Indeks bias mutlak medium. Hukum pembiasan cahaya

INDIKATOR REFRAKTIF(indeks bias) - optik. karakteristik lingkungan yang terkait dengan pembiasan cahaya pada antarmuka antara dua media optik homogen dan isotropik transparan selama transisi dari satu media ke yang lain dan karena perbedaan kecepatan fase perambatan cahaya di media. Nilai P.p., sama dengan rasio kecepatan tersebut. relatif

P. p. dari lingkungan ini. Jika cahaya jatuh pada medium kedua atau pertama dari (di mana kecepatan rambat cahaya dari), maka besarannya adalah P. p. absolut dari lingkungan ini. Dalam hal ini, hukum pembiasan dapat ditulis dalam bentuk di mana dan adalah sudut datang dan bias.

Besarnya P.p. mutlak tergantung pada sifat dan struktur zat, keadaan agregasi, suhu, tekanan, dll. Pada intensitas tinggi, p.p. tergantung pada intensitas cahaya (lihat. optik non-linier). Dalam sejumlah zat, P. p. berubah di bawah pengaruh eksternal. listrik bidang ( Efek Kerr- dalam cairan dan gas; elektro-optik efek kantong- dalam kristal).

Untuk media tertentu, pita absorpsi bergantung pada panjang gelombang l cahaya, dan di wilayah pita absorpsi ketergantungan ini bersifat anomali (lihat Gambar. Dispersi cahaya). wilayah, PP mendekati 1 untuk hampir semua media, di wilayah yang terlihat untuk cairan dan padatan- sekitar 1,5; di wilayah IR untuk sejumlah media transparan 4.0 (untuk Ge).

Mereka dicirikan oleh dua fenomena parametrik: biasa (mirip dengan media isotropik) dan luar biasa, yang besarnya tergantung pada sudut datang berkas dan, akibatnya, arah rambat cahaya dalam medium (lihat Gambar. Optik kristal) Untuk media dengan penyerapan (khususnya, untuk logam), koefisien penyerapan adalah kuantitas yang kompleks dan dapat direpresentasikan sebagai di mana n adalah koefisien penyerapan biasa, adalah indeks penyerapan (lihat. Penyerapan cahaya, optik logam).

P.p. bersifat makroskopis. karakteristik lingkungan dan terkait dengannya permitivitas n besar. permeabilitas Klasik teori elektronik (lih. Dispersi cahaya) memungkinkan Anda untuk mengasosiasikan nilai P. p. dengan mikroskopis. karakteristik lingkungan - elektronik polarisasi atom (atau molekul) tergantung pada sifat atom dan frekuensi cahaya, dan medium: di mana n adalah jumlah atom per satuan volume. Bekerja pada atom (molekul) listrik. medan gelombang cahaya menyebabkan pergeseran optik. elektron dari posisi kesetimbangan; atom menjadi terinduksi. momen dipol berubah dalam waktu dengan frekuensi cahaya datang, dan merupakan sumber gelombang koheren sekunder, to-rye. mengganggu insiden gelombang pada medium, mereka membentuk gelombang cahaya yang dihasilkan merambat dalam medium dengan kecepatan fase, dan karena itu

Intensitas sumber cahaya konvensional (non-laser) relatif rendah; medan gelombang cahaya yang bekerja pada atom jauh lebih kecil daripada listrik intra-atom. medan, dan elektron dalam atom dapat dianggap sebagai harmonik. osilator. Dalam pendekatan ini, nilai dari dan P. p.

Mereka adalah nilai konstan (pada frekuensi tertentu), tidak tergantung pada intensitas cahaya. Dalam fluks cahaya intens yang diciptakan oleh laser yang kuat, besarnya listrik. medan gelombang cahaya bisa sepadan dengan muatan listrik intra-atomik. medan dan model harmoni, osilator ternyata tidak dapat diterima. Perhitungan anharmonisitas gaya dalam sistem elektron-atom menyebabkan ketergantungan polarisasi atom, dan karenanya koefisien polarisasi, pada intensitas cahaya. Hubungan antara dan ternyata tidak linier; P.p. dapat direpresentasikan dalam bentuk

Dimana - P.p. pada intensitas cahaya rendah; (biasanya penunjukan yang diterima) - penambahan non-linear ke P. p., atau koefisien. non-linier. P. p. tergantung pada sifat lingkungan, misalnya. untuk kaca silikat

P. p. juga dipengaruhi oleh intensitas tinggi sebagai akibat dari efek elektrostriksi, mengubah kepadatan medium, frekuensi tinggi untuk molekul anisotropik (dalam cairan), serta sebagai akibat dari peningkatan suhu yang disebabkan oleh penyerapan

Hukum fisika memainkan peran yang sangat penting dalam melakukan perhitungan untuk merencanakan strategi khusus untuk produksi produk apa pun atau dalam menyusun proyek untuk konstruksi struktur untuk berbagai tujuan. Banyak nilai yang dihitung, sehingga pengukuran dan perhitungan dilakukan sebelum memulai pekerjaan perencanaan. Misalnya, indeks bias kaca sama dengan rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias.

Jadi pertama ada proses pengukuran sudut, lalu sinusnya dihitung, dan baru kemudian Anda bisa mendapatkan nilai yang diinginkan. Terlepas dari ketersediaan data tabular, ada baiknya melakukan perhitungan tambahan setiap saat, karena buku referensi sering menggunakan kondisi ideal yang dapat dicapai dalam kehidupan nyata hampir tidak mungkin. Oleh karena itu, pada kenyataannya, indikatornya tentu akan berbeda dari yang tabel, dan dalam beberapa situasi ini sangat penting.

Indikator mutlak

Indeks bias absolut tergantung pada merek kaca, karena dalam praktiknya ada sejumlah besar opsi yang berbeda dalam komposisi dan tingkat transparansi. Rata-rata, itu adalah 1,5 dan berfluktuasi di sekitar nilai ini sebesar 0,2 dalam satu arah atau lainnya. Dalam kasus yang jarang terjadi, mungkin ada penyimpangan dari angka ini.

Sekali lagi, jika indikator yang tepat penting, maka pengukuran tambahan sangat diperlukan. Tetapi bahkan mereka tidak memberikan hasil yang dapat diandalkan 100%, karena posisi matahari di langit dan kekeruhan pada hari pengukuran akan mempengaruhi nilai akhir. Untungnya, dalam 99,99% kasus, cukup mengetahui bahwa indeks bias bahan seperti kaca lebih besar dari satu dan kurang dari dua, dan semua persepuluhan dan perseratus lainnya tidak berperan.

Di forum-forum yang membantu menyelesaikan soal-soal fisika sering muncul pertanyaan, berapa indeks bias kaca dan berlian? Banyak orang berpikir bahwa karena kedua zat ini memiliki penampilan yang mirip, maka sifat-sifatnya harus kira-kira sama. Tapi ini adalah delusi.

Pembiasan maksimum untuk kaca akan menjadi sekitar 1,7, sedangkan untuk berlian angka ini mencapai 2,42. Itu permata adalah salah satu dari sedikit bahan di Bumi yang indeks biasnya melebihi 2. Ini karena struktur kristalnya dan penyebaran sinar cahaya yang besar. Faceting memainkan peran minimal dalam perubahan nilai tabel.

Indikator relatif

Indikator relatif untuk beberapa lingkungan dapat dicirikan sebagai berikut:

- indeks bias kaca relatif terhadap air kira-kira 1,18;
- indeks bias bahan yang sama relatif terhadap udara sama dengan 1,5;
- indeks bias relatif terhadap alkohol - 1.1.

Pengukuran indikator dan perhitungan nilai relatif dilakukan sesuai dengan algoritma yang terkenal. Untuk menemukan parameter relatif, Anda perlu membagi satu nilai tabel dengan nilai lainnya. Atau membuat perhitungan eksperimental untuk dua lingkungan, dan kemudian membagi data yang diperoleh. Operasi semacam itu sering dilakukan pada kelas laboratorium dalam fisika.

Penentuan indeks bias

Cukup sulit untuk menentukan indeks bias kaca dalam praktek, karena instrumen presisi tinggi diperlukan untuk mengukur data awal. Kesalahan apa pun akan meningkat, karena perhitungan menggunakan rumus kompleks yang membutuhkan tidak adanya kesalahan.

Secara umum koefisien ini menunjukkan berapa kali kecepatan rambat sinar cahaya melambat ketika melewati rintangan tertentu. Oleh karena itu, itu hanya khas untuk bahan transparan. Untuk nilai referensi, yaitu, untuk unit, indeks bias gas diambil. Hal ini dilakukan agar dapat memulai dari beberapa nilai dalam perhitungan.

Jika sinar matahari jatuh pada permukaan kaca dengan indeks bias yang sama dengan nilai tabel, maka dapat diubah dengan beberapa cara:

1. Rekatkan film di atas, di mana indeks bias akan lebih tinggi dari kaca. Prinsip ini digunakan dalam pewarnaan kaca mobil untuk meningkatkan kenyamanan penumpang dan memungkinkan pengemudi melihat jalan dengan lebih jelas. Juga, film akan menahan radiasi dan ultraviolet.
2. Cat kaca dengan cat. Inilah yang dilakukan oleh produsen kacamata hitam murah, tetapi perlu diketahui bahwa itu bisa berbahaya bagi penglihatan Anda. DI DALAM model yang bagus kacamata segera diproduksi berwarna menggunakan teknologi khusus.
3. Benamkan gelas dalam cairan. Ini hanya berguna untuk eksperimen.

Jika berkas cahaya melewati kaca, maka indeks bias pada bahan berikutnya dihitung menggunakan koefisien relatif, yang dapat diperoleh dengan membandingkan nilai tabel satu sama lain. Perhitungan ini sangat penting dalam desain sistem optik yang membawa beban praktis atau eksperimental. Kesalahan tidak diperbolehkan di sini, karena itu akan menyebabkan seluruh perangkat tidak berfungsi, dan kemudian data apa pun yang diterima dengannya tidak akan berguna.

Untuk menentukan kecepatan cahaya dalam kaca dengan indeks bias, Anda perlu membagi nilai absolut dari kecepatan dalam ruang hampa dengan indeks bias. Vakum digunakan sebagai media referensi, karena pembiasan tidak bekerja di sana karena tidak adanya zat apa pun yang dapat mengganggu pergerakan sinar cahaya tanpa hambatan di sepanjang lintasan tertentu.

Dalam setiap indikator yang dihitung, kecepatannya akan lebih kecil daripada di media referensi, karena indeks bias selalu lebih besar dari satu.

UNTUK KULIAH 24

"METODE ANALISIS INSTRUMENTAL"

REFRAKTOMETRI.

Literatur:

1. V.D. Ponomarev "Kimia Analitik" 1983 246-251

2. A A. Ishchenko "Kimia Analitik" 2004 hlm 181-184

REFRAKTOMETRI.

Refraktometri adalah salah satu metode analisis fisika yang paling sederhana, membutuhkan jumlah analit yang minimum, dan dilakukan dalam waktu yang sangat singkat.

Refraktometri- metode yang didasarkan pada fenomena pembiasan atau pembiasan yaitu perubahan arah rambat cahaya ketika melewati dari satu medium ke medium lainnya.

Pembiasan, serta penyerapan cahaya, adalah konsekuensi dari interaksinya dengan medium. Kata refraktometri berarti dimensi pembiasan cahaya, yang diperkirakan dengan nilai indeks bias.

Nilai indeks bias n bergantung

1) tentang komposisi zat dan sistem,

2) dari pada konsentrasi berapa dan molekul apa yang ditemui berkas cahaya dalam perjalanannya, karena Di bawah aksi cahaya, molekul zat yang berbeda terpolarisasi dengan cara yang berbeda. Pada ketergantungan inilah metode refraktometri didasarkan.

Metode ini memiliki sejumlah keunggulan, sebagai akibatnya telah ditemukan aplikasi yang luas baik dalam penelitian kimia maupun dalam pengendalian proses teknologi.

1) Pengukuran indeks bias sangat proses sederhana, yang dilakukan secara akurat dan dengan waktu dan jumlah zat yang minimal.

2) Biasanya, refraktometer memberikan akurasi hingga 10% dalam menentukan indeks bias cahaya dan kandungan analit

Metode refraktometri digunakan untuk mengontrol keaslian dan kemurnian, untuk mengidentifikasi zat individu, untuk menentukan struktur senyawa organik dan anorganik dalam studi larutan. Refraktometri digunakan untuk menentukan komposisi larutan dua komponen dan untuk sistem terner.

Pondasi fisik metode

INDIKATOR REFRAKTIF.

Penyimpangan berkas cahaya dari arah aslinya selama transisi dari satu medium ke medium lain lebih besar, semakin besar perbedaan kecepatan rambat cahaya di dua

lingkungan ini.

Pertimbangkan pembiasan berkas cahaya pada batas dua media transparan I dan II (Lihat Gambar.). Mari kita setuju bahwa medium II memiliki kekuatan bias yang lebih besar dan, oleh karena itu, n 1 Dan n 2- menunjukkan pembiasan media yang sesuai. Jika medium I bukan ruang hampa atau udara, maka perbandingan sin sudut datang berkas cahaya dengan sin sudut bias akan memberikan nilai indeks bias relatif n rel. Nilai n rel. juga dapat didefinisikan sebagai rasio indeks bias media yang dipertimbangkan.

n rel. = ----- = ---

Nilai indeks bias tergantung pada

1) sifat zat

Sifat suatu zat dalam hal ini ditentukan oleh tingkat deformabilitas molekulnya di bawah aksi cahaya - tingkat polarisasi. Semakin kuat polarisasi, semakin kuat pembiasan cahaya.

2)panjang gelombang cahaya datang

Pengukuran indeks bias dilakukan pada panjang gelombang cahaya 589,3 nm (garis D spektrum natrium).

Ketergantungan indeks bias pada panjang gelombang cahaya disebut dispersi. Semakin pendek panjang gelombang, semakin besar pembiasan. Oleh karena itu, sinar dengan panjang gelombang yang berbeda dibiaskan secara berbeda.

3)suhu dimana pengukuran dilakukan. Prasyarat untuk menentukan indeks bias adalah kepatuhan terhadap rezim suhu. Biasanya penentuan dilakukan pada 20±0,3 0 .

Ketika suhu naik, indeks bias menurun, dan ketika suhu turun, itu meningkat..

Koreksi suhu dihitung menggunakan rumus berikut:

n t \u003d n 20 + (20-t) 0,0002, di mana

t - sampai indeks bias pada suhu tertentu,

n 20 - indeks bias pada 20 0 C

Pengaruh suhu pada nilai indeks bias gas dan cairan terkait dengan nilai koefisien ekspansi volumetriknya. Volume semua gas dan cairan meningkat ketika dipanaskan, kepadatan berkurang dan, akibatnya, indikator berkurang

Indeks bias, diukur pada 20 0 C dan panjang gelombang cahaya 589,3 nm, ditunjukkan oleh indeks n D 20

Ketergantungan indeks bias sistem dua komponen homogen pada keadaannya ditetapkan secara eksperimental dengan menentukan indeks bias untuk sejumlah sistem standar (misalnya, larutan), kandungan komponen yang diketahui.

4) konsentrasi suatu zat dalam larutan.

Untuk banyak larutan air zat, indeks bias pada konsentrasi dan suhu yang berbeda diukur dengan andal, dan dalam kasus ini, Anda dapat menggunakan referensi tabel refraktometri. Praktek menunjukkan bahwa ketika kandungan zat terlarut tidak melebihi 10-20%, bersama dengan metode grafis, dalam banyak kasus dimungkinkan untuk menggunakan persamaan linier seperti:

n=n o +FC,

n- indeks bias larutan,

tidak adalah indeks bias pelarut murni,

C- konsentrasi zat terlarut,%

F-koefisien empiris, yang nilainya ditemukan

dengan menentukan indeks bias larutan yang konsentrasinya diketahui.

REFRAKTOMETER.

Refraktometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur indeks bias. Ada 2 jenis instrumen ini: refraktometer tipe Abbe dan tipe Pulfrich. Baik pada itu maupun pada yang lain, pengukuran didasarkan pada penentuan besarnya sudut pembatas bias. Dalam prakteknya, refraktometer digunakan berbagai sistem: laboratorium-RL, RLU universal, dll.

Indeks bias air suling n 0 \u003d 1,33299, dalam praktiknya, indikator ini mengambil referensi sebagai n 0 =1,333.

Prinsip pengoperasian refraktometer didasarkan pada penentuan indeks bias dengan metode sudut pembatas (sudut pantul total cahaya).

Refraktometer tangan

Refraktometer Abbe

Tiket 75.

Hukum pemantulan cahaya: sinar datang dan sinar pantul, serta tegak lurus antarmuka antara dua media, dipulihkan pada titik datang sinar, terletak pada bidang yang sama (bidang datang). Sudut pantul sama dengan sudut datang .

Hukum pembiasan cahaya: sinar datang dan sinar bias, serta tegak lurus antarmuka antara dua media, dipulihkan pada titik datang sinar, terletak pada bidang yang sama. Rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias adalah nilai konstan untuk dua media yang diberikan:

Hukum pemantulan dan pembiasan dijelaskan dalam fisika gelombang. Menurut konsep gelombang, pembiasan adalah konsekuensi dari perubahan kecepatan rambat gelombang selama transisi dari satu medium ke medium lainnya. Arti fisik dari indeks bias adalah perbandingan cepat rambat gelombang di medium pertama 1 dengan cepat rambat gelombang di medium kedua 2:

Gambar 3.1.1 mengilustrasikan hukum pemantulan dan pembiasan cahaya.

Sebuah medium dengan indeks bias mutlak lebih rendah disebut optik kurang rapat.

Ketika cahaya berpindah dari medium yang lebih rapat secara optik ke media yang kurang rapat secara optik n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать fenomena refleksi total, yaitu, hilangnya sinar bias. Fenomena ini diamati pada sudut datang yang melebihi sudut kritis tertentu pr, yang disebut membatasi sudut refleksi internal total(lihat gambar 3.1.2).

Untuk sudut datang = pr sin = 1; nilai sin pr \u003d n 2 / n 1< 1.

Jika medium kedua adalah udara (n 2 1), maka akan lebih mudah untuk menulis ulang rumus sebagai

Fenomena refleksi internal total menemukan aplikasi di banyak perangkat optik. Aplikasi yang paling menarik dan praktis penting adalah pembuatan panduan cahaya serat, yang tipis (dari beberapa mikrometer hingga milimeter) filamen bengkok sewenang-wenang dari bahan optik transparan (kaca, kuarsa). Cahaya yang jatuh pada ujung serat dapat merambat sepanjang serat tersebut dalam jarak yang jauh karena pemantulan internal total dari permukaan samping (Gbr. 3.1.3). Arah ilmiah dan teknis yang terlibat dalam pengembangan dan penerapan panduan cahaya optik disebut serat optik.

Dispe "rsiya light" itu (penguraian cahaya)- ini adalah fenomena karena ketergantungan indeks bias mutlak suatu zat pada frekuensi (atau panjang gelombang) cahaya (dispersi frekuensi), atau, hal yang sama, ketergantungan kecepatan fase cahaya dalam suatu zat pada panjang gelombang (atau frekuensi). Eksperimental ditemukan oleh Newton sekitar 1672, meskipun secara teoritis dijelaskan dengan baik jauh kemudian.

Dispersi spasial adalah ketergantungan tensor permitivitas media pada vektor gelombang. Ketergantungan ini menyebabkan sejumlah fenomena yang disebut efek polarisasi spasial.

Salah satu yang paling contoh yang baik penyebaran - penguraian cahaya putih ketika melewatinya melalui prisma (percobaan Newton). Inti dari fenomena dispersi adalah perbedaan dalam kecepatan rambat sinar cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda dalam zat transparan - media optik (sedangkan dalam ruang hampa kecepatan cahaya selalu sama, terlepas dari panjang gelombang dan karenanya warnanya) . Biasanya, semakin tinggi frekuensi gelombang cahaya, semakin besar indeks bias medium untuk itu dan semakin rendah kecepatan gelombang dalam medium:

Eksperimen Newton Eksperimen penguraian cahaya putih menjadi spektrum: Newton mengirim sinar sinar matahari melalui lubang kecil ke prisma kaca. Naik ke prisma, sinar dibiaskan dan memberikan gambar memanjang di dinding yang berlawanan dengan warna-warni yang berganti-ganti - spektrum. Percobaan pancaran cahaya monokromatis melalui prisma: Newton dalam perjalanan sinar matahari letakkan kaca merah, di belakangnya ia menerima cahaya monokromatik (merah), lalu sebuah prisma dan di layar hanya terlihat titik merah dari seberkas cahaya. Pengalaman dalam sintesis (memperoleh) cahaya putih: Pertama, Newton mengarahkan sinar matahari pada sebuah prisma. Kemudian, setelah mengumpulkan sinar berwarna yang muncul dari prisma dengan bantuan lensa konvergen, Newton menerima gambar putih sebuah lubang di dinding putih, bukan strip berwarna. kesimpulan Newton:- prisma tidak mengubah cahaya, tetapi hanya menguraikannya menjadi komponen - sinar cahaya yang berbeda warna berbeda dalam tingkat pembiasan; sinar violet paling kuat dibiaskan, cahaya merah dibiaskan kurang kuat - cahaya merah, yang kurang dibiaskan, memiliki kecepatan tertinggi, dan ungu memiliki terendah, oleh karena itu prisma menguraikan cahaya. Ketergantungan indeks bias cahaya pada warnanya disebut dispersi.

Kesimpulan:- prisma menguraikan cahaya - cahaya putih adalah kompleks (komposit) - sinar ungu dibiaskan lebih dari yang merah. Warna seberkas cahaya ditentukan oleh frekuensi osilasinya. Ketika berpindah dari satu medium ke medium lainnya, kecepatan cahaya dan panjang gelombang berubah, tetapi frekuensi yang menentukan warna tetap konstan. Batas-batas rentang cahaya putih dan komponennya biasanya dicirikan oleh panjang gelombangnya dalam ruang hampa. Cahaya putih adalah kumpulan panjang gelombang dari 380 hingga 760 nm.

Tiket 77.

Penyerapan cahaya. hukum Bouguer

Penyerapan cahaya dalam materi dikaitkan dengan konversi energi medan elektromagnetik gelombang masuk energi termal zat (atau menjadi energi radiasi photoluminescent sekunder). Hukum penyerapan cahaya (hukum Bouguer) memiliki bentuk:

saya = saya 0 exp(- x),(1)

di mana saya 0 , saya- masukan intensitas cahaya (x=0) dan keluar dari lapisan ketebalan sedang X, - koefisien penyerapan, itu tergantung pada .

Untuk dielektrik =10 -1  10 -5 M -1 , untuk logam =10 5  10 7 M -1 , oleh karena itu logam tidak tembus cahaya.

Ketergantungan ( ) menjelaskan warna benda penyerap. Misalnya, kaca yang menyerap sedikit cahaya merah akan tampak merah jika disinari dengan cahaya putih.

Penghamburan cahaya. hukum Rayleigh

Difraksi cahaya dapat terjadi dalam medium optik yang tidak homogen, misalnya dalam medium keruh (asap, kabut, udara berdebu, dll.). Difraksi pada ketidakhomogenan medium, gelombang cahaya menciptakan pola difraksi yang dicirikan oleh distribusi intensitas yang cukup seragam ke segala arah.

Difraksi seperti itu oleh ketidakhomogenan kecil disebut hamburan cahaya.

Fenomena ini diamati jika seberkas sinar matahari yang sempit melewati udara berdebu, menyebar pada partikel debu dan menjadi terlihat.

Jika dimensi ketidakhomogenan kecil dibandingkan dengan panjang gelombang (tidak lebih dari 0,1  ), maka intensitas cahaya yang dihamburkan berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang, yaitu

saya kasar ~ 1/  4 , (2)

hubungan ini disebut hukum Rayleigh.

Hamburan cahaya juga diamati pada media murni yang tidak mengandung partikel asing. Misalnya, dapat terjadi pada fluktuasi (penyimpangan acak) kepadatan, anisotropi, atau konsentrasi. Hamburan seperti itu disebut molekul. Ini menjelaskan, misalnya, warna biru langit. Memang, menurut (2), sinar biru dan biru tersebar lebih kuat daripada merah dan kuning, karena memiliki panjang gelombang yang lebih pendek, sehingga menyebabkan warna langit menjadi biru.

Tiket 78.

Polarisasi cahaya- satu set fenomena optik gelombang, di mana sifat transversal gelombang cahaya elektromagnetik dimanifestasikan. gelombang transversal- partikel medium berosilasi dalam arah tegak lurus terhadap arah rambat gelombang ( gambar 1).

Gambar 1 gelombang transversal

gelombang cahaya elektromagnetik pesawat terpolarisasi(polarisasi linier), jika arah osilasi vektor E dan B tetap dan terletak pada bidang tertentu ( gambar 1). Gelombang cahaya terpolarisasi bidang disebut pesawat terpolarisasi cahaya (terpolarisasi linier). tidak terpolarisasi gelombang (alami) - gelombang cahaya elektromagnetik di mana arah osilasi vektor E dan B dalam gelombang ini dapat terletak di semua bidang yang tegak lurus terhadap vektor kecepatan v. cahaya tak terpolarisasi- gelombang cahaya, di mana arah osilasi vektor E dan B berubah secara acak sehingga semua arah osilasi pada bidang yang tegak lurus terhadap berkas perambatan gelombang memiliki peluang yang sama ( gbr.2).

Gbr.2 cahaya tak terpolarisasi

gelombang terpolarisasi- di mana arah vektor E dan B tetap tidak berubah dalam ruang atau berubah menurut hukum tertentu. Radiasi, di mana arah vektor E berubah secara acak - tidak terpolarisasi. Contoh radiasi tersebut dapat berupa radiasi termal (atom dan elektron yang didistribusikan secara acak). Bidang polarisasi- ini adalah bidang yang tegak lurus terhadap arah osilasi vektor E. Mekanisme utama terjadinya radiasi terpolarisasi adalah hamburan radiasi oleh elektron, atom, molekul, dan partikel debu.

1.2. Jenis polarisasi Ada tiga jenis polarisasi. Mari kita definisikan mereka. 1. Linier Terjadi jika vektor listrik E mempertahankan posisinya dalam ruang. Ini semacam menyoroti bidang di mana vektor E berosilasi. 2. Surat Edaran Ini adalah polarisasi yang terjadi ketika vektor listrik E berputar di sekitar arah rambat gelombang dengan kecepatan sudut yang sama dengan frekuensi sudut gelombang, sambil mempertahankan nilai absolutnya. Polarisasi ini mencirikan arah rotasi vektor E pada bidang yang tegak lurus terhadap garis pandang. Contohnya adalah radiasi siklotron (sistem elektron yang berputar dalam medan magnet). 3. Elips Terjadi bila besaran vektor listrik E berubah sehingga menggambarkan suatu elips (perputaran vektor E). Polarisasi elips dan lingkaran adalah kanan (perputaran vektor E terjadi searah jarum jam, jika Anda melihat ke arah gelombang yang merambat) dan kiri (rotasi vektor E terjadi berlawanan arah jarum jam, jika Anda melihat ke arah gelombang yang merambat).

Bahkan, yang paling umum polarisasi parsial (gelombang elektromagnetik terpolarisasi sebagian). Secara kuantitatif dicirikan oleh besaran tertentu yang disebut derajat polarisasi R, yang didefinisikan sebagai: P = (Imaks - Imin) / (Imaks + Imin) di mana Imax,segera- kerapatan fluks energi elektromagnetik tertinggi dan terendah melalui penganalisis (Polaroid, Nicol prisma…). Dalam praktiknya, polarisasi radiasi sering digambarkan dengan parameter Stokes (fluks radiasi dengan arah polarisasi tertentu ditentukan).

Tiket 79.

Jika cahaya alami jatuh pada antarmuka antara dua dielektrik (misalnya, udara dan kaca), maka sebagian dipantulkan, dan sebagian dibiaskan dan merambat di medium kedua. Dengan menempatkan penganalisis (misalnya, turmalin) di jalur sinar yang dipantulkan dan dibiaskan, kami memastikan bahwa sinar yang dipantulkan dan dibiaskan terpolarisasi sebagian: ketika penganalisis diputar di sekitar sinar, intensitas cahaya meningkat dan menurun secara berkala ( kepunahan total tidak diamati!). Studi lebih lanjut menunjukkan bahwa dalam sinar yang dipantulkan, osilasi tegak lurus terhadap bidang datang (pada Gambar 275 mereka ditunjukkan oleh titik-titik), pada sinar yang dibiaskan - osilasi sejajar dengan bidang datang (ditunjukkan oleh panah).

Derajat polarisasi (tingkat pemisahan gelombang cahaya dengan orientasi tertentu dari vektor listrik (dan magnet)) tergantung pada sudut datang sinar dan indeks bias. Fisikawan Skotlandia D. Pembuat bir(1781-1868) didirikan hukum, yang menyatakan bahwa pada sudut datang saya B (Sudut Brewster), ditentukan oleh relasi

(n 21 - indeks bias media kedua relatif terhadap yang pertama), sinar pantul terpolarisasi bidang(hanya berisi osilasi tegak lurus terhadap bidang datang) (Gbr. 276). Sinar dibiaskan pada sudut datangsaya B terpolarisasi secara maksimal, tetapi tidak sepenuhnya.

Jika cahaya datang pada antarmuka pada sudut Brewster, maka sinar pantul dan sinar bias saling tegak lurus(tg saya B=sin saya B/cos saya B, n 21 = dosa saya B / dosa saya 2 (saya 2 - sudut bias), dari mana cos saya B=sin saya 2). Akibatnya, saya B + saya 2 =  /2, tapi saya’ B = saya B (hukum pemantulan), jadi saya’ B+ saya 2 =  /2.

Derajat polarisasi cahaya yang dipantulkan dan dibiaskan pada sudut datang yang berbeda dapat dihitung dari persamaan Maxwell, jika kita memperhitungkan kondisi batas untuk medan elektromagnetik pada antarmuka antara dua dielektrik isotropik (yang disebut formula Fresnel).

Tingkat polarisasi cahaya yang dibiaskan dapat ditingkatkan secara signifikan (dengan pembiasan berulang, asalkan cahaya jatuh setiap kali pada antarmuka pada sudut Brewster). Jika, misalnya, untuk kaca ( n= 1.53), tingkat polarisasi sinar yang dibiaskan adalah 15%, kemudian setelah pembiasan oleh 8-10 pelat kaca yang ditumpangkan satu sama lain, cahaya yang muncul dari sistem seperti itu akan hampir sepenuhnya terpolarisasi. Himpunan pelat ini disebut kaki. Kaki dapat digunakan untuk menganalisis cahaya terpolarisasi baik dalam pantulannya maupun dalam pembiasannya.

Tiket 79 (untuk memacu)

Seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman, selama pembiasan dan pemantulan cahaya, cahaya yang dibiaskan dan dipantulkan ternyata terpolarisasi, dan pemantulan. cahaya dapat sepenuhnya terpolarisasi pada sudut datang tertentu, tetapi cahaya selalu terpolarisasi sebagian Berdasarkan rumus Frinel, dapat ditunjukkan bahwa pemantulan. cahaya terpolarisasi dalam bidang tegak lurus terhadap bidang datang, dan pembiasan. cahaya terpolarisasi pada bidang yang sejajar dengan bidang datang.

Sudut datang di mana refleksi cahaya terpolarisasi penuh disebut sudut Brewster.Sudut Brewster ditentukan dari hukum Brewster: -Hukum Brewster.Dalam hal ini, sudut antara refleksi. dan istirahat. sinar akan sama. Untuk sistem kaca udara, sudut Brewster sama. Untuk mendapatkan polarisasi yang baik, mis. , ketika cahaya dibiaskan, banyak permukaan patah yang digunakan, yang disebut Kaki Stoletov.

Tiket 80.

Pengalaman menunjukkan bahwa selama interaksi cahaya dengan materi, tindakan utama (fisiologis, fotokimia, fotolistrik, dll.) disebabkan oleh osilasi vektor, yang dalam hubungan ini kadang-kadang disebut vektor cahaya. Oleh karena itu, untuk menggambarkan pola polarisasi cahaya, perilaku vektor dipantau.

Bidang yang dibentuk oleh vektor dan disebut bidang polarisasi.

Jika vektor osilasi terjadi pada satu bidang tetap, maka cahaya (sinar) seperti itu disebut terpolarisasi linier. Ini secara sewenang-wenang ditunjuk sebagai berikut. Jika balok terpolarisasi pada bidang yang tegak lurus (pada bidang xz, lihat gambar. 2 di kuliah kedua), maka dilambangkan.

Cahaya alami (dari sumber biasa, matahari) terdiri dari gelombang yang memiliki bidang polarisasi yang berbeda dan terdistribusi secara acak (lihat Gambar 3).

Cahaya alami kadang-kadang secara konvensional disebut sebagai ini. Ini juga disebut non-terpolarisasi.

Jika selama perambatan gelombang vektor berputar dan pada saat yang sama ujung vektor menggambarkan lingkaran, maka cahaya seperti itu disebut terpolarisasi sirkular, dan polarisasinya melingkar atau melingkar (kanan atau kiri). Ada juga polarisasi elips.

Ada perangkat optik (film, pelat, dll.) - polarizer, yang memancarkan cahaya terpolarisasi linier atau cahaya terpolarisasi sebagian dari cahaya alami.

Polarizer yang digunakan untuk menganalisis polarisasi cahaya disebut analisa.

Bidang polarizer (atau analyzer) adalah bidang polarisasi cahaya yang ditransmisikan oleh polarizer (atau analyzer).

Biarkan polarizer (atau penganalisis) menjadi insiden dengan cahaya terpolarisasi linier dengan amplitudo E 0 . Amplitudo cahaya yang ditransmisikan adalah E=E 0 karena J, dan intensitas saya = saya 0 karena 2 J.

Rumus ini menyatakan Hukum Malus:

Intensitas cahaya terpolarisasi linier yang melewati penganalisis sebanding dengan kuadrat kosinus sudut J antara bidang osilasi cahaya datang dan bidang penganalisis.

Tiket 80 (untuk taji)

Polarizer adalah perangkat yang memungkinkan untuk mendapatkan cahaya terpolarisasi. Analyzer adalah perangkat yang dengannya Anda dapat menganalisis apakah cahaya terpolarisasi atau tidak. Secara struktural, polarizer dan analyzer adalah sama. maka semua arah vektor E memiliki kemungkinan yang sama. Masing-masing vektor dapat didekomposisi menjadi dua komponen yang saling tegak lurus: salah satunya sejajar dengan bidang polarisasi polarizer, dan yang lainnya tegak lurus terhadapnya.

Jelas, intensitas cahaya yang meninggalkan polarizer akan sama. Mari kita tunjukkan intensitas cahaya yang meninggalkan polarizer dengan (). Jika penganalisis ditempatkan pada jalur polarizer, bidang utama yang membuat sudut dengan bidang utama polarisator, maka intensitas cahaya yang meninggalkan alat analisa ditentukan oleh hukum.

Tiket 81.

Mempelajari pendaran larutan garam uranium di bawah aksi -sinar radium, fisikawan Soviet P. A. Cherenkov menarik perhatian pada fakta bahwa air itu sendiri bersinar, di mana tidak ada garam uranium. Ternyata ketika sinar (lihat radiasi Gamma) dilewatkan melalui cairan murni, mereka semua mulai bersinar. S. I. Vavilov, di bawah arahan siapa P. A. Cherenkov bekerja, berhipotesis bahwa cahaya itu terkait dengan pergerakan elektron yang tersingkir oleh radium kuanta dari atom. Memang, pancaran sangat bergantung pada arah medan magnet dalam cairan (ini menunjukkan bahwa penyebabnya adalah pergerakan elektron).

Tetapi mengapa elektron yang bergerak dalam cairan memancarkan cahaya? Jawaban yang benar untuk pertanyaan ini diberikan pada tahun 1937 oleh fisikawan Soviet I. E. Tamm dan I. M. Frank.

Sebuah elektron, bergerak dalam suatu zat, berinteraksi dengan atom sekitarnya. Di bawah aksi medan listriknya, elektron atom dan inti dipindahkan ke arah yang berlawanan - mediumnya terpolarisasi. Polarisasi dan kemudian kembali ke keadaan awal, atom-atom medium yang terletak di sepanjang lintasan elektron memancarkan gelombang cahaya elektromagnetik. Jika kecepatan elektron v lebih kecil dari kecepatan rambat cahaya dalam medium (- indeks bias), maka medan elektromagnetik akan menyusul elektron, dan zat akan memiliki waktu untuk terpolarisasi di ruang depan elektron. Polarisasi medium di depan elektron dan di belakangnya berlawanan arah, dan radiasi atom yang terpolarisasi berlawanan, "menambah", "memadamkan" satu sama lain. Ketika atom, yang elektron belum mencapai, tidak punya waktu untuk mempolarisasi, dan radiasi muncul, diarahkan sepanjang lapisan kerucut sempit dengan titik yang bertepatan dengan elektron yang bergerak, dan sudut pada titik c. Penampilan "kerucut" cahaya dan kondisi radiasi dapat diperoleh dari prinsip-prinsip umum propagasi gelombang.

Beras. 1. Mekanisme pembentukan muka gelombang

Biarkan elektron bergerak sepanjang sumbu OE (lihat Gambar 1) dari saluran kosong yang sangat sempit dalam zat transparan homogen dengan indeks bias (saluran kosong diperlukan agar tidak memperhitungkan tumbukan elektron dengan atom dalam a pertimbangan teoritis). Setiap titik pada garis OE yang berturut-turut ditempati oleh elektron akan menjadi pusat emisi cahaya. Gelombang yang memancar dari titik berurutan O, D, E saling berinterferensi dan diperkuat jika beda fase di antara keduanya adalah nol (lihat Interferensi). Kondisi ini dipenuhi untuk arah yang membentuk sudut 0 dengan lintasan elektron. Sudut 0 ditentukan oleh rasio :.

Memang, pertimbangkan dua gelombang yang dipancarkan dalam arah dengan sudut 0 terhadap kecepatan elektron dari dua titik lintasan - titik O dan titik D, dipisahkan oleh jarak . Di titik B, terletak pada garis lurus BE, tegak lurus OB, gelombang pertama pada - dalam waktu Ke titik F, terletak pada garis lurus BE, gelombang yang dipancarkan dari titik akan tiba pada saat waktu setelah pancaran gelombang. gelombang dari titik O. Kedua gelombang ini akan sefasa, yaitu, garis lurus akan menjadi gelombang depan jika waktu ini sama:. Itu sebagai syarat kesetaraan waktu memberi. Ke segala arah, yang mana, cahaya akan padam karena interferensi gelombang yang dipancarkan dari bagian lintasan yang dipisahkan oleh jarak D. Nilai D ditentukan oleh persamaan yang jelas, di mana T adalah periode osilasi cahaya. Persamaan ini selalu memiliki solusi jika.

Jika , maka arah gelombang radiasi, interferensi, penguatan tidak ada, tidak boleh lebih besar dari 1.

Beras. 2. Distribusi gelombang suara dan pembentukan gelombang kejut selama gerakan tubuh

Radiasi diamati hanya jika .

Secara eksperimental, elektron terbang dalam sudut padat yang terbatas, dengan penyebaran tertentu dalam kecepatan, dan sebagai hasilnya, radiasi merambat dalam lapisan kerucut di dekat arah utama, ditentukan oleh sudut .

Dalam pertimbangan kita, kita telah mengabaikan perlambatan elektron. Ini cukup dapat diterima, karena kerugian akibat radiasi Vavilov-Cherenkov kecil dan, dalam pendekatan pertama, kita dapat mengasumsikan bahwa energi yang hilang oleh elektron tidak mempengaruhi kecepatannya dan ia bergerak secara seragam. Inilah perbedaan mendasar dan keanehan radiasi Vavilov-Cherenkov. Biasanya muatan memancar, mengalami percepatan yang signifikan.

Sebuah elektron berlari lebih cepat dari cahayanya sendiri seperti pesawat terbang yang terbang dengan kecepatan lebih besar dari kecepatan suara. Dalam hal ini, kejutan berbentuk kerucut juga merambat di depan pesawat. gelombang suara, (lihat Gambar 2).

Artikel ini mengungkapkan esensi dari konsep optik seperti indeks bias. Rumus untuk mendapatkan nilai ini diberikan, diberikan ulasan singkat penerapan fenomena pembiasan gelombang elektromagnetik.

Kemampuan melihat dan indeks bias

Pada awal peradaban, orang mengajukan pertanyaan: bagaimana mata melihat? Telah disarankan bahwa seseorang memancarkan sinar yang merasakan benda-benda di sekitarnya, atau, sebaliknya, semua benda memancarkan sinar tersebut. Jawaban atas pertanyaan ini diberikan pada abad ketujuh belas. Itu terkandung dalam optik dan terkait dengan apa indeks bias itu. Memantulkan dari berbagai permukaan buram dan membiaskan di perbatasan dengan yang transparan, cahaya memberi seseorang kesempatan untuk melihat.

Indeks cahaya dan bias

Planet kita diselimuti cahaya matahari. Dan dengan sifat gelombang foton, konsep seperti itu dihubungkan sebagai indikator mutlak pembiasan. Saat merambat dalam ruang hampa, foton tidak menemui hambatan. Di planet ini, cahaya bertemu dengan banyak media berbeda yang lebih padat: atmosfer (campuran gas), air, kristal. Menjadi gelombang elektromagnetik, foton cahaya memiliki kecepatan satu fase dalam ruang hampa (dilambangkan C), dan di lingkungan - lain (dilambangkan v). Perbandingan bilangan pertama dan kedua inilah yang disebut dengan indeks bias mutlak. Rumusnya terlihat seperti ini: n = c / v.

Kecepatan fase

Perlu memberikan definisi kecepatan fase media elektromagnetik. Jika tidak, pahami apa itu indeks bias n, itu dilarang. Foton cahaya adalah gelombang. Jadi, itu dapat direpresentasikan sebagai paket energi yang berosilasi (bayangkan segmen sinusoidal). Fase - ini adalah segmen sinusoidal yang dilalui gelombang pada waktu tertentu (ingat bahwa ini penting untuk memahami besaran seperti indeks bias).

Misalnya, fase dapat berupa maksimum sinusoidal atau beberapa segmen kemiringannya. Kecepatan fase gelombang adalah kecepatan di mana fase tertentu bergerak. Seperti yang dijelaskan oleh definisi indeks bias, untuk ruang hampa dan untuk media, nilai-nilai ini berbeda. Selain itu, setiap lingkungan memiliki nilai kuantitas ini sendiri. Setiap senyawa transparan, apa pun komposisinya, memiliki indeks bias yang berbeda dari semua zat lainnya.

Indeks bias absolut dan relatif

Telah ditunjukkan di atas bahwa nilai absolut diukur relatif terhadap vakum. Namun, ini sulit di planet kita: cahaya lebih sering mengenai perbatasan udara dan air atau kuarsa dan spinel. Untuk masing-masing media tersebut, seperti disebutkan di atas, indeks biasnya berbeda. Di udara, foton cahaya bergerak sepanjang satu arah dan memiliki kecepatan satu fase (v 1), tetapi ketika memasuki air, ia mengubah arah rambat dan kecepatan fase (v 2). Namun, kedua arah ini terletak pada bidang yang sama. Ini sangat penting untuk memahami bagaimana bayangan dunia sekitar terbentuk pada retina mata atau pada matriks kamera. Rasio dari dua nilai absolut memberikan indeks bias relatif. Rumusnya terlihat seperti ini: n 12 \u003d v 1 / v 2.

Tetapi bagaimana jika cahaya, sebaliknya, keluar dari air dan masuk ke udara? Maka nilai ini akan ditentukan dengan rumus n 21 = v 2 / v 1. Saat mengalikan indeks bias relatif, kami mendapatkan n 21 * n 12 \u003d (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) \u003d 1. Rasio ini berlaku untuk setiap pasangan media. Indeks bias relatif dapat dicari dari sinus sudut datang dan bias n 12 = sin 1 / sin 2. Jangan lupa bahwa sudut dihitung dari normal ke permukaan. Garis normal adalah garis yang tegak lurus permukaan. Artinya, jika masalah diberikan sudut α jatuh relatif terhadap permukaan itu sendiri, maka sinus (90 - ) harus dipertimbangkan.

Keindahan indeks bias dan aplikasinya

Pada hari yang cerah dan tenang, silau bermain di dasar danau. Es biru tua menutupi batu. Di tangan seorang wanita, berlian menyebarkan ribuan bunga api. Fenomena ini merupakan konsekuensi dari kenyataan bahwa semua batas media transparan memiliki indeks bias relatif. Selain kenikmatan estetis, fenomena ini juga bisa dimanfaatkan untuk aplikasi praktis.

Berikut beberapa contohnya:

Sebuah lensa kaca mengumpulkan seberkas sinar matahari dan membakar rumput.
Sinar laser berfokus pada organ yang sakit dan memotong jaringan yang tidak perlu.
Sinar matahari dibiaskan pada jendela kaca patri kuno, menciptakan suasana khusus.
Mikroskop memperbesar detail yang sangat kecil
Lensa spektrofotometer mengumpulkan sinar laser yang dipantulkan dari permukaan zat yang diteliti. Dengan demikian, adalah mungkin untuk memahami struktur, dan kemudian sifat-sifat bahan baru.
Bahkan ada proyek untuk komputer fotonik, di mana informasi akan ditransmisikan bukan oleh elektron, seperti sekarang, tetapi oleh foton. Untuk perangkat seperti itu, elemen bias pasti akan diperlukan.

panjang gelombang

Namun, Matahari memberi kita foton tidak hanya dalam spektrum yang terlihat. Rentang inframerah, ultraviolet, sinar-X tidak dirasakan oleh penglihatan manusia, tetapi memengaruhi kehidupan kita. Sinar IR membuat kita tetap hangat, foton UV mengionisasi atmosfer bagian atas dan memungkinkan tanaman menghasilkan oksigen melalui fotosintesis.

Dan berapa indeks bias yang sama tergantung tidak hanya pada zat di mana batas terletak, tetapi juga pada panjang gelombang radiasi yang datang. Biasanya jelas dari konteks nilai mana yang dirujuk. Artinya, jika buku mempertimbangkan sinar-X dan pengaruhnya pada seseorang, maka n sana itu didefinisikan untuk kisaran ini. Tapi biasanya spektrum yang terlihat dimaksudkan gelombang elektromagnetik, kecuali ditentukan.

Indeks bias dan refleksi

Seperti menjadi jelas dari atas, kita sedang berbicara tentang media transparan. Sebagai contoh, kami mengutip udara, air, berlian. Tapi bagaimana dengan kayu, granit, plastik? Apakah ada yang namanya indeks bias untuk mereka? Jawabannya rumit, tetapi secara umum ya.

Pertama-tama, kita harus mempertimbangkan jenis cahaya apa yang kita hadapi. Media yang tidak tembus cahaya terhadap foton yang terlihat dipotong oleh sinar-X atau radiasi gamma. Artinya, jika kita semua adalah manusia super, maka seluruh dunia di sekitar kita akan transparan bagi kita, tetapi pada tingkat yang berbeda-beda. Misalnya, dinding beton tidak akan lebih padat dari jeli, tapi perlengkapan logam akan terlihat seperti potongan buah yang lebih padat.

Untuk yang lain partikel dasar, muon, planet kita umumnya transparan. Pada suatu waktu, para ilmuwan membawa banyak masalah untuk membuktikan fakta keberadaan mereka. Muon menembus kita dalam jutaan setiap detik, tetapi kemungkinan tabrakan setidaknya satu partikel dengan materi sangat kecil, dan sangat sulit untuk memperbaikinya. Ngomong-ngomong, Baikal akan segera menjadi tempat "menangkap" muon. Ini dalam dan Air jernih sempurna untuk ini - terutama di musim dingin. Yang utama adalah sensor tidak membeku. Jadi, indeks bias beton, misalnya, untuk foton sinar-x masuk akal. Selain itu, penyinaran sinar-X suatu zat adalah salah satu metode yang paling akurat dan penting untuk mempelajari struktur kristal.

Perlu juga diingat bahwa, dalam pengertian matematis, zat yang buram untuk rentang tertentu memiliki indeks bias imajiner. Akhirnya, kita harus memahami bahwa suhu suatu zat juga dapat mempengaruhi transparansinya.