Co się dzieje w pryzmacie podczas przechodzenia przez niego światła?

Pytanie

Pyta Mariusz

Co się dzieje w skali atomowej w pryzmacie podczas przechodzenia przez niego światła białego? Jakie oddziaływania atom-światło prowadzą do rozszczepienia światła?

Odpowiedź

Odpowiada Piotr Wasylczyk

Rozchodzenie się światła w przeźroczystych materiałach, takich jak szkło, z którego może być wykonany pryzmat, nieźle opisuje tzw. model Lorentza. Zakładamy w nim, że atomy ośrodka to ciężkie (nieruchome) jądra i towarzyszące im elektrony, które są z nimi związane przy pomocy siły sprężystej (można sobie wyobrazić ładunek elektronu przyczepiony do nieruchomego jądra na sprężynce). Kiedy taki atom znajdzie się w polu elektrycznym, elektron jest odciągany od jądra, co prowadzi do powstania momentu dipolowego, a w konsekwencji powoduje powstanie tzw. polaryzacji ośrodka (nie mylić z polaryzacją światła!).

W polu elektromagnetycznym fali świetlnej, pole elektryczne zmienia się bardzo szybko (oscyluje) w czasie z częstością rzędu setek THz (dla światła widzialnego), z więc elektron czuje takie zmienne pole i jest „szarpany” na swojej sprężynce w te i wewte. Jeśli potrafimy (co jest raczej prostym zadaniem z mechaniki newtonowskiej, znanym jako „oscylator wymuszany”) opisać jego ruch w takim zmiennym polu, a więc i znaleźć polaryzację (szybkozmienną) zależną od częstości, to możemy stąd wprost wyprowadzić zależność współczynnika załamania światła od częstości, czyli np. wyjaśnić, dlaczego światło rozszczepia się w szklanym pryzmacie.

Model ten, choć tak prosty (niekwantowy), bardzo dobrze opisuje rozchodzenie się światła w przezroczystych izolatorach (ładunki związane). W przewodnikach sprawy mają się inaczej, gdyż tam ładunki są swobodne i stosować trzeba do nich inny opis, np. w ramach tzw. modelu Drudego.