=-4\beta {\sin }^2(kd/2),$

откуда получается:

$\omega =\pm {\omega }_m\sin kd/2,$ где ${\omega }_m=2\sqrt{\beta /m}$.

Это и есть зависимость частоты от волнового числа, то есть закон дисперсии, для одноатомной цепочки.

Законы дисперсии для электронов

В физике твёрдого тела закон дисперсии выражает связь между энергией электрона и его волновым вектором. Такие зависимости могут иметь достаточно сложный вид. На их основе рассчитывается эффективная масса электрона в разных квантовых состояниях.

В полупроводниках, в диапазоне энергий электрона $E$ вблизи минимума зоны проводимости $E_c$ дисперсионное соотношение часто повторяет соответствующее выражение для случая вакуума, но с эффективной массой $m^{*}$ отличной от массы свободного электрона:

$E=E_c+{\hslash }^2{k}^2/2m^{*}$.

Однако при повышении энергии выражение значительно модифицируется.

См. также

• Дисперсия волн

Литература

Стефан А. Тау. Линейные волны в средах с дисперсией // Нелинейные волны. — М.: Мир, 1977.