Абсолютен показател на пречупване на средата. Закон за пречупване на светлината

ИНДЕКС НА ПРЕФРАКЦИЯ(индекс на пречупване) - optical. характеристика на средата, свързана с пречупване на светлинатана границата между две прозрачни оптически хомогенни и изотропни среди по време на прехода от една среда в друга и поради разликата във фазовите скорости на разпространение на светлината в средата.

Стойността на P. p. е равна на съотношението на тези скорости. роднинаП. стр. на тези среди. Ако светлината пада върху втората или първата среда от (където е скоростта на светлината

с) , след това количестватаабсолютен pp от тези средни стойности. В този случай законът за пречупване може да бъде записан във формата където и са ъглите на падане и пречупване. Големината на абсолютния коефициент на мощност зависи от природата и структурата на веществото, неговото агрегатно състояние, температура, налягане и т.н. При високи интензитети коефициентът на мощност зависи от интензитета на светлината (виж.нелинейна оптика) . В редица вещества P. се променя под въздействието на външни влияния. електрически полета (Ефект на Кер

- в течности и газове; електрооптичен Ефект на Pockels- в кристали). За дадена среда абсорбционната лента зависи от дължината на светлинната вълна l, а в областта на абсорбционните ленти тази зависимост е аномална (виж фиг.Светлинна дисперсия

).При рентген. област, PP за почти всички среди е близо до 1, във видимата област за течности и твърди вещества- около 1,5; в IR областта за редица прозрачни среди 4.0 (за Ge). Те се характеризират с две ПП: обикновени (подобни на изотропните среди) и извънредни, чиято величина зависи от ъгъла на падане на лъча и следователно от посоката на разпространение на светлината в средата (виж..

Кристална оптика За среди с абсорбция (по-специално за метали), коефициентът на абсорбция е комплексна стойност и може да бъде представен във формата, където ha е обичайният коефициент на абсорбция и е индексът на абсорбция (вж.Поглъщане на светлина, метална оптика) P. p. е макроскопичен. характеристики на околната среда и е свързан с нея диелектрична константан маг. пропускливост Класически електронна теория (вжСветлинна дисперсия ) ни позволява да свържем стойността на P. p. характеристики на средата – електронен- брой атоми в единица обем.

Електричество, действащо върху атом (молекула). Полето на светлинната вълна предизвиква изместване на оптичната вълна. електрон от равновесно положение; атомът придобива индуктори. диполният момент варира във времето с честотата на падащата светлина и е източник на вторични кохерентни вълни, които. интерферирайки с вълна, падаща върху средата, те образуват получена светлинна вълна, разпространяваща се в средата с фазова скорост и следователно

Интензитетът на конвенционалните (нелазерни) източници на светлина е относително нисък, електрическият интензитет. Полето на светлинната вълна, действаща върху атома, е много по-малко от вътрешноатомната електрическа мощност. полета и електрон в атом може да се разглежда като хармоничен. осцилатор. В това приближение стойността и P. p.

Те са постоянни величини (при дадена честота), независими от интензитета на светлината. В интензивни светлинни потоци, създадени от мощни лазери, електрическата стойност. Полето на светлинната вълна може да бъде съизмеримо с вътрешноатомното електричество.

полета и моделът на хармоничния осцилатор се оказва неприемлив. Отчитането на анхармоничността на силите в системата електрон-атом води до зависимостта на поляризуемостта на атома и следователно на поляризуемостта на частицата от интензитета на светлината. Връзката между и се оказва нелинейна; P. p. могат да бъдат представени във формата Където - P. p. при ниски интензитети на светлината;(обикновено прието обозначение) - нелинейно добавяне към P. p. или коеф. нелинейност.

P. p. зависи от характера на средата, напр. за силикатни стъкла

P. p. също се влияе от висока интензивност в резултат на ефекта електрострикцияпочти невъзможно. Следователно в действителност индикаторът задължително ще се различава от таблицата и в някои ситуации това е от основно значение.

Абсолютен показател

Абсолютният индекс на пречупване зависи от марката стъкло, тъй като на практика има огромен брой опции, които се различават по състав и степен на прозрачност. Средно е 1,5 и се колебае около тази стойност с 0,2 в една или друга посока. В редки случаи може да има отклонения от тази цифра.

Отново, ако е важен точен индикатор, тогава не могат да бъдат избегнати допълнителни измервания. Но те също не дават 100% надежден резултат, тъй като крайната стойност ще бъде повлияна от позицията на слънцето в небето и облачността в деня на измерване. За щастие, в 99,99% от случаите е достатъчно просто да знаете, че индексът на пречупване на материал като стъклото е по-голям от едно и по-малък от две, а всички останали десети и стотни нямат значение.

Във форумите, които помагат за решаването на физични проблеми, често се появява въпросът: какъв е индексът на пречупване на стъклото и диаманта? Много хора смятат, че тъй като тези две вещества са подобни на външен вид, тогава техните свойства трябва да бъдат приблизително еднакви. Но това е погрешно схващане.

Максималното пречупване на стъклото ще бъде около 1,7, докато за диаманта този показател достига 2,42. дадени скъпоценен камъке един от малкото материали на Земята, чийто индекс на пречупване надвишава 2. Това се дължи на неговата кристална структура и високото ниво на разсейване на светлинните лъчи. Разрезът играе минимална роля при промените в стойността на таблицата.

Относителен показател

Относителният показател за някои среди може да се характеризира, както следва:

- индексът на пречупване на стъклото спрямо водата е приблизително 1,18;
- индексът на пречупване на същия материал спрямо въздуха е равен на 1,5;
- коефициент на пречупване спрямо алкохол - 1,1.

Измерванията на показателя и изчисляването на относителната стойност се извършват по добре познат алгоритъм. За да намерите относителен параметър, трябва да разделите една таблична стойност на друга. Или направете експериментални изчисления за две среди и след това разделете получените данни. Такива операции често се извършват върху лабораторни занятияпо физика.

Определяне на индекса на пречупване

Определянето на индекса на пречупване на стъклото на практика е доста трудно, тъй като за измерване на първоначалните данни са необходими високоточни инструменти. Всяка грешка ще се увеличи, тъй като изчислението използва сложни формули, които изискват липса на грешки.

Като цяло този коефициент показва колко пъти се забавя скоростта на разпространение на светлинните лъчи при преминаване през определено препятствие. Следователно е характерно само за прозрачни материали. Коефициентът на пречупване на газовете се приема като референтна стойност, тоест като единица. Това беше направено, за да може да се започне от някаква стойност, когато се правят изчисления.

Ако слънчев лъч падне върху повърхността на стъкло с индекс на пречупване, равен на стойността на таблицата, тогава той може да бъде променен по няколко начина:

1. Отгоре залепете филм, чийто индекс на пречупване ще бъде по-висок от този на стъклото. Този принцип се използва при затъмняване на прозорците на автомобили, за да се подобри комфортът на пътниците и да се позволи на водача да има по-ясна представа за условията на движение. Филмът също ще инхибира ултравиолетовото лъчение.
2. Боядисайте стъклото с боя. Производителите на евтини слънчеви очила правят това, но си струва да се има предвид, че това може да бъде вредно за зрението. IN добри моделиСтъклото веднага се произвежда оцветено по специална технология.
3. Потопете чашата в течност. Това е полезно само за експерименти.

Ако лъч светлина преминава през стъкло, тогава коефициентът на пречупване на следващия материал се изчислява с помощта на относителен коефициент, който може да бъде получен чрез сравняване на таблични стойности. Тези изчисления са много важни при проектирането на оптични системи, които носят практически или експериментални натоварвания. Грешките тук са неприемливи, защото ще доведат до неправилна работа на цялото устройство и тогава всички данни, получени с негова помощ, ще бъдат безполезни.

За да определите скоростта на светлината в стъкло с индекс на пречупване, трябва да разделите абсолютната стойност на скоростта във вакуум на индекса на пречупване. Вакуумът се използва като еталонна среда, тъй като пречупването не работи там поради липсата на вещества, които биха могли да попречат на гладкото движение на светлинните лъчи по даден път.

При всички изчислени показатели скоростта ще бъде по-малка, отколкото в референтната среда, тъй като индексът на пречупване винаги е по-голям от единица.

ЗА ЛЕКЦИЯ №24

"ИНСТРУМЕНТАЛНИ МЕТОДИ ЗА АНАЛИЗ"

РЕФРАКТОМЕТРИЯ.

Литература:

1. В.Д. Пономарев “Аналитична химия” 1983 246-251

2. А.А. Ishchenko “Аналитична химия” 2004 стр. 181-184

РЕФРАКТОМЕТРИЯ.

Рефрактометрията е един от най-простите физични методи за анализ, като се използва минимално количество аналити и се извършва за много кратко време.

Рефрактометрия- метод, базиран на явлението пречупване или пречупване, т.е. промяна на посоката на разпространение на светлината при преминаване от една среда в друга.

Пречупването, както и поглъщането на светлината, е следствие от нейното взаимодействие със средата. Думата рефрактометрия означава измерване пречупване на светлината, което се оценява по стойността на индекса на пречупване.

Стойност на индекса на пречупване пзависи

1) върху състава на веществата и системите,

2) от факта в каква концентрация и какви молекули среща светлинният лъч по пътя си, защото Под въздействието на светлината молекулите на различните вещества се поляризират по различен начин. Именно на тази зависимост се основава рефрактометричният метод.

Този метод има редица предимства, в резултат на което е намерил широко приложение както в химичните изследвания, така и в контрола на технологичните процеси.

1) Измерването на индексите на пречупване е високо прост процес, която се извършва прецизно и с минимално време и количество вещество.

2) Обикновено рефрактометрите осигуряват точност до 10% при определяне на индекса на пречупване на светлината и съдържанието на аналита

Рефрактометричният метод се използва за контрол на автентичността и чистотата, за идентифициране на отделни вещества и за определяне на структурата на органични и неорганични съединения при изследване на разтвори. Рефрактометрията се използва за определяне на състава на двукомпонентни разтвори и за тройни системи.

Физически основиметод

ИНДЕКС НА ПРЕКРЪПЛЕНИЕ.

Колкото по-голяма е разликата в скоростта на разпространение на светлината в двете, толкова по-голямо е отклонението на светлинния лъч от първоначалната му посока, когато преминава от една среда в друга.

тези среди.

Нека разгледаме пречупването на светлинен лъч на границата на всеки две прозрачни среди I и II (вижте фиг.). Нека се съгласим, че среда II има по-голяма пречупваща сила и следователно, n 1И n 2- показва пречупването на съответните среди. Ако средата I не е вакуум или въздух, тогава съотношението на sin ъгъла на падане на светлинния лъч към sin ъгъла на пречупване ще даде стойността на относителния индекс на пречупване n rel. Стойност n rel. може също да се определи като съотношението на индексите на пречупване на разглежданата среда.

n отн. = ----- = ---

Стойността на коефициента на пречупване зависи от

1) природата на веществата

Естеството на веществото в този случай се определя от степента на деформируемост на неговите молекули под въздействието на светлината - степента на поляризуемост. Колкото по-интензивна е поляризуемостта, толкова по-силно е пречупването на светлината.

2)дължина на вълната на падащата светлина

Измерването на индекса на пречупване се извършва при дължина на светлинната вълна 589,3 nm (линия D на натриевия спектър).

Зависимостта на показателя на пречупване от дължината на вълната на светлината се нарича дисперсия. Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-голямо е пречупването. Следователно лъчите с различна дължина на вълната се пречупват по различен начин.

3)температура , при които се извършва измерването. Предпоставка за определяне на индекса на пречупване е съответствието температурен режим. Обикновено определянето се извършва при 20±0,3 0 С.

С повишаване на температурата коефициентът на пречупване намалява; с понижаване на температурата се увеличава..

Корекцията за температурните ефекти се изчислява по следната формула:

n t = n 20 + (20-t) 0,0002, където

n t –чао индекс на пречупване при дадена температура,

n 20 - индекс на пречупване при 20 0 С

Влиянието на температурата върху стойностите на индексите на пречупване на газовете и течностите е свързано със стойностите на техните коефициенти на обемно разширение. Обемът на всички газове и течности се увеличава при нагряване, плътността намалява и следователно индикаторът намалява

Индексът на пречупване, измерен при 20 0 C и дължина на светлинната вълна от 589,3 nm, се обозначава с индекса n D 20

Зависимостта на коефициента на пречупване на хомогенна двукомпонентна система от нейното състояние се установява експериментално чрез определяне на коефициента на пречупване за редица стандартни системи (например разтвори), съдържанието на компонентите в които е известно.

4) концентрация на веществото в разтвор.

За мнозина водни разтворивещества, показателите на пречупване при различни концентрации и температури са надеждно измерени и в тези случаи могат да се използват референтни данни рефрактометрични таблици. Практиката показва, че когато съдържанието на разтворено вещество не надвишава 10-20%, наред с графичния метод в много случаи е възможно да се използва линейно уравнение като:

n=n o +FC,

п-индекс на пречупване на разтвора,

не- индекс на пречупване на чист разтворител,

В- концентрация на разтворено вещество,%

Е-емпиричен коефициент, чиято стойност се намира

чрез определяне на индекса на пречупване на разтвори с известна концентрация.

РЕФРАКТОМЕТРИ.

Рефрактометрите са инструменти, използвани за измерване на индекса на пречупване. Има 2 вида от тези устройства: рефрактометър тип Abbe и тип Pulfrich. И в двата случая измерванията се основават на определяне на максималния ъгъл на пречупване. В практиката се използват рефрактометри различни системи: лаборатория-РЛ, универсална РЛУ и др.

Коефициентът на пречупване на дестилираната вода е n 0 = 1,33299, но на практика този показател се приема като референтен като n 0 =1,333.

Принципът на работа на рефрактометрите се основава на определяне на индекса на пречупване по метода на граничния ъгъл (ъгълът на пълно отражение на светлината).

Ръчен рефрактометър

Рефрактометър на Abbe

Билет 75.

Закон за отразяване на светлината: падащият и отразеният лъч, както и перпендикулярът към границата между двете среди, реконструирани в точката на падане на лъча, лежат в една и съща равнина (равнина на падане). Ъгълът на отражение γ е равен на ъгъла на падане α.

Закон за пречупване на светлината: падащият и пречупеният лъч, както и перпендикулярът към границата между двете среди, реконструиран в точката на падане на лъча, лежат в една равнина. Съотношението на синуса на ъгъла на падане α към синуса на ъгъла на пречупване β е постоянна стойност за две дадени среди:

Законите на отражението и пречупването са обяснени във физиката на вълните. Според вълновите концепции пречупването е следствие от промените в скоростта на разпространение на вълните при преминаване от една среда в друга. Физическо значение на индекса на пречупванее съотношението на скоростта на разпространение на вълните в първата среда υ 1 към скоростта на тяхното разпространение във втората среда υ 2:

Фигура 3.1.1 илюстрира законите за отражение и пречупване на светлината.

Среда с по-нисък абсолютен индекс на пречупване се нарича оптически по-малко плътна.

Когато светлината преминава от оптично по-плътна среда към оптично по-малко плътна среда n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать феномен на пълно отражение, тоест изчезването на пречупения лъч. Това явление се наблюдава при ъгли на падане, надвишаващи определен критичен ъгъл α pr, който се нарича граничен ъгъл на пълно вътрешно отражение(виж Фиг. 3.1.2).

За ъгъла на падане α = α pr sin β = 1; стойност sin α pr = n 2 / n 1< 1.

Ако втората среда е въздух (n 2 ≈ 1), тогава е удобно формулата да се пренапише във формата

Феноменът на пълното вътрешно отражение се използва в много оптични устройства. Най-интересното и практически важно приложение е създаването на оптични влакна, които представляват тънки (от няколко микрометра до милиметри) произволно извити нишки от оптически прозрачен материал (стъкло, кварц). Светлината, падаща върху края на световода, може да се разпространява по него на дълги разстояния поради пълно вътрешно отражение от страничните повърхности (Фигура 3.1.3). Научно-техническото направление, свързано с разработването и прилагането на оптични световоди, се нарича оптика.

Дисперсия на светлината (разлагане на светлината)- това е явление, причинено от зависимостта на абсолютния индекс на пречупване на веществото от честотата (или дължината на вълната) на светлината (честотна дисперсия), или, същото нещо, зависимостта на фазовата скорост на светлината в вещество от дължина на вълната (или честота). Открит е експериментално от Нютон около 1672 г., въпреки че теоретично доста добре обяснен много по-късно.

Пространствена дисперсиясе нарича зависимостта на тензора на диелектричната проницаемост на средата от вълнов вектор. Тази зависимост причинява редица явления, наречени пространствени поляризационни ефекти.

Един от най илюстративни примеривариации - разлагане на бяла светлинапри преминаване през призма (опит на Нютон). Същността на явлението дисперсия е разликата в скоростта на разпространение на светлинни лъчи с различна дължина на вълната в прозрачно вещество - оптична среда (докато във вакуум скоростта на светлината винаги е една и съща, независимо от дължината на вълната и следователно цвета) . Обикновено, колкото по-висока е честотата на светлинната вълна, толкова по-висок е индексът на пречупване на средата за нея и толкова по-ниска е скоростта на вълната в средата:

Експерименти на Нютон Експеримент върху разлагането на бялата светлина в спектър: Нютон насочи лъча слънчева светлинапрез малък отвор върху стъклена призма. При удара в призмата лъчът се пречупваше и на противоположната стена даваше продълговато изображение с дъговидно редуване на цветовете - спектър. Експериментирайте с преминаването на монохроматична светлина през призма: Нютон на път слънчев лъчПоставих червено стъкло, зад което получавах монохроматична светлина (червена), след това призма и наблюдавах на екрана само червеното петно от светлинния лъч. Опит в синтеза (производството) на бяла светлина:Първо, Нютон насочва слънчев лъч към призма. След това, след като събра цветните лъчи, излизащи от призмата, с помощта на събирателна леща, Нютон получи бяло изображение на дупка върху бяла стена вместо цветна ивица. Заключенията на Нютон:- призмата не променя светлината, а само я разлага на нейните компоненти - светлинните лъчи, които се различават по цвят, се различават по степента на пречупване; Виолетовите лъчи се пречупват най-силно, червените по-слабо - най-голяма скорост има червената светлина, която се пречупва по-слабо, а виолетовата с най-малка, поради което призмата разлага светлината. Зависимостта на показателя на пречупване на светлината от нейния цвят се нарича дисперсия.

Изводи:- призмата разлага светлината - бялата светлина е сложна (композитна) - виолетовите лъчи се пречупват по-силно от червените. Цветът на светлинния лъч се определя от неговата честота на вибрация. При преминаване от една среда към друга скоростта на светлината и дължината на вълната се променят, но честотата, която определя цвета, остава постоянна. Границите на обхватите на бялата светлина и нейните компоненти обикновено се характеризират с техните дължини на вълните във вакуум. Бялата светлина е съвкупност от вълни с дължина от 380 до 760 nm.

Билет 77.

Поглъщане на светлина. Закон на Бугер

Поглъщането на светлина в дадено вещество е свързано с преобразуване на енергия електромагнитно полемаха навътре топлинна енергиявещества (или в енергията на вторичното фотолуминесцентно лъчение). Законът за поглъщане на светлина (закон на Бугер) има формата:

аз=аз 0 опит (- x),(1)

Къде аз 0 , аз-интензитет на светлината на входа (x=0)и оставяйки слоя със средна дебелина X, - коефициент на поглъщане, зависи от .

За диелектрици  =10 -1  10 -5 м -1 , за метали =10 5  10 7 м -1 , Следователно металите са непрозрачни за светлина.

Зависимост  ( ) обяснява цвета на поглъщащите тела. Например, стъкло, което абсорбира слабо червената светлина, ще изглежда червено, когато е осветено с бяла светлина.

Разсейване на светлината. Закон на Рейли

Дифракция на светлината може да възникне в оптически нехомогенна среда, например в мътна среда (дим, мъгла, запрашен въздух и др.). Чрез дифракция върху нехомогенности на средата светлинните вълни създават дифракционна картина, характеризираща се с доста равномерно разпределение на интензитета във всички посоки.

Тази дифракция на малки нееднородности се нарича разсейване на светлината.

Това явление се наблюдава, когато тесен лъч слънчева светлина преминава през прашен въздух, разпръсква се върху прахови частици и става видим.

Ако размерите на нееднородностите са малки в сравнение с дължината на вълната (не повече от 0,1  ), тогава интензитетът на разсеяната светлина се оказва обратно пропорционален на четвъртата степен на дължината на вълната, т.е.

аз дис ~ 1/  4 , (2)

тази зависимост се нарича закон на Рейли.

Разсейване на светлината се наблюдава и в чисти среди, които не съдържат чужди частици. Например, може да възникне при флуктуации (случайни отклонения) на плътност, анизотропия или концентрация. Този тип разсейване се нарича молекулярно разсейване. Това обяснява например синия цвят на небето. Действително, според (2), сините и сините лъчи се разпръскват по-силно от червените и жълтите, т.к. имат по-къса дължина на вълната, като по този начин причиняват синия цвят на небето.

Билет 78.

Поляризация на светлината- набор от явления на вълновата оптика, в които се проявява напречната природа на електромагнитните светлинни вълни. Напречна вълна- частиците на средата осцилират в посоки, перпендикулярни на посоката на разпространение на вълната ( Фиг.1).

Фиг.1 Напречна вълна

Електромагнитна светлинна вълна равнинно поляризиран(линейна поляризация), ако посоките на трептене на векторите E и B са строго фиксирани и лежат в определени равнини ( Фиг.1). Плоска поляризирана светлинна вълна се нарича равнинно поляризиран(линейно поляризирана) светлина. Неполяризиран(естествена) вълна - електромагнитна светлинна вълна, в която посоките на трептене на векторите E и B в тази вълна могат да лежат във всякакви равнини, перпендикулярни на вектора на скоростта v. Неполяризирана светлина- светлинни вълни, при които посоките на трептения на векторите E и B се променят хаотично, така че всички посоки на трептения в равнини, перпендикулярни на лъча на разпространение на вълната, са еднакво вероятни ( Фиг.2).

Фиг.2 Неполяризирана светлина

Поляризирани вълни- при които посоките на векторите E и B остават непроменени в пространството или се изменят по определен закон. Излъчване, при което посоката на вектора E се променя хаотично - неполяризирана. Пример за такова излъчване е топлинното излъчване (хаотично разпределени атоми и електрони). Равнина на поляризация- това е равнина, перпендикулярна на посоката на трептенията на вектора E. Основният механизъм за възникване на поляризирано лъчение е разсейването на лъчение от електрони, атоми, молекули и прахови частици.

1.2. Видове поляризацияИма три вида поляризация. Нека им дадем определения. 1. Линеен Възниква, ако електрическият вектор E запази позицията си в пространството. Изглежда подчертава равнината, в която вектор E осцилира. 2. Кръгла Това е поляризация, която възниква, когато електрическият вектор E се върти около посоката на разпространение на вълната с ъглова скорост, равна на ъгловата честота на вълната, като същевременно запазва абсолютната си стойност. Тази поляризация характеризира посоката на въртене на вектора E в равнина, перпендикулярна на зрителната линия. Пример за това е циклотронното лъчение (система от електрони, въртящи се в магнитно поле). 3. Елиптичен Това се случва, когато големината на електрическия вектор E се промени така, че да описва елипса (въртене на вектора E). Елиптичната и кръговата поляризация може да бъде дясна (вектор E се върти по посока на часовниковата стрелка, когато гледа към разпространяващата се вълна) и лява (вектор E се върти обратно на часовниковата стрелка, когато гледа към разпространяващата се вълна).

В действителност се среща най-често частична поляризация (частично поляризирани електромагнитни вълни). Количествено се характеризира с определена стойност т.нар степен на поляризация Р, което се определя като: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin)Къде Imax,Незабавно- най-високата и най-ниската плътност на електромагнитния енергиен поток през анализатора (Полароид, призма на Никола...). На практика поляризацията на радиацията често се описва с параметри на Стокс (те определят потоците на радиация с дадена посока на поляризация).

Билет 79.

Ако естествената светлина падне върху интерфейса между два диелектрика (например въздух и стъкло), тогава част от нея се отразява, а част от нея се пречупва и се разпространява във втората среда. Инсталирайки анализатор (например турмалин) на пътя на отразените и пречупените лъчи, ние гарантираме, че отразените и пречупените лъчи са частично поляризирани: когато анализаторът се върти около лъчите, интензитетът на светлината периодично се увеличава и отслабва ( не се наблюдава пълно закаляване!). Допълнителни изследвания показват, че в отразения лъч преобладават вибрациите, перпендикулярни на равнината на падане (те са обозначени с точки на фиг. 275), докато в пречупения лъч преобладават вибрациите, успоредни на равнината на падане (изобразени със стрелки).

Степента на поляризация (степента, до която светлинните вълни се разделят с определена ориентация на електрическия (и магнитния) вектор) зависи от ъгъла на падане на лъчите и коефициента на пречупване. шотландски физик Д. Брустър(1781-1868) инсталиран закон, според който при ъгъла на падане аз B (Ъгъл на Брюстър), определен от релацията

(п 21 - индекс на пречупване на втората среда спрямо първата), отразеният лъч е плоско поляризиран(съдържа само вибрации, перпендикулярни на равнината на падане) (фиг. 276). Пречупеният лъч под ъгъла на паданеазб поляризиран максимално, но не напълно.

Ако светлината удари интерфейс под ъгъл на Брюстър, тогава отразените и пречупените лъчи взаимно перпендикулярни(tg аз B = грях аз B/cos азБ, п 21 = грях азб / грях аз 2 (аз 2 - ъгъл на пречупване), откъдето cos аз B=грях аз 2). следователно азб + аз 2 =  /2, но аз’ B= аз B (закон за отражението), следователно аз’ B+ аз 2 =  /2.

Степента на поляризация на отразената и пречупената светлина при различни ъгли на падане може да се изчисли от уравненията на Максуел, ако се вземат предвид граничните условия за електромагнитното поле на границата между два изотропни диелектрика (т.нар. формули на Френел).

Степента на поляризация на пречупената светлина може да бъде значително увеличена (чрез многократно пречупване, при условие че светлината пада всеки път върху интерфейса под ъгъл на Брюстър). Ако, например, за стъкло ( n= 1.53) степента на поляризация на пречупения лъч е 15%, тогава след пречупване в 8-10 стъклени плочи, насложени една върху друга, светлината, излизаща от такава система, ще бъде почти напълно поляризирана. Такава колекция от плочи се нарича крак.Кракът може да се използва за анализ на поляризирана светлина както по време на нейното отражение, така и по време на нейното пречупване.

Билет 79 (за Spur)

Както показва опитът, по време на пречупването и отразяването на светлината, пречупената и отразената светлина се оказват поляризирани, а отражението. светлината може да бъде напълно поляризирана при определен ъгъл на падане, но случайно. светлината винаги е частично поляризирана Въз основа на формулите на Фринел може да се покаже, че отражението. Светлината се поляризира в равнина, перпендикулярна на равнината на падане и се пречупва. светлината е поляризирана в равнина, успоредна на равнината на падане.

Ъгълът на падане, при който отражението светлината е напълно поляризирана се нарича ъгъл на Брюстър, който се определя от закона на Брюстър. и пречупване. лъчите ще бъдат равни. За система въздух-стъкло ъгълът на Брюстър е равен, т.е. , при пречупване на светлината се използват много ядливи повърхности, които се наричат Столетов стоп.

Билет 80.

Опитът показва, че когато светлината взаимодейства с материята, основният ефект (физиологичен, фотохимичен, фотоелектричен и т.н.) се причинява от колебания на вектора, който в тази връзка понякога се нарича светлинен вектор. Следователно, за да се опишат моделите на поляризация на светлината, поведението на вектора се наблюдава.

Равнината, образувана от векторите и се нарича равнина на поляризация.

Ако векторните колебания възникват в една фиксирана равнина, тогава такава светлина (лъч) се нарича линейно поляризирана. Условно се обозначава, както следва. Ако лъчът е поляризиран в перпендикулярна равнина (в равнината xoz, вижте фиг. 2 във втората лекция), тогава се обозначава.

Естествената светлина (от обикновени източници, слънцето) се състои от вълни, които имат различни, хаотично разпределени равнини на поляризация (виж фиг. 3).

Естествената светлина понякога условно се обозначава като такава. Нарича се още неполяризиран.

Ако при разпространението на вълната векторът се върти и краят на вектора описва кръг, тогава такава светлина се нарича кръгово поляризирана, а поляризацията се нарича кръгова или кръгова (дясна или лява). Има и елиптична поляризация.

Има оптични устройства (филми, плочи и др.) - поляризатори, които извличат линейно поляризирана светлина или частично поляризирана светлина от естествена светлина.

Поляризаторите, използвани за анализиране на поляризацията на светлината, се наричат анализатори.

Равнината на поляризатора (или анализатора) е равнината на поляризация на светлината, предавана от поляризатора (или анализатора).

Нека линейно поляризирана светлина с амплитуда да падне върху поляризатор (или анализатор) д 0 . Амплитудата на пропуснатата светлина ще бъде равна на E=E 0 cos й, и интензивност аз=аз 0, защото 2 й.

Тази формула изразява Законът на Малус:

Интензитетът на линейно поляризирана светлина, преминаваща през анализатора, е пропорционален на квадрата на косинуса на ъгъла ймежду равнината на трептене на падащата светлина и равнината на анализатора.

Билет 80 (за шпора)

Поляризаторите са устройства, които позволяват да се получи поляризирана светлина. Поляризаторът и анализаторът са едно и също поляризатор, ако светлината е естествена -та, тогава всички посоки на вектора E са еднакво вероятни. Всеки вектор може да се разложи на две взаимно перпендикулярни компоненти: едната от които е успоредна на равнината на поляризация на поляризатора, а другата е перпендикулярна. към него.

Очевидно интензитетът на светлината, излизаща от поляризатора, ще бъде равен на интензитета на светлината, излизаща от поляризатора, ако на пътя на поляризираната светлина, чиято основна равнина е поставен анализатор ъгъл с основната равнина на поляризатора, тогава интензитетът на светлината, излизаща от анализатора, се определя от закона.

Билет 81.

Изучавайки светенето на разтвор на уранови соли под въздействието на радиеви лъчи, съветският физик П. А. Черенков обърна внимание на факта, че свети и самата вода, в която няма уранови соли. Оказа се, че когато лъчите (вижте гама-лъчение) преминават през чисти течности, всички те започват да светят. С. И. Вавилов, под чието ръководство работи П. А. Черенков, предположи, че светенето е свързано с движението на електрони, избити от атомите от радиеви кванти. Наистина, сиянието силно зависи от посоката на магнитното поле в течността (това предполага, че е причинено от движението на електрони).

Но защо електроните, движещи се в течност, излъчват светлина? Правилният отговор на този въпрос е даден през 1937 г. от съветските физици И. Е. Тамм и И. М. Франк.

Електронът, движещ се в вещество, взаимодейства с атомите около него. Под въздействието на електрическото му поле атомните електрони и ядра се разместват в противоположни посоки - средата се поляризира. Поляризирани и след това връщащи се в първоначалното си състояние, атомите на средата, разположени по траекторията на електроните, излъчват електромагнитни светлинни вълни. Ако скоростта на електрона v е по-малка от скоростта на разпространение на светлината в средата (коефициентът на пречупване), тогава електромагнитното поле ще изпревари електрона и веществото ще има време да се поляризира в пространството пред електрона. Поляризацията на средата пред електрона и зад него е противоположна по посока, а излъчването на противоположно поляризираните атоми, „добавени“, „загасват“ взаимно. Когато атомите, които все още не са достигнати от електрон, нямат време да се поляризират и се появява излъчване, насочено по протежение на тесен коничен слой с връх, съвпадащ с движещия се електрон и ъгъл при върха c. Появата на светлинния "конус" и състоянието на излъчване могат да бъдат получени от общи принципиразпространение на вълната.

ориз. 1. Механизъм на образуване на вълнов фронт

Нека електронът се движи по оста OE (виж фиг. 1) на много тесен празен канал в хомогенна прозрачна субстанция с индекс на пречупване (празният канал е необходим, така че сблъсъците на електрона с атомите да не се вземат предвид в теоретично разглеждане). Всяка точка от линията OE, последователно заета от електрон, ще бъде центърът на светлинното излъчване. Вълните, излъчвани от последователни точки O, D, E, се намесват една в друга и се усилват, ако фазовата разлика между тях е нула (виж Интерференция). Това условие е изпълнено за посока, която сключва ъгъл 0 с траекторията на електрона. Ъгъл 0 се определя от връзката:.

Наистина, нека разгледаме две вълни, излъчвани в посока под ъгъл 0 спрямо скоростта на електрона от две точки на траекторията - точка O и точка D, разделени на разстояние . В точка B, лежаща на линия BE, перпендикулярна на OB, първата вълна в - след време До точка F, лежаща на линия BE, вълна, излъчена от точката, ще пристигне в момента след като вълната е излъчена от точка O .. Тези две вълни ще бъдат във фаза, т.е. правата линия ще бъде вълнов фронт, ако тези времена са равни: Това дава условието за равенство на времената. Във всички посоки, за които светлината ще бъде изгасена поради интерференцията на вълни, излъчвани от участъци от траекторията, разделени от разстояние D. Стойността на D се определя от очевидното уравнение, където T е периодът на светлинни трептения. Това уравнение винаги има решение, ако.

Ако , тогава посоката, в която излъчваните вълни при интерфериране се усилват, не съществува и не може да бъде по-голяма от 1.

ориз. 2. Разпространение на звуковите вълни и образуването на ударна вълна при движение на тялото

Радиация се наблюдава само ако .

Експериментално, електроните летят в краен телесен ъгъл, с известно разпределение на скоростта, и в резултат на това радиацията се разпространява в коничен слой близо до основната посока, определена от ъгъла.

В нашето разглеждане ние пренебрегнахме забавянето на електроните. Това е напълно приемливо, тъй като загубите от радиацията на Вавилов-Черенков са малки и в първо приближение можем да приемем, че загубената от електрона енергия не влияе на скоростта му и той се движи равномерно. Това е основната разлика и необичайност на радиацията на Вавилов-Черенков. Обикновено зарядите се излъчват, докато изпитват значително ускорение.

Електрон, изпреварващ светлината си, е подобен на самолет, летящ със скорост, по-голяма от скоростта на звука. В този случай коничен удар също се разпространява пред самолета. звукова вълна, (виж Фиг. 2).

Тази статия разкрива същността на такава оптична концепция като индекс на пречупване. Дадени са формули за получаване на тази стойност кратък прегледприложение на явлението пречупване на електромагнитните вълни.

Зрение и индекс на пречупване

В зората на цивилизацията хората си задават въпроса: как вижда окото? Предполага се, че човек излъчва лъчи, които усещат околните предмети, или, обратно, всички неща излъчват такива лъчи. Отговорът на този въпрос е даден през седемнадесети век. Намира се в оптиката и е свързано с коефициента на пречупване. Отразявайки се от различни непрозрачни повърхности и пречупвайки се на границата с прозрачни, светлината дава възможност на човек да вижда.

Светлина и показател на пречупване

Нашата планета е обвита в светлината на Слънцето. И точно с вълновата природа на фотоните е свързано такова понятие като абсолютен показателпречупване. Разпространявайки се във вакуум, фотонът не среща никакви препятствия. На планетата светлината среща много различни по-плътни среди: атмосфера (смес от газове), вода, кристали. Като електромагнитна вълна, фотоните на светлината имат една фазова скорост във вакуум (обозначена c), а в околната среда - друг (обознач v). Съотношението на първото и второто е това, което се нарича абсолютен индекс на пречупване. Формулата изглежда така: n = c / v.

Фазова скорост

Струва си да се определи фазовата скорост на електромагнитната среда. Иначе разберете какво е индексът на пречупване п, забранено е. Фотон от светлина е вълна. Това означава, че може да се представи като пакет от енергия, който осцилира (представете си сегмент от синусоида). Фазата е сегментът от синусоидата, който вълната преминава в даден момент от времето (припомнете си, че това е важно за разбирането на такава величина като индекса на пречупване).

Например, фазата може да бъде максимумът на синусоида или някакъв сегмент от нейния наклон. Фазовата скорост на една вълна е скоростта, с която се движи тази конкретна фаза. Както обяснява дефиницията на индекса на пречупване, тези стойности се различават за вакуум и за среда. Освен това всяка среда има своя собствена стойност на това количество. Всяко прозрачно съединение, независимо от неговия състав, има индекс на пречупване, който е различен от всички други вещества.

Абсолютен и относителен показател на пречупване

Вече беше показано по-горе, че абсолютната стойност се измерва спрямо вакуума. Това обаче е трудно на нашата планета: светлината по-често попада на границата между въздух и вода или кварц и шпинел. За всяка от тези среди, както беше споменато по-горе, индексът на пречупване е различен. Във въздуха фотон от светлина се движи в една посока и има една фазова скорост (v 1), но когато попадне във вода, той променя посоката на разпространение и фазовата скорост (v 2). И двете посоки обаче лежат в една и съща равнина. Това е много важно за разбирането как се формира образът на околния свят върху ретината на окото или върху матрицата на камерата. Съотношението на двете абсолютни стойности дава относителния индекс на пречупване. Формулата изглежда така: n 12 = v 1 / v 2.

Но какво ще стане, ако светлината, напротив, излезе от водата и влезе във въздуха? Тогава тази стойност ще се определи по формулата n 21 = v 2 / v 1. Когато умножим относителните показатели на пречупване, получаваме n 21 * n 12 = (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) = 1. Тази връзка е валидна за всяка двойка медии. Относителният индекс на пречупване може да се намери от синусите на ъглите на падане и пречупване n 12 = sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2. Не забравяйте, че ъглите се измерват от нормалата към повърхността. Нормал е линия, перпендикулярна на повърхността. Това е, ако на проблема е даден ъгъл α падане спрямо самата повърхност, тогава трябва да изчислим синуса на (90 - α).

Красотата на индекса на пречупване и неговите приложения

В спокоен слънчев ден отражения играят на дъното на езерото. Тъмносиният лед покрива скалата. На женската ръка диамантът разпръсква хиляди искри. Тези явления са следствие от факта, че всички граници на прозрачни среди имат относителен индекс на пречупване. Освен за естетическо удоволствие, този феномен може да се използва и за практически приложения.

Ето примери:

Стъклена леща събира лъч слънчева светлина и подпалва тревата.
Лазерният лъч се фокусира върху болния орган и отрязва ненужните тъкани.
Слънчевата светлина се пречупва върху старинния витраж, създавайки специална атмосфера.
Микроскопът увеличава изображенията на много малки детайли.
Спектрофотометърните лещи събират лазерна светлина, отразена от повърхността на изследваното вещество. По този начин е възможно да се разбере структурата и след това свойствата на новите материали.
Има дори проект за фотонен компютър, където информацията ще се предава не от електрони, както сега, а от фотони. Такова устройство определено ще изисква пречупващи елементи.

Дължина на вълната

Слънцето обаче ни предоставя фотони не само във видимия спектър. Инфрачервените, ултравиолетовите и рентгеновите лъчи не се възприемат от човешкото зрение, но оказват влияние върху живота ни. IR лъчите ни затоплят, UV фотоните йонизират горните слоеве на атмосферата и позволяват на растенията да произвеждат кислород чрез фотосинтеза.

И на какво е равен индексът на пречупване зависи не само от веществата, между които лежи границата, но и от дължината на вълната на падащото лъчение. За каква точно стойност говорим обикновено става ясно от контекста. Тоест, ако книгата разглежда рентгеновите лъчи и ефекта им върху хората, тогава птам е определено конкретно за този диапазон. Но обикновено се има предвид видимият спектър електромагнитни вълни, освен ако не е посочено друго.

Индекс на пречупване и отражение

Както стана ясно от написаното по-горе, ние говорим заза прозрачни медии. Като примери дадохме въздух, вода и диамант. Но какво да кажем за дърво, гранит, пластмаса? Има ли такова нещо като индекс на пречупване за тях? Отговорът е сложен, но като цяло – да.

На първо място, трябва да преценим с какъв вид светлина имаме работа. Средите, които са непрозрачни за видимите фотони, се прорязват от рентгеново или гама лъчение. Тоест, ако всички бяхме супермени, то целият свят около нас би бил прозрачен за нас, но в различна степен. Например стените от бетон не биха били по-плътни от желе, но метални фитингище изглеждат като парчета по-плътни плодове.

За другите елементарни частици, мюони, нашата планета като цяло е прозрачна през цялото време. По едно време учените имаха много проблеми да докажат самия факт на тяхното съществуване. Милиони мюони ни пробиват всяка секунда, но вероятността една частица да се сблъска с материята е много малка и е много трудно да се открие това. Между другото, Байкал скоро ще стане място за „улавяне“ на мюони. Нейната дълбока и чиста водаидеален за това - особено през зимата. Основното е, че сензорите не замръзват. Така че индексът на пречупване на бетона, например, за рентгенови фотони има смисъл. Освен това облъчването на вещество с рентгенови лъчи е един от най-точните и важни начини за изследване на структурата на кристалите.

Също така си струва да запомните, че в математически смисъл веществата, които са непрозрачни за даден диапазон, имат въображаем индекс на пречупване. И накрая, трябва да разберем, че температурата на веществото също може да повлияе на неговата прозрачност.