Отношение дисперсии - Dispersion relation

В призме разброс вызывает разные цвета преломлять под разными углами, расщепляя белый свет на цвета радуги.

в физические науки и электротехника, дисперсионные соотношения описать эффект разброс о свойствах волн в среде. Дисперсионное соотношение связывает длина волны или же волновое число волны его частота. Учитывая дисперсионное соотношение, можно вычислить фазовая скорость и групповая скорость волн в среде в зависимости от частоты. В дополнение к зависимым от геометрии и материалам дисперсионным соотношениям, общие Отношения Крамерса – Кронига описать частотную зависимость распространение волн и затухание.

Дисперсия может быть вызвана либо геометрическими граничными условиями (волноводы, мелководье) или взаимодействием волн с передающей средой. Элементарные частицы, рассматривается как волны материи, имеют нетривиальное дисперсионное соотношение даже при отсутствии геометрических ограничений и других сред.

При наличии дисперсии скорость волны больше не определяется однозначно, что приводит к различию фазовая скорость и групповая скорость.

Дисперсия

Основные статьи: Дисперсия (оптика), Дисперсия (волны на воде), и Акустическая дисперсия

Дисперсия возникает, когда чистые плоские волны разной длины имеют разные скорости распространения, так что волновой пакет смешанных длин волн имеет тенденцию распространяться в пространстве. Скорость плоской волны, ${\displaystyle v}$, является функцией длины волны волны ${\displaystyle \lambda }$:

${\displaystyle v=v(\lambda ).\,}$

Скорость волны, длина волны и частота, ж, связаны тождеством

${\displaystyle v(\lambda )=\lambda \ f(\lambda ).\,}$

Функция ${\displaystyle f(\lambda )}$ выражает дисперсионное соотношение данной среды. Дисперсионные соотношения чаще выражаются через угловая частота ${\displaystyle \omega =2\pi f}$ и волновое число ${\displaystyle k=2\pi /\lambda }$. Переписывая приведенное выше соотношение в этих переменных, получаем

${\displaystyle \omega (k)=v(k)\cdot k.\,}$

где мы сейчас смотрим ж как функция k. Использование ω (k) для описания дисперсионного соотношения стало стандартным, поскольку фазовая скорость ω /k и групповая скорость dω / dk имеют удобные представления через эту функцию.

Рассматриваемые плоские волны можно описать следующим образом:

${\displaystyle A(x,t)=A_{0}e^{2\pi i{\frac {x-vt}{\lambda }}}=A_{0}e^{i(kx-\omega t)},}$

куда

А - амплитуда волны,

А₀ = А(0,0),

Икс - позиция вдоль направления движения волны, а

т - время описания волны.

Плоские волны в вакууме

Плоские волны в вакууме - это простейший случай распространения волн: без геометрических ограничений, без взаимодействия с передающей средой.

Электромагнитные волны в вакууме

За электромагнитные волны в вакууме угловая частота пропорциональна волновому числу:

${\displaystyle \omega =ck.\,}$

Это линейный дисперсионное соотношение. В этом случае фазовая скорость и групповая скорость совпадают:

${\displaystyle v={\frac {\omega }{k}}={\frac {d\omega }{dk}}=c;}$

они даны c, то скорость света в вакууме - постоянная, не зависящая от частоты.

Дисперсионные соотношения де Бройля

График дисперсии кинетической энергии в зависимости от количества движения в свободном пространстве для многих объектов повседневной жизни

Полная энергия, импульс и масса частиц связаны через релятивистское дисперсионное соотношение:^[1]

${\displaystyle E^{2}=(mc^{2})^{2}+(pc)^{2},}$

который в ультрарелятивистском пределе равен

${\displaystyle E=pc}$

а в нерелятивистском пределе

${\displaystyle E=mc^{2}+{\frac {p^{2}}{2m}},}$

куда ${\displaystyle m}$ это инвариантная масса. В нерелятивистском пределе ${\displaystyle mc^{2}}$ константа, а ${\displaystyle p^{2}/(2m)}$ - известная кинетическая энергия, выраженная через импульс ${\displaystyle p=mv}$.

Переход от ультрарелятивистский к нерелятивистскому поведению проявляется как изменение наклона от п к п² как показано на графике логарифмической дисперсии E против. п.

Элементарные частицы, атомные ядра, атомы и даже молекулы в некоторых случаях ведут себя как волны материи. Согласно отношения де Бройля, их кинетическая энергия E можно выразить как частоту ω, и их импульс п как волновое число k, используя сокращенный Постоянная Планка час:

${\displaystyle E=\hbar \omega ,\quad p=\hbar k.}$

Соответственно, угловая частота и волновое число связаны дисперсионным соотношением, которое в нерелятивистском пределе имеет вид

${\displaystyle \omega ={\frac {\hbar k^{2}}{2m}}.}$

Анимация: фазовая и групповая скорость электронов

Эта анимация изображает фазу де Бройля и групповые скорости (в замедленном движении) трех свободных электронов, движущихся по полю 0,4 Ангстремс по ширине. Импульс на единицу массы (собственная скорость) среднего электрона равен световой скорости, так что его групповая скорость равна 0,707. c. Верхний электрон имеет вдвое больший импульс, а нижний - половину. Отметим, что с увеличением импульса фазовая скорость уменьшается до c, а групповая скорость возрастает до c, до тех пор, пока волновой пакет и его фазовые максимумы не начнут двигаться вместе со скоростью света, а длина волны не будет продолжать неограниченно уменьшаться. И поперечная, и продольная ширина когерентности (размеры пакетов) электронов с такой высокой энергией в лаборатории могут быть на порядки больше, чем показано здесь.

Частота в зависимости от волнового числа

Как упоминалось выше, когда в среде основное внимание уделяется преломлению, а не поглощению, то есть реальной части показатель преломления - функциональную зависимость угловой частоты от волнового числа принято называть соотношение дисперсии. Для частиц это означает знание энергии как функции количества движения.

Волны и оптика

Дальнейшая информация: Дисперсия (оптика)

Название «дисперсионное соотношение» происходит от оптика. Можно сделать эффективную скорость света зависимой от длины волны, заставив свет проходить через материал, который имеет непостоянную показатель преломления, или используя свет в неоднородной среде, такой как волновод. В этом случае форма волны будет растягиваться во времени, так что узкий импульс станет расширенным импульсом, то есть рассредоточенным. В этих материалах ${\displaystyle {\frac {\partial \omega }{\partial k}}}$ известен как групповая скорость^[2] и соответствует скорости, с которой распространяется пик импульса, значение, отличное от фазовая скорость.^[3]

Глубокие водные волны

Дальнейшая информация: Дисперсия (волны на воде) и Теория волн Эйри

Частотная дисперсия поверхностных гравитационных волн на глубокой воде. В ■ красный квадрат движется с фазовой скоростью, а ● зеленые точки распространяются с групповой скоростью. В этом глубоководном случае фазовая скорость в два раза больше групповой скорости. В ■ красный квадрат пересекает фигуру за время, необходимое для ● зеленая точка пересекает половину.

Дисперсионное соотношение для глубоких волны на воде часто пишется как

${\displaystyle \omega ={\sqrt {gk}},}$

куда грамм это ускорение свободного падения. В этом отношении под глубокой водой обычно понимают тот случай, когда глубина воды больше половины длины волны.^[4] В этом случае фазовая скорость равна

${\displaystyle v_{p}={\frac {\omega }{k}}={\sqrt {\frac {g}{k}}},}$

а групповая скорость равна

${\displaystyle v_{g}={\frac {d\omega }{dk}}={\frac {1}{2}}v_{p}.}$

Волны на струне

Дальнейшая информация: Вибрирующая струна

Двухчастотные биения недисперсионной поперечной волны. Поскольку волна недисперсионная, ● фаза и ● групповые скорости равны.

Для идеальной струны дисперсионное соотношение можно записать как

${\displaystyle \omega =k{\sqrt {\frac {T}{\mu }}},}$

куда Т - сила натяжения в струне, а μ - масса струны на единицу длины. Что касается электромагнитных волн в вакууме, идеальные струны, таким образом, являются недиспергирующей средой, то есть фазовая и групповая скорости равны и не зависят (в первом порядке) от частоты колебаний.

Для неидеальной струны, где учитывается жесткость, дисперсионное соотношение записывается как

${\displaystyle \omega ^{2}={\frac {T}{\mu }}k^{2}+\alpha k^{4},}$

куда ${\displaystyle \alpha }$ - константа, зависящая от строки.

Твердое состояние

При изучении твердого тела первостепенное значение имеет изучение закона дисперсии электронов. Периодичность кристаллов означает, что многие уровни энергии возможны при данном импульсе, и что некоторые энергии могут быть недоступны при любом импульсе. Набор всех возможных энергий и импульсов известен как ленточная структура материала. Свойства ленточной структуры определяют, является ли материал изолятор, полупроводник или же дирижер.

Фононы

Дальнейшая информация: Фонон § Дисперсионное соотношение

Фононы для звуковых волн в твердом теле - это то же самое, что фотоны для света: они - кванты, которые их переносят. Дисперсионное соотношение фононы также нетривиален и важен, поскольку напрямую связан с акустическими и тепловыми свойствами материала. Для большинства систем фононы можно разделить на два основных типа: те, чьи полосы обращаются в ноль в центре Зона Бриллюэна называются акустические фононы, поскольку они соответствуют классическому звуку в пределе длинных волн. Остальные оптические фононы, так как они могут быть возбуждены электромагнитным излучением.

Электронная оптика

С высокоэнергетическими (например, 200 кэВ, 32 фДж) электронами в просвечивающий электронный микроскоп, энергетическая зависимость высших порядков Зона Лауэ (HOLZ) линии в сходящемся пучке электронная дифракция (CBED) паттерны позволяют, по сути, непосредственно изображение сечения трехмерного кристалла поверхность рассеивания.^[5] Этот динамический эффект нашел применение в точном измерении параметров решетки, энергии пучка и, в последнее время, в электронной промышленности: деформации решетки.

История

Исаак Ньютон изучал рефракцию в призмах, но не смог распознать материальную зависимость дисперсионного соотношения, отклонив работу другого исследователя, чьи измерения дисперсии призмы не совпадали с собственными измерениями Ньютона.^[6]

Рассеяние волн на воде изучали Пьер-Симон Лаплас в 1776 г.^[7]

Универсальность Отношения Крамерса – Кронига (1926–27) стало очевидным в последующих работах о связи дисперсионного соотношения с причинностью в теория рассеяния всех типов волн и частиц.^[8]

Смотрите также

• Эллипсометрия
• Ультракороткий импульс

Рекомендации

1. Тейлор (2005). Классическая механика. Книги университетских наук. п. 652. ISBN  1-891389-22-X.
2. Ф. А. Дженкинс и Х. Уайт (1957). Основы оптики. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. п.223. ISBN  0-07-032330-5.
3. Р. А. Сервей, К. Дж. Моисей и К. А. Мойер (1989). Современная физика. Филадельфия: Сондерс. п. 118. ISBN  0-534-49340-8.
4. Р. Г. Дин и Р. А. Дэлримпл (1991). Механика волн на воде для инженеров и ученых. Продвинутая серия по океанской инженерии. 2. World Scientific, Сингапур. ISBN  978-981-02-0420-4. См. Стр. 64–66.
5. П. М. Джонс, Г. М. Рэкхэм и Дж. У. Стидс (1977). «Эффекты зоны Лауэ высшего порядка в дифракции электронов и их использование в определении параметров решетки». Труды Королевского общества. А 354 (1677): 197. Bibcode:1977RSPSA.354..197J. Дои:10.1098 / rspa.1977.0064. S2CID  98158162.
6. Вестфол, Ричард С. (1983). Never at Rest: Биография Исаака Ньютона (иллюстрировано, переработанное ред.). Кембриджский университет. п.276. ISBN  9780521274357.
7. А. Д. Д. Крейк (2004). «Истоки теории водных волн». Ежегодный обзор гидромеханики. 36: 1–28. Bibcode:2004АнРФМ..36 .... 1С. Дои:10.1146 / annurev.fluid.36.050802.122118.
8. Джон С. Толл (1956). «Причинность и дисперсионное отношение: логические основы». Phys. Rev. 104 (6): 1760–1770. Bibcode:1956ПхРв..104.1760Т. Дои:10.1103 / PhysRev.104.1760.

внешняя ссылка

• Плакат о симуляциях CBED для визуализации поверхностей рассеяния, Андрей Чувилин и Юте Кайзер
• Калькулятор угловой частоты