Большая Советская Энциклопедия (ДИ) - БСЭ БСЭ

  Вторым типом Д. з. является «геометрическая» дисперсия, обусловленная наличием границ тела или среды распространения. Она появляется при распространении волн в стержнях, пластинах, в любых волноводах акустических. Дисперсия скорости наблюдается для изгибных волн в тонких пластинах и стержнях (толщина пластины или стержня должна быть много меньше, чем длина волны). При изгибании тонкого стержня упругость на изгиб тем больше, чем меньше изгибаемый участок. При распространении изгибной волны длина изгибаемого участка определяется длиной волны. Поэтому с уменьшением длины волны (с повышением частоты) увеличивается упругость, а следовательно, и скорость распространения волны. Фазовая скорость такой волны пропорциональна корню квадратному из частоты, т. е. имеет место положительная дисперсия.

  При распространении звука в волноводах звуковое поле можно представить как суперпозицию нормальных волн, фазовые скорости которых для прямоугольного волновода с жёсткими стенками имеют вид

 

где n — номер нормальной волны (n = 1, 2, 3,...), с — скорость звука в свободном пространстве, d — ширина волновода. Фазовая скорость нормальной волны всегда больше скорости звука в свободной среде и уменьшается с ростом частоты («отрицательная» дисперсия).

  Д. з. обоих типов приводит к расплыванию формы импульса при его распространении. Это особенно важно для гидроакустики, атмосферной акустики и геоакустики, где имеют дело с распространением звука на большие расстояния.

  Лит.: Бергман Л., Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957; Михайлов И. Г., Соловьёв В. А. и Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 2, ч. А, М., 1968; Фабелинский И. Л., Молекулярное рассеяние света, М., 1965.

  А. Л. Полякова.

Дисперсия света

Диспе'рсия све'та, зависимость показателя преломления n вещества от частоты n (длины волны l) света или зависимость фазовой скорости световых волн от частоты. Следствие Д. с. — разложение в спектр пучка белого света при прохождении сквозь призму (см. Спектры оптические). Изучение этого спектра привело И. Ньютона (1672) к открытию Д. с. Для веществ, прозрачных в данной области спектра, n увеличивается с увеличением n (уменьшением l), чему и соответствует распределение цветов в спектре; такая зависимость n от l называется нормальной Д. с.

  Вблизи полос поглощения вещества ход изменения n с длиной волны значительно сложнее. Так, для тонкой призмы из красителя цианина (рис. 1) в области поглощения красные лучи преломляются сильнее фиолетовых, а наименее преломляемым будет зелёный, затем синий (так называемая аномальная Д. с.). У всякого вещества имеются свои полосы поглощения, и общий ход показателя преломления обусловлен распределением этих полос по спектру. На рис. 2 показан вид интерференционных полос в области аномальной дисперсии паров натрия.

  Преломление света в веществе возникает вследствие изменения фазовой скорости света; показатель преломления n = c0/c, где c0 — скорость света в вакууме, с — фазовая скорость его в данной среде. По электромагнитной теории света

 

где e — диэлектрическая проницаемость, m — магнитная проницаемость. В оптической области спектра для всех веществ m очень близко к 1. Поэтому

 

и Д. с. объясняется зависимостью e от частоты. Эта зависимость связана с взаимодействием электромагнитного поля световой волны с атомами и молекулами, приводящим к поглощению; показатель преломления при этом становится комплексной величиной

 

где c характеризует поглощение. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра основное значение имеют колебания электронов, а в инфракрасной — колебания ионов.

  Согласно классическим представлениям, под действием электрического поля световой волны электроны атомов или молекул совершают вынужденные колебания с частотой, равной частоте приходящей волны. При приближении частоты световой волны к частоте собственных колебаний электронов возникает явление резонанса, обусловливающее зависимость e от частоты, а также поглощение света. Эта теория хорошо объясняет связь Д. с. с полосами поглощения. Для того чтобы получить количественное совпадение с опытом, в классической теории приходилось вводить для каждой линии поглощения некоторые эмпирические константы («силы осцилляторов»). Согласно электронной теории, справедливы приближённые формулы:

 

где N — число частиц в единице объёма, е и m — заряд и масса электрона, g — коэффициент затухания. На рис. 3 приведены графики зависимости n и c от n/n0.

  Квантовая теория подтвердила качественные результаты классической теории и, кроме того, дала возможность связать эти константы с другими характеристиками электронных оболочек атомов (их волновыми функциями в разных энергетических состояниях). Квантовая теория объяснила также особенности Д. с., наблюдающиеся в тех случаях, когда имеется значительное число атомов в возбуждённых состояниях (так называемая отрицательная Д. с.).

  Д. с. в прозрачных материалах, применяемых в оптических приборах, имеет большое значение при расчёте спектральных приборов в целях получения хороших спектров, при расчёте ахроматических линз или призм, для уничтожения Д. с., вызывающей хроматическую аберрацию, и др.

  Вращательная дисперсия — изменение угла вращения плоскости поляризации j в зависимости от длины волны l. В прозрачных веществах угол j обычно возрастает с уменьшением l, причём для некоторых сред приближённо выполняется закон Био: j = К/l2 (К — постоянная для данного вещества). Вращательная Д. с. такого типа называется нормальной. В области поглощения света ход вращательной Д. с. значительно сложнее, причём угол j может достигать огромных величин (аномальная вращательная дисперсия). См. Вращение плоскости поляризации.

  Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М. — Л., 1959.

  М. Д. Галанин.

Рис. 1. Зависимость показателя преломления (сплошная линия) и поглощения (пунктирная линия ) от длины волны в m m для тонкой призмы из красителя цианина.

Рис. 2. Аномальная дисперсия в парах натрия (фотография Д. С. Рождественского).

Рис. 3. Графики зависимостей n и c от n/n0.

Дисперсная структура

Диспе'рсная структу'ра, неупорядоченная пространственная сетка в дисперсной системе (каркас), образованная частицами дисперсной фазы, соединёнными молекулярными силами различной природы. Формирование Д. с. сопровождается загущением (возрастанием структурной вязкости) или отвердеванием первоначально жидкой системы. Структурная сетка может занимать при этом от нескольких сотых долей % до нескольких десятков % от объёма системы, а в некоторых случаях заполнять практически весь объём. По характеру связи между частицами различают коагуляционные и конденсационные Д. с. Коагуляционные Д. с. возникают в процессе коагуляции частиц дисперсной фазы или при увеличении степени объёмного заполнения ими дисперсной системы. В коагуляционных Д. с. соединение частиц осуществляется через тонкую прослойку жидкой дисперсионной среды вследствие действия слабых межмолекулярных (ван-дер-ваальсовых) сил притяжения. Такие Д. с. обладают малой прочностью, пластичностью, некоторой эластичностью и тиксотропией, т. е. способностью самопроизвольно и обратимо восстанавливаться после механического разрушения — в результате столкновения частиц в броуновском движении. Лиогели (см. Гели) и различного рода пасты имеют Д. с. типично коагуляционного типа.

  Конденсационные Д. с. формируются в процессе выделения новой фазы из пересыщенных паров, расплавов и растворов. Мельчайшие частицы новой (дисперсной) фазы, возникнув в недрах гомогенной среды, увеличиваются в размерах, срастаются и образуют структурную сетку с прочными фазовыми, или когезионными (см. Когезия), контактами. Такая Д. с. может быть упруго-хрупкой или эластичной (в зависимости от механических свойств составляющей её фазы), но она лишена пластичности и тиксотропии, т. е. разрушается необратимо. Если новая фаза выделяется в виде кристаллов, которые в процессе роста срастаются или переплетаются, то образованная ими Д. с. называется кристаллизационной или конденсационно-кристаллизационной. Таковы, например, Д. с., возникающие при взаимодействии минеральных вяжущих веществ — цементов — с водой. Керамика и металлокерамика (керметы) также относятся к Д. с. конденсационно-кристаллизационного типа. К ним причисляют и предельно плотные Д. с. мелкозернистых твёрдых тел, закристаллизовавшихся из расплава, например ситаллы — закристаллизованные стёкла. Возникновение конденсационных Д. с. из пересыщенных растворов полимеров может идти двумя путями: через промежуточную стадию образования коацерватных капель (см. Коацервация) с повышенным содержанием полимера и через образование в эластичном полимерном студне капелек разбавленного раствора, подобных вакуолям. В 1-м случае обеднение растворителем и частичная коалесценция капель, перешедших в высокоэластическое состояние, приводят к возникновению сетчатой структуры срастания. Аналогичные структуры образуются из шаровидных полимерных частиц при желатинизации латекса, например в производстве губчатых резин, или из частиц молочного жира при получении сливочного масла. Во 2-м случае разрастание и слияние друг с другом «вакуолей» создаёт систему связных каналов; одновременно в результате синерезиса происходит обеднение растворителем фазы студня и возникает структурная сетка ячеистого типа. Удаление растворителя из полимерной Д. с. конденсационного типа (так называемого псевдогеля) даёт полимерные ксерогели, представляющие практический интерес в производстве тонкопористых материалов: мембранных фильтров, искусственной кожи, макропористых ионообменных смол и т.д.