Dispersion (elektromagnetische Wellen)

Unter Dispersion versteht man in der Physik die Abhängigkeit einer Größe von der Wellenlänge.

Speziell in der Optik ist es die Abhängigkeit der Brechzahl n von der Wellenlänge λ. Zum Beispiel ausgedrückt als Ableitung: dn(λ)/dλ. Wächst die Brechzahl mit abnehmender Wellenlänge, spricht man von normaler Dispersion (der Phasengeschwindigkeit). Dann ist dn(λ)/dλ < 0. Dieses Verhalten beobachtet man für die meisten transparenten Stoffe im sichtbaren Bereich, daher die Bezeichnung normal. So ist für Glas die Brechzahl von langwelligem roten Licht kleiner als der von kurzwelligem blauem Licht. Nimmt die Brechzahl mit steigender Wellenlänge zu, also dn/dλ > 0, so liegt anormale Dispersion vor. Dieser Effekt tritt unter anderem in Wellenlängenbereichen mit starker Absorption auf.

Neben der Phasengeschwindigkeit v_p welche durch die Brechzahl gegeben ist, bestimmt die Dispersion von n auch die Abhängigkeit der Gruppengeschwindigkeit v_g von der Wellenlänge (Dispersion der Gruppengeschwindigkeit). Der Zusammenhang lautet (Herleitung):

$v_{\rm g} = v_{\rm p} - \lambda \frac{d v_{\rm p}}{d \lambda}$

Auswirkungen der Dispersion

Ein Prisma zerlegt Licht in sein Farbspektrum.
Linsen zeigen unerwünschte Farbränder (Chromatische Aberration).
Lichtimpulse bei der optischen Datenübertragung in Glasfasern zerfließen wegen der Dispersion der Gruppengeschwindigkeit mit der Zeit: Je kürzer der Lichtimpuls, desto breiter ist sein Frequenzspektrum und desto ausgeprägter ist die Änderung der Impulsform durch Dispersion auf langen Übertragungsstrecken.
Kabel mit dielektrischer Isolation weisen je nach Frequenz unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten auf. Das führt zu Laufzeitverzerrungen bei breitbandigen Signalen (Impulse, schnelle digitale Datenströme) und muss durch die richtige Wahl des Isolierstoffes vermieden werden.
Die hohe Dispersion von Elektronen im Feld magnetischer Linsen lässt sich bisher nicht korrigieren. Deshalb arbeitet ein Elektronenmikroskop mit kleinen Aperturen, die so die atomaren Strukturen gut auflösen können.

Siehe auch

Elektrodynamik | Wellenlehre

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Auswirkungen der Dispersion

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