Lichtbrechung und Frequenzabhängigkeit

Das Phänomen, das Sie beschreiben, heißt Dispersion . Ich kenne keinen wirklich guten intuitiven Weg, dies zu beschreiben, also ist das Folgende notwendigerweise eine handwinkende Beschreibung. Cavet Emptor.

Das Licht ist mit einem oszillierenden elektrischen Feld verbunden, und unter der Annahme, dass das Material eine Suszeptibilität ungleich Null hat, werden die Elektronen im Material ebenfalls zum Schwingen gebracht. Die Schwingung der Elektronen im Material hat im Vergleich zur einfallenden Welle eine Phasenverzögerung, und wenn Sie die einfallende Welle mit allen induzierten Wellen addieren, erhalten Sie eine resultierende Welle mit einer kürzeren Wellenlänge. Da die Frequenz konstant ist, bedeutet dies zwangsläufig eine verringerte Geschwindigkeit, und deshalb erhalten wir einen Brechungsindex größer als eins.

Die Frequenzabhängigkeit des Brechungsindex entsteht dadurch, dass die Elektronen eine Eigenschwingungsfrequenz haben. In einem typischen Material wie Glas entspricht dies elektronischen Anregungen und liegt im UV. Wenn Sie die Frequenz des Lichts erhöhen und sich dieser natürlichen Frequenz annähern, nimmt die Größe der induzierten Schwingungen zu, und daher nimmt die Wechselwirkung mit dem Licht zu. Dies unterscheidet sich nicht von jedem angetriebenen harmonischen Oszillator. Wenn Sie die Resonanz passieren und die Frequenz weiter erhöhen, sinkt die Wechselwirkungsstärke und damit der Brechungsindex wieder.

Die Zunahme des Brechungsindex mit der Frequenz ist also keine allgemeine Regel. Sie hängt vom Verhältnis zwischen der Frequenz des Lichts und den Eigenfrequenzen des Materials ab.

Die Wellenlänge ist nur reziprok zur Frequenz, daher ergibt die zweite Frage keinen Sinn. Lichtstreuung kann als Absorption und unmittelbare Emission angesehen werden. Wenn Sie es so betrachten, steigen die Emissionswahrscheinlichkeiten mit der Wellenlänge, da die Anzahl der Endzustände mit der Frequenz zunimmt (Sie können eine Welle auf mehrere Arten in einem Kasten anordnen, wenn sie eine kurze Wellenlänge hat).