ДИСПЕРСИЯ в физике

ДИСПЕРСИЯ в физике (лат. dispersio рассеивание) — изменение скорости распространения волны электромагнитного или акустического излучения в зависимости от частоты его колебаний (длины волны). Явление Д. находит применение в мед. практике при создании мед. диагностических приборов, а также в леч. целях — в физиотерапии, при выборе оптимального диапазона частоты излучения.

В зависимости от природы излучения различают акустическую Д., Д. электромагнитных волн (в частности, оптическую Д.) и Д. электропроводности. Возникновение Д. связано с изменением скорости распространения волны излучения вследствие рассеяния и избирательного поглощения ее веществом. Любое реальное излучение представляет собой совокупность отдельных гармонических колебаний. Поэтому при прохождении излучения через среду будут наблюдаться изменения скорости прохождения каждой волны в зависимости от частоты ее колебания. Величина изменения скорости волны в данной среде в зависимости от изменения частоты и будет характеризовать величину Д.

Акустическая дисперсия

Зависимость фазовой скорости звуковых волн от частоты акустического излучения при распространении звуковых или ультразвуковых волн в какой-либо среде, определяемая свойствами этой среды. При малых частотах энергия волны за период колебания успевает распределиться между молекулами среды, но с ростом частоты излучения такое перераспределение не успевает произойти — упругость газа и фазовая скорость звуковой волны растут, т. е. возникает акустическая Д. Акустическая Д. наблюдается в однородной, а также в неоднородных средах с различающейся вязкостью или теплопроводностью; в жидких средах, содержащих дисперсную фазу в виде эмульсионных частиц, Д. возникает за счет появления температурных градиентов (перепадов температуры) между компонентами системы, создаваемых звуковой волной, к-рая вызывает в жидкости местное сжатие и разрежение. При высоких частотах выравнивание температуры между частицами эмульсии и среды не успевает произойти и наблюдается увеличение скорости звука. Аналогичное явление имеет место в вязких средах, содержащих плотные частицы, а также в биол, тканях.

Характер акустической Д., свойственный тем или иным биол, тканям (мышечной, жировой, костной и др.), создает возможность для разработки методов ультразвуковой диагностики различных новообразований.

Оптическая дисперсия

Оптическая дисперсия (дисперсия света)— зависимость показателя преломления от частоты падающего света или скорости световых волн от частоты их колебания. Следствием Д. света будет разложение пучка белого света в спектр при прохождении сквозь призму.

Показатель преломления света в веществе n = с0/с, где с0 — скорость света в вакууме, с — скорость его в данной среде. По электромагнитной теории света с = с0 √(εμ) , где ε — диэлектрическая проницаемость, μ — магнитная проницаемость. В оптической области μ очень близка к 1, поэтому можно считать, что п = √ε . Зависимостью диэлектрической проницаемости (см.) от частоты колебания света и объясняется явление оптической Д. Эта зависимость связана с взаимодействием электромагнитного поля световой волны с атомами и молекулами вещества, приводящего к поглощению энергии. Под действием электромагнитного поля световой волны электроны атомов и молекул вещества совершают вынужденные колебания с частотой, равной частоте падающего света; с приближением частоты световой волны к частоте собственных колебаний электронов возникает явление резонанса. При этом происходит поглощение света. Оптическая Д. называется нормальной в случае, если показатель преломления убывает с увеличением длины волны, и аномальной — если показатель преломления возрастает при увеличении длины волны падающего света. Аномальная Д. наблюдается в области поглощения вещества, а вдали от полос поглощения — нормальная Д.

Изменения состояния вещества, как правило, приводят к изменению его оптических свойств, а характерные особенности оптической Д. позволяют судить о состоянии и превращениях исследуемых веществ (белков, нуклеиновых к-т, пигмент-белковых комплексов и других биологически важных соединений).

Оптическая Д. в прозрачных материалах учитывается при создании оптических приборов (см. Спектральный анализ), при расчете ахроматических линз и т. д.

Дисперсия электропроводности

Зависимость электропроводности вещества от частоты приложенного к нему электрического поля. Электропроводность вещества — комплексная величина, поэтому его Д. может быть связана как с активной (напр., электропроводность металлов, р-ров электролитов), так и с реактивной (диэлектрики) составляющей электропроводности (см. Импеданс, Электропроводность биологических систем).

Электропроводность металлов с увеличением частоты электрического поля уменьшается вследствие неоднородного распределения переменного тока по сечению проводника. Электропроводность электролитов, наоборот, с увеличением частоты поля растет, что объясняется уменьшением тормозящего влияния ионной атмосферы. Д. электропроводности, связанная с этим явлением, наблюдается на частотах порядка 10⁸—10⁹ гц.

Рядом особенностей обладают р-ры макромолекул, биополимеров и взвеси биол, клеток. Это связано с наличием у них диэлектрических свойств, с тем, что электропроводность таких систем в большей степени связана с реактивной составляющей электропроводности (см. Диэлектрическая проницаемость). В соответствии с механизмами поляризации (см.) для таких систем известны три области Д. электропроводности — альфа-, бета- и гамма-, отличающиеся частотной локализацией области Д.

Частотная локализация области альфа-Д. (низкочастотной) меняется в зависимости от размеров и структуры частиц, электролитного состава, вязкости и других факторов. Для крупнодисперсных систем область альфа-Д. смещена в сторону более низких частот, чем для мелкодисперсных. Напр., альфа-Д. для взвеси эритроцитов наблюдается в диапазоне 25—2×10³ гц, а для взвеси более мелких клеток Е. coli лежит ок. 10⁴ гц.

Существует несколько объяснений возникновения альфа-Д. Наиболее вероятным из них считают механизм, связанный с поляризацией двойных электрических слоев мембран и макромолекул (см. Мембраны биологические).

Характерные особенности клеточных структур отражает также высокочастотная бета-Д. (область частот 10⁴ — 10⁸ гц). Появление ее связывают с ориентацией диполей, а также с поляризацией, аналогичной поляризации слоистых диэлектриков.

Область гамма-Д. проявляется на частотах 10⁹ гц и выше. Ее происхождение связано с полярными свойствами молекул воды.

Д. электропроводности биол, тканей наиболее выражена в области частот 10⁴ — 10⁶ гц. В этой области частот проявляется важная особенность биол, объектов — тесная взаимосвязь между характеристиками Д. электропроводности и физиол, состояния при различных патол, процессах, а также при воздействии физ. и хим. факторов (см. Электропроводность биологических систем).

Д. электропроводности присуща только живым тканям, поэтому предложено характеризовать состояние ткани коэффициентом поляризации (Kn), представляющим собой отношение величин сопротивления ткани, измеренного на частотах 10⁴ и 10⁶ гц.

Библиография: Андреев В. С. Кондукто-метрические методы и приборы в биологии и медицине, с. 13, М., 1973, библиогр.; Байер В. Биофизика, пер. с нем., с. 116 и др., М., 1962; Биофизика, под ред. Б. Н. Тарусова и О. Р. Колье, с. 186, М., 1968; Ландсберг Г. С. Оптика, Л., 1976; С к у ч и к Е. Основы акустики, пер. с нем., т. 1—2, М., 1976, библиогр.

Ю. М. Петрусевич; Б. А. Гуляев (оптическая дисперсия), Г. Е. Федоров (дисперсия электропроводности).