Absolútny index lomu média. Zákon lomu svetla
INDEX lomu(index lomu) - optické. charakteristické pre prostredie spojené s lom svetla na rozhraní dvoch transparentných opticky homogénnych a izotropných prostredí pri jeho prechode z jedného prostredia do druhého a v dôsledku rozdielu fázových rýchlostí šírenia svetla v médiách. Hodnota P. p sa rovná pomeru týchto rýchlostí. príbuzný
P. p. týchto prostredí. Ak svetlo dopadá na druhé alebo prvé médium (odkiaľ je rýchlosť svetla s), potom množstvá absolútne pp týchto priemerov. V tomto prípade môže byť zákon lomu napísaný v tvare kde a sú uhly dopadu a lomu.
Veľkosť absolútneho účinníka závisí od povahy a štruktúry látky, jej stavu agregácie, teploty, tlaku atď. Pri vysokých intenzitách závisí účinník od intenzity svetla (viď. nelineárna optika). V rade látok sa vplyvom vonkajších vplyvov P. mení. elektrický polia ( Kerrov efekt- v kvapalinách a plynoch; elektro-optické Pockelsov efekt- v kryštáloch).
Pre dané médium závisí absorpčný pás od vlnovej dĺžky svetla l a v oblasti absorpčných pásov je táto závislosť anomálna (pozri obr. Rozptyl svetla).V röntgene. oblasti je PP pre takmer všetky médiá blízko 1, vo viditeľnej oblasti pre kvapaliny a pevné látky- asi 1,5; v IR oblasti pre množstvo transparentných médií 4.0 (pre Ge).
Vyznačujú sa dvoma PP: obyčajným (podobným izotropným médiám) a mimoriadnym, ktorých veľkosť závisí od uhla dopadu lúča, a teda aj od smeru šírenia svetla v prostredí (viď. Kryštálová optika Pre médiá s absorpciou (najmä pre kovy) je absorpčný koeficient komplexnou hodnotou a môže byť vyjadrený vo forme, kde ha je obvyklý absorpčný koeficient a je absorpčný index (pozri absorpcia svetla, kovová optika).
P. p. vlastnosti prostredia a súvisí s ním dielektrická konštanta n mag. priepustnosť 
klasické elektrónová teória (pozri Rozptyl svetla) nám umožňuje dať do súvisu hodnotu P. p. charakteristika prostredia - elektron polarizovateľnosť atóm (alebo molekula) v závislosti od povahy atómov a frekvencie svetla a prostredia: kde N- počet atómov na jednotku objemu. Elektrina pôsobiaca na atóm (molekulu). Pole svetelnej vlny spôsobuje posun optickej vlny. elektrón z rovnovážnej polohy; atóm získava induktory. dipólový moment sa mení v čase s frekvenciou dopadajúceho svetla a je zdrojom sekundárnych koherentných vĺn, ktoré. pri interferencii s vlnou dopadajúcou na médium vytvárajú výslednú svetelnú vlnu šíriacu sa v médiu fázovou rýchlosťou, a preto
Intenzita bežných (nelaserových) svetelných zdrojov je pomerne nízka, elektrická intenzita. Pole svetelnej vlny pôsobiacej na atóm je oveľa menšie ako vnútroatómová elektrická energia. polia a elektrón v atóme možno považovať za harmonický. oscilátor.
V tomto priblížení sa hodnota a P. p.
Sú to konštantné veličiny (pri danej frekvencii), nezávislé od intenzity svetla. V intenzívnych svetelných tokoch vytvorených výkonnými lasermi je elektrická hodnota. Pole svetelnej vlny môže byť úmerné vnútroatómovej elektrickej energii. polia a model oscilátora harmónie sa ukazuje ako neprijateľný. Zohľadnenie anharmonicity síl v systéme elektrón-atóm vedie k závislosti polarizovateľnosti atómu, a teda polarizovateľnosti častice, od intenzity svetla. Vzťah medzi a ukazuje sa ako nelineárny; P. p
Kde - P. p. (zvyčajne akceptované označenie) - nelineárne sčítanie P. p., alebo koeficientu. nelinearita. P. p závisí od charakteru prostredia, napr. pre silikátové sklá P. p je tiež ovplyvnená vysokou intenzitou v dôsledku účinku elektrostrikcia
, zmena hustoty média, vysoká frekvencia pre anizotropné molekuly (v kvapaline) a tiež v dôsledku zvýšenia teploty spôsobeného absorpciou
Fyzikálne zákony zohrávajú veľmi dôležitú úlohu pri vykonávaní výpočtov na plánovanie špecifickej stratégie výroby akéhokoľvek produktu alebo pri zostavovaní projektu výstavby konštrukcií na rôzne účely. Vypočítava sa veľa veličín, takže merania a výpočty sa robia pred začatím plánovacích prác. Napríklad index lomu skla sa rovná pomeru sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu. Takže najprv je proces merania uhlov, potom sa vypočíta ich sínus a až potom sa dá získať požadovaná hodnota. Napriek dostupnosti tabuľkových údajov sa oplatí zakaždým vykonať dodatočné výpočty, pretože referenčné knihy často používajú ideálne podmienky, ktoré možno dosiahnuť v takmer nemožné. Preto sa v skutočnosti bude ukazovateľ nevyhnutne líšiť od tabuľky av niektorých situáciách má zásadný význam.
Absolútny ukazovateľ
Absolútny index lomu závisí od značky skla, pretože v praxi existuje veľké množstvo možností, ktoré sa líšia zložením a stupňom priehľadnosti. V priemere je 1,5 a okolo tejto hodnoty kolíše o 0,2 v jednom alebo druhom smere. V zriedkavých prípadoch môžu existovať odchýlky od tohto čísla.
Opäť platí, že ak je dôležitý presný indikátor, nemožno sa vyhnúť dodatočným meraniam. Ale tiež neposkytujú 100% spoľahlivý výsledok, pretože konečnú hodnotu ovplyvní poloha slnka na oblohe a oblačnosť v deň merania. Našťastie v 99,99% prípadov stačí jednoducho vedieť, že index lomu materiálu ako je sklo je väčší ako jedna a menší ako dve a na všetkých ostatných desatinách a stotinách nezáleží.
Na fórach, ktoré pomáhajú riešiť fyzikálne problémy, sa často objavuje otázka: aký je index lomu skla a diamantu? Mnoho ľudí si myslí, že keďže tieto dve látky majú podobný vzhľad, ich vlastnosti by mali byť približne rovnaké. Ale to je mylná predstava.
Maximálny lom skla bude okolo 1,7, zatiaľ čo pre diamant tento ukazovateľ dosahuje 2,42. The drahokam je jedným z mála materiálov na Zemi, ktorého index lomu presahuje 2. Je to spôsobené jeho kryštalickou štruktúrou a vysokou úrovňou rozptylu svetelných lúčov. Rez hrá pri zmenách tabuľkovej hodnoty minimálnu rolu.
Relatívny ukazovateľ
Relatívny ukazovateľ pre niektoré prostredia možno charakterizovať takto:
- - index lomu skla vo vzťahu k vode je približne 1,18;
- - index lomu toho istého materiálu vo vzťahu k vzduchu sa rovná 1,5;
- - index lomu vo vzťahu k alkoholu - 1.1.
Merania ukazovateľa a výpočty relatívnej hodnoty sa vykonávajú podľa dobre známeho algoritmu. Ak chcete nájsť relatívny parameter, musíte rozdeliť jednu hodnotu tabuľky druhou. Alebo urobte experimentálne výpočty pre dve prostredia a potom rozdeľte získané údaje. Takéto operácie sa často vykonávajú na laboratórne triedy vo fyzike.
Stanovenie indexu lomu
Stanovenie indexu lomu skla v praxi je dosť ťažké, pretože na meranie počiatočných údajov sú potrebné vysoko presné prístroje. Akákoľvek chyba sa zvýši, pretože výpočet používa zložité vzorce, ktoré vyžadujú absenciu chýb.
Vo všeobecnosti tento koeficient ukazuje, koľkokrát sa rýchlosť šírenia svetelných lúčov spomalí pri prechode cez určitú prekážku. Preto je typický len pre transparentné materiály. Index lomu plynov sa berie ako referenčná hodnota, to znamená ako jednotka. Bolo to urobené tak, aby bolo možné pri výpočtoch vychádzať z nejakej hodnoty.
Ak slnečný lúč dopadá na povrch skla s indexom lomu, ktorý sa rovná tabuľkovej hodnote, možno ho zmeniť niekoľkými spôsobmi:
- 1. Na vrch nalepte fóliu, ktorej index lomu bude vyšší ako index lomu skla. Tento princíp sa používa pri tónovaní skiel automobilov na zlepšenie pohodlia pasažierov a umožnenie vodičovi mať lepší prehľad o dopravných podmienkach. Film bude tiež inhibovať ultrafialové žiarenie.
- 2. Sklo natrieme farbou. Výrobcovia lacných slnečných okuliarov to robia, ale stojí za zváženie, že to môže poškodiť zrak. IN dobré modely Sklo sa ihneď vyrába farebné pomocou špeciálnej technológie.
- 3. Ponorte pohár do nejakej tekutiny. Toto je užitočné len pre experimenty.
Ak lúč svetla prechádza zo skla, potom sa index lomu na ďalšom materiáli vypočíta pomocou relatívneho koeficientu, ktorý možno získať porovnaním tabuľkových hodnôt. Tieto výpočty sú veľmi dôležité pri navrhovaní optických systémov, ktoré nesú praktické alebo experimentálne zaťaženie. Chyby sú tu neprijateľné, pretože povedú k nesprávnemu fungovaniu celého zariadenia a potom budú akékoľvek údaje získané s jeho pomocou zbytočné.
Na určenie rýchlosti svetla v skle s indexom lomu je potrebné vydeliť absolútnu hodnotu rýchlosti vo vákuu indexom lomu. Ako referenčné médium sa používa vákuum, pretože tam nepôsobí refrakcia kvôli absencii akýchkoľvek látok, ktoré by mohli narúšať plynulý pohyb svetelných lúčov po danej dráhe.
Vo všetkých vypočítaných ukazovateľoch bude rýchlosť nižšia ako v referenčnom médiu, pretože index lomu je vždy väčší ako jedna.
NA PREDNÁŠKU č.24
"INSTRUMENTÁLNE METÓDY ANALÝZY"
REFRAKTOMETRIA.
Literatúra:
1. V.D. Ponomarev „Analytická chémia“ 1983 246-251
2. A.A. Ishchenko „Analytická chémia“ 2004, s. 181-184
REFRAKTOMETRIA.
Refraktometria je jednou z najjednoduchších fyzikálnych metód analýzy s použitím minimálneho množstva analytu a vykonáva sa vo veľmi krátkom čase.
Refraktometria- metóda založená na fenoméne lomu alebo lomu t.j. zmena smeru šírenia svetla pri prechode z jedného média do druhého.
Lom svetla, ako aj absorpcia svetla, je dôsledkom jeho interakcie s médiom. Slovo refraktometria znamená meranie lom svetla, ktorý sa odhaduje hodnotou indexu lomu.
Hodnota indexu lomu n závisí
1) o zložení látok a systémov,
2) zo skutočnosti v akej koncentrácii a s akými molekulami sa svetelný lúč na svojej ceste stretáva, pretože Vplyvom svetla sú molekuly rôznych látok rôzne polarizované. Práve na tejto závislosti je založená refraktometrická metóda.
Táto metóda má množstvo výhod, v dôsledku ktorých našla široké uplatnenie ako v chemickom výskume, tak aj pri riadení technologických procesov.
1) Meranie indexov lomu je veľmi jednoduchý proces, ktorá sa vykonáva presne a s minimálnym časom a množstvom látky.
2) Refraktometre zvyčajne poskytujú presnosť až 10 % pri určovaní indexu lomu svetla a obsahu analytu
Metóda refraktometrie sa používa na kontrolu pravosti a čistoty, na identifikáciu jednotlivých látok a na stanovenie štruktúry organických a anorganických zlúčenín pri štúdiu roztokov. Refraktometria sa používa na stanovenie zloženia dvojzložkových roztokov a pre ternárne systémy.
Fyzikálne základy metóda
INDEX LOMU.
Čím väčší je rozdiel v rýchlosti šírenia svetla v oboch, tým väčšia je odchýlka svetelného lúča od jeho pôvodného smeru pri prechode z jedného média do druhého.
tieto prostredia.
Uvažujme lom svetelného lúča na hranici dvoch priehľadných médií I a II (pozri obr.). Súhlasíme s tým, že médium II má väčšiu refrakčnú silu, a preto n 1 A n 2- ukazuje lom odpovedajúceho média. Ak médium I nie je vákuum alebo vzduch, potom pomer sin uhla dopadu svetelného lúča k sin uhlu lomu dá hodnotu relatívneho indexu lomu n rel. Hodnota n rel. možno definovať aj ako pomer indexov lomu uvažovaného média.
n rel. = ----- = ---
Hodnota indexu lomu závisí od
1) povaha látok
Povaha látky je v tomto prípade určená stupňom deformovateľnosti jej molekúl vplyvom svetla – mierou polarizovateľnosti. Čím intenzívnejšia je polarizácia, tým silnejší je lom svetla.
2)vlnová dĺžka dopadajúceho svetla
Meranie indexu lomu sa uskutočňuje pri vlnovej dĺžke svetla 589,3 nm (čiara D sodíkového spektra).
Závislosť indexu lomu od vlnovej dĺžky svetla sa nazýva disperzia. Čím je vlnová dĺžka kratšia, tým je lom väčší. Preto sa lúče rôznych vlnových dĺžok lámu rôzne.
3)teplota , pri ktorej sa meranie vykonáva. Predpokladom na určenie indexu lomu je poddajnosť teplotný režim. Zvyčajne sa stanovenie vykonáva pri 20 ± 0,3 0 C.
Keď teplota stúpa, index lomu klesá, keď teplota klesá, zvyšuje sa..
Korekcia vplyvov teploty sa vypočíta podľa tohto vzorca:
nt = n20 + (20-t) 0,0002, kde
n t – Zbohom index lomu pri danej teplote,
n 20 - index lomu pri 20 0 C
Vplyv teploty na hodnoty indexov lomu plynov a kvapalín je spojený s hodnotami ich koeficientov objemovej expanzie. Objem všetkých plynov a kvapalín sa pri zahrievaní zvyšuje, hustota klesá a v dôsledku toho sa indikátor znižuje
Index lomu meraný pri 20 °C a vlnovej dĺžke svetla 589,3 nm je označený indexom n D 20
Závislosť indexu lomu homogénneho dvojzložkového systému od jeho stavu sa stanoví experimentálne stanovením indexu lomu pre množstvo štandardných systémov (napríklad roztokov), ktorých obsah zložiek je známy.
4) koncentrácia látky v roztoku.
Pre veľa vodné roztoky látky, indexy lomu pri rôznych koncentráciách a teplotách sa spoľahlivo merajú a v týchto prípadoch možno použiť referenčné údaje refraktometrických tabuliek. Prax ukazuje, že keď obsah rozpustenej látky nepresahuje 10-20%, spolu s grafickou metódou je v mnohých prípadoch možné použiť lineárna rovnica ako:
n=n o +FC,
n- index lomu roztoku,
č- index lomu čistého rozpúšťadla,
C- koncentrácia rozpustenej látky, %
F-empirický koeficient, ktorého hodnota sa zistí
stanovením indexu lomu roztokov známej koncentrácie.
REFRAKTOMETRE.
Refraktometre sú prístroje používané na meranie indexu lomu. Existujú 2 typy týchto zariadení: refraktometer typu Abbe a typ Pulfrich. V oboch prípadoch sú merania založené na určení maximálneho uhla lomu. V praxi sa používajú refraktometre rôzne systémy: laboratórne-RL, univerzálne RLU atď.
Index lomu destilovanej vody je n 0 = 1,33299, ale prakticky sa tento ukazovateľ považuje za referenčný ako n 0 =1,333.
Princíp činnosti refraktometrov je založený na stanovení indexu lomu metódou limitného uhla (uhol úplného odrazu svetla).
Ručný refraktometer
Abbeho refraktometer
Lístok 75.
Zákon odrazu svetla: dopadajúci a odrazený lúč, ako aj kolmica na rozhranie medzi dvoma prostrediami, rekonštruované v bode dopadu lúča, ležia v rovnakej rovine (rovine dopadu). Uhol odrazu γ sa rovná uhlu dopadu α.
Zákon lomu svetla: dopadajúce a lomené lúče, ako aj kolmica na rozhranie medzi dvoma médiami, rekonštruované v bode dopadu lúča, ležia v rovnakej rovine. Pomer sínusu uhla dopadu α k sínusu uhla lomu β je konštantná hodnota pre dve dané prostredia:
Zákony odrazu a lomu sú vysvetlené vo vlnovej fyzike. Podľa vlnových konceptov je refrakcia dôsledkom zmien rýchlosti šírenia vĺn pri prechode z jedného média do druhého. Fyzikálny význam indexu lomu je pomer rýchlosti šírenia vĺn v prvom prostredí υ 1 k rýchlosti ich šírenia v druhom prostredí υ 2:
Obrázok 3.1.1 znázorňuje zákony odrazu a lomu svetla.
Prostredie s nižším absolútnym indexom lomu sa nazýva opticky menej husté.
Keď svetlo prechádza z opticky hustejšieho prostredia do opticky menej hustého prostredia n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать fenomén úplného odrazu, teda zmiznutie lomeného lúča. Tento jav je pozorovaný pri uhloch dopadu presahujúcich určitý kritický uhol α pr, ktorý sa nazýva hraničný uhol celkového vnútorného odrazu(pozri obr. 3.1.2).
Pre uhol dopadu α = α pr sin β = 1; hodnota sin α pr = n 2 / n 1< 1.
Ak je druhým médiom vzduch (n 2 ≈ 1), potom je vhodné prepísať vzorec do tvaru
Fenomén úplného vnútorného odrazu sa využíva v mnohých optických zariadeniach. Najzaujímavejšou a prakticky najdôležitejšou aplikáciou je vytváranie optických vlákien, čo sú tenké (od niekoľkých mikrometrov až po milimetre) ľubovoľne zakrivené vlákna z opticky priehľadného materiálu (sklo, kremeň). Svetlo dopadajúce na koniec svetlovodu sa môže pohybovať pozdĺž neho na veľké vzdialenosti v dôsledku úplného vnútorného odrazu od bočných plôch (obrázok 3.1.3). Vedecký a technický smer, ktorý sa podieľa na vývoji a aplikácii optických svetlovodov, sa nazýva vláknová optika.
Disperzia svetla (rozklad svetla)- ide o jav spôsobený závislosťou absolútneho indexu lomu látky od frekvencie (alebo vlnovej dĺžky) svetla (frekvenčná disperzia), alebo to isté, o závislosť fázovej rýchlosti svetla v látke od vlnová dĺžka (alebo frekvencia). Experimentálne ho objavil Newton okolo roku 1672, hoci teoreticky celkom dobre vysvetlené oveľa neskôr.
Priestorový rozptyl sa nazýva závislosť tenzora dielektrickej konštanty prostredia na vlnový vektor. Táto závislosť spôsobuje množstvo javov nazývaných efekty priestorovej polarizácie.
Jeden z najviac názorné príklady odchýlky - rozklad bieleho svetla pri prechode hranolom (Newtonov experiment). Podstatou disperzného javu je rozdiel v rýchlosti šírenia svetelných lúčov rôznych vlnových dĺžok v priehľadnej látke – optickom prostredí (zatiaľ čo vo vákuu je rýchlosť svetla vždy rovnaká, bez ohľadu na vlnovú dĺžku a teda farbu). Typicky, čím vyššia je frekvencia svetelnej vlny, tým vyšší je index lomu média a tým nižšia je rýchlosť vlny v médiu:
Newtonove experimenty Experiment s rozkladom bieleho svetla na spektrum: 
Newton nasmeroval lúč slnečné svetlo cez malý otvor na sklenený hranol. Pri dopade na hranol sa lúč lámal a na protiľahlej stene dával podlhovastý obraz s dúhovým striedaním farieb - spektrum. Experimentujte s prechodom monochromatického svetla cez hranol:
Newton na ceste slnečný lúč Umiestnil som červené sklo, za ktoré som dostával monochromatické svetlo (červené), potom hranol a na obrazovke som pozoroval len červenú škvrnu zo svetelného lúča. Skúsenosti so syntézou (výrobou) bieleho svetla: Najprv Newton nasmeroval lúč slnečného svetla na hranol. Potom, keď Newton zozbieral farebné lúče vychádzajúce z hranola pomocou zbernej šošovky, namiesto farebného pruhu dostal biely obraz diery na bielej stene. Newtonove závery:- hranol nemení svetlo, ale iba ho rozkladá na jeho zložky - farebne sa líšiace svetelné lúče sa líšia stupňom lomu; Fialové lúče sa lámu najsilnejšie, červené menej - červené svetlo, ktoré sa láme menej, má najväčšiu rýchlosť a fialové najmenej, preto hranol rozkladá svetlo. Závislosť indexu lomu svetla od jeho farby sa nazýva disperzia.
Závery:- hranol rozkladá svetlo - biele svetlo je zložité (zložené) - fialové lúče sa lámu silnejšie ako červené. Farba svetelného lúča je určená frekvenciou jeho vibrácií. Pri prechode z jedného média do druhého sa rýchlosť svetla a vlnová dĺžka mení, ale frekvencia, ktorá určuje farbu, zostáva konštantná. Hranice rozsahov bieleho svetla a jeho zložiek sú zvyčajne charakterizované ich vlnovými dĺžkami vo vákuu. Biele svetlo je súbor vĺn s dĺžkami od 380 do 760 nm.
Lístok 77.
Absorpcia svetla. Bouguerov zákon
Absorpcia svetla v látke je spojená s premenou energie elektromagnetického poľa vlny v termálna energia látok (alebo do energie sekundárneho fotoluminiscenčného žiarenia). Zákon absorpcie svetla (Bouguerov zákon) má tvar:
Ja = ja 0 exp(- X),(1)
Kde ja 0 , ja- intenzita svetla na vstupe (x=0) a ponechanie vrstvy strednej hrúbky X, - absorpčný koeficient, závisí od .
Pre dielektrikum =10 -1 10 -5 m -1 , pre kovy =10 5 10 7 m -1 , Preto sú kovy pre svetlo nepriepustné.
Závislosť ( ) vysvetľuje farbu absorbujúcich telies. Napríklad sklo, ktoré slabo pohlcuje červené svetlo, sa pri osvetlení bielym svetlom javí ako červené.
Rozptyl svetla. Rayleighov zákon
K difrakcii svetla môže dochádzať v opticky nehomogénnom prostredí, napríklad v zakalenom prostredí (dym, hmla, prašný vzduch a pod.). Difrakciou na nehomogenitách média vytvárajú svetelné vlny difrakčný obrazec charakterizovaný pomerne rovnomerným rozložením intenzity vo všetkých smeroch.
Táto difrakcia malými nehomogenitami sa nazýva rozptyl svetla.
Tento jav sa pozoruje, keď úzky lúč slnečného svetla prechádza prašným vzduchom, rozptýli sa na prachových časticiach a stane sa viditeľným.
Ak sú veľkosti nehomogenít malé v porovnaní s vlnovou dĺžkou (nie viac ako 0,1 ), potom sa intenzita rozptýleného svetla ukáže ako nepriamo úmerná štvrtej mocnine vlnovej dĺžky, t.j.
ja diss ~ 1/ 4 , (2)
táto závislosť sa nazýva Rayleighov zákon.
Rozptyl svetla sa pozoruje aj v čistých médiách, ktoré neobsahujú cudzie častice. Napríklad sa môže vyskytnúť pri fluktuáciách (náhodných odchýlkach) hustoty, anizotropie alebo koncentrácie. Tento typ rozptylu sa nazýva molekulárny rozptyl. Vysvetľuje napríklad modrú farbu oblohy. V skutočnosti sú podľa (2) modré a modré lúče rozptýlené silnejšie ako červené a žlté, pretože majú kratšiu vlnovú dĺžku, čo spôsobuje modrú farbu oblohy.
Lístok 78.
Polarizácia svetla- súbor javov vlnovej optiky, v ktorých sa prejavuje priečny charakter elektromagnetických svetelných vĺn. Priečna vlna- častice média kmitajú v smeroch kolmých na smer šírenia vlny ( Obr.1).
Obr.1 Priečna vlna
Elektromagnetická svetelná vlna rovinne polarizované(lineárna polarizácia), ak sú smery oscilácií vektorov E a B striktne fixné a ležia v určitých rovinách ( Obr.1). Nazýva sa rovinná polarizovaná svetelná vlna rovinne polarizované(lineárne polarizované) svetlo. Nepolarizované(prirodzená) vlna - elektromagnetická svetelná vlna, v ktorej smery kmitania vektorov E a B v tejto vlne môžu ležať v ľubovoľných rovinách kolmých na vektor rýchlosti v. Nepolarizované svetlo- svetelné vlny, v ktorých sa chaoticky menia smery kmitov vektorov E a B tak, že všetky smery kmitov v rovinách kolmých na lúč šírenia vĺn sú rovnako pravdepodobné ( Obr.2).
Obr.2 Nepolarizované svetlo
Polarizované vlny- v ktorom smery vektorov E a B zostávajú v priestore nezmenené alebo sa menia podľa určitého zákona. Žiarenie, v ktorom sa smer vektora E chaoticky mení - nepolarizované. Príkladom takéhoto žiarenia je tepelné žiarenie (chaoticky rozložené atómy a elektróny). Rovina polarizácie- je to rovina kolmá na smer kmitov vektora E. Hlavným mechanizmom vzniku polarizovaného žiarenia je rozptyl žiarenia elektrónmi, atómami, molekulami a prachovými časticami.
1.2. Typy polarizácie Existujú tri typy polarizácie. Dajme im definície. 1. Lineárne Nastane, ak si elektrický vektor E zachová svoju polohu v priestore. Zdá sa, že zvýrazňuje rovinu, v ktorej vektor E osciluje. 2. Kruhový Ide o polarizáciu, ku ktorej dochádza, keď sa elektrický vektor E otáča okolo smeru šírenia vlny s uhlovou rýchlosťou rovnajúcou sa uhlovej frekvencii vlny, pričom si zachováva svoju absolútnu hodnotu. Táto polarizácia charakterizuje smer rotácie vektora E v rovine kolmej na priamku pohľadu. Príkladom je cyklotrónové žiarenie (systém elektrónov rotujúcich v magnetickom poli). 3. Eliptický Vzniká vtedy, keď sa veľkosť elektrického vektora E zmení tak, že opisuje elipsu (otočenie vektora E). Eliptická a kruhová polarizácia môže byť pravotočivá (vektor E sa otáča v smere hodinových ručičiek pri pohľade smerom k šíriacej sa vlne) a ľavotočivá (vektor E sa otáča proti smeru hodinových ručičiek pri pohľade smerom k šíriacej sa vlne).
V skutočnosti sa vyskytuje najčastejšie čiastočná polarizácia (čiastočne polarizované elektromagnetické vlny). Kvantitatívne sa vyznačuje určitou veličinou tzv stupeň polarizácie R, ktorý je definovaný ako: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Kde Imax,Immin- najvyššia a najnižšia hustota toku elektromagnetickej energie cez analyzátor (Polaroid, Nicolas hranol...). V praxi sa polarizácia žiarenia často popisuje pomocou Stokesových parametrov (určujú toky žiarenia s daným smerom polarizácie).
Lístok 79.
Ak prirodzené svetlo dopadá na rozhranie medzi dvoma dielektrikami (napríklad vzduchom a sklom), potom sa jeho časť odráža a časť sa láme a šíri sa v druhom prostredí. Inštaláciou analyzátora (napríklad turmalínu) do dráhy odrazených a lomených lúčov zabezpečíme, že odrazené a lomené lúče sú čiastočne polarizované: keď sa analyzátor otáča okolo lúčov, intenzita svetla sa periodicky zvyšuje a zoslabuje ( nie je pozorované úplné ochladenie!). Ďalšie štúdie ukázali, že v odrazenom lúči prevládajú vibrácie kolmé na rovinu dopadu (na obr. 275 sú označené bodkami), zatiaľ čo v lomenom zväzku prevládajú vibrácie rovnobežné s rovinou dopadu (znázornené šípkami).
Stupeň polarizácie (stupeň oddelenia svetelných vĺn s určitou orientáciou elektrického (a magnetického) vektora) závisí od uhla dopadu lúčov a indexu lomu. Škótsky fyzik D. Brewster(1781-1868) inštalovaný zákona, podľa ktorého pri uhle dopadu i B (Brewsterov uhol), určený vzťahom
(n 21 - index lomu druhého média vo vzťahu k prvému), odrazený lúč je rovinne polarizovaný(obsahuje len vibrácie kolmé na rovinu dopadu) (obr. 276). Lomený lúč pod uhlom dopadui B polarizované na maximum, ale nie úplne.
Ak svetlo dopadá na rozhranie v Brewsterovom uhle, potom odrazené a lomené lúče vzájomne kolmé(tg i B = hriech i B/cos i B, n 21 = hriech i B / hriech i 2 (i 2 - uhol lomu), odkiaľ pochádza cos i B = hriech i 2). teda i B + i 2 = /2, ale i’ B= i B (zákon odrazu), teda i’ B+ i 2 = /2.
Stupeň polarizácie odrazeného a lomeného svetla pri rôznych uhloch dopadu možno vypočítať z Maxwellových rovníc, ak zoberieme do úvahy okrajové podmienky pre elektromagnetické pole na rozhraní dvoch izotropných dielektrík (tzv. Fresnelove vzorce).
Stupeň polarizácie lomeného svetla možno výrazne zvýšiť (viacnásobným lomom za predpokladu, že svetlo dopadá zakaždým na rozhranie pod Brewsterovým uhlom). Ak napríklad pre sklo ( n= 1.53) je stupeň polarizácie lomeného lúča 15%, potom po lomení na 8-10 sklenených platní na seba navrstvených bude svetlo vychádzajúce z takéhoto systému takmer úplne polarizované. Takáto kolekcia tanierov je tzv noha. Noha môže byť použitá na analýzu polarizovaného svetla počas jeho odrazu aj počas jeho lomu.
Lístok 79 (pre Spur)
Ako ukazuje skúsenosť, počas lomu a odrazu svetla sa lomené a odrazené svetlo ukáže ako polarizované a odraz. svetlo môže byť pri určitom uhle dopadu úplne polarizované, ale náhodne. svetlo je vždy čiastočne polarizované Na základe Frinellových vzorcov je možné ukázať, že odraz. Svetlo je polarizované v rovine kolmej na rovinu dopadu a láme sa. svetlo je polarizované v rovine rovnobežnej s rovinou dopadu.
Uhol dopadu, pri ktorom dochádza k odrazu svetlo je úplne polarizované sa nazýva Brewsterov uhol je určený z Brewsterovho zákona: - Brewsterov zákon v tomto prípade uhol medzi odrazmi. a lom. lúče budú rovnaké Pre systém vzduch-sklo je Brewsterov uhol rovnaký, aby sa dosiahla dobrá polarizácia, t.j. , pri lámaní svetla sa používa veľa jedlých povrchov, ktoré sa nazývajú Stoletovova zastávka.
Lístok 80.
Skúsenosti ukazujú, že pri interakcii svetla s hmotou je hlavný efekt (fyziologický, fotochemický, fotoelektrický atď.) spôsobený osciláciami vektora, ktorý sa v tejto súvislosti niekedy nazýva svetelný vektor. Preto sa na opis vzorcov polarizácie svetla sleduje správanie vektora.
Rovina tvorená vektormi a nazýva sa rovina polarizácie.
Ak sa oscilácie vektorov vyskytujú v jednej pevnej rovine, potom sa takéto svetlo (lúč) nazýva lineárne polarizované. Bežne sa označuje nasledovne. Ak je lúč polarizovaný v kolmej rovine (v rovine xoz, pozri obr. 2 v druhej prednáške), potom je určený.
Prirodzené svetlo (z bežných zdrojov, slnko) pozostáva z vĺn, ktoré majú rôzne, chaoticky rozložené roviny polarizácie (pozri obr. 3).
Prirodzené svetlo sa niekedy takto bežne označuje. Nazýva sa aj nepolarizovaný.
Ak sa pri šírení vlny vektor otáča a koniec vektora opisuje kruh, potom sa takéto svetlo nazýva kruhovo polarizované a polarizácia sa nazýva kruhová alebo kruhová (pravá alebo ľavá). Existuje aj eliptická polarizácia.
Existujú optické zariadenia (filmy, platne atď.) - polarizátory, ktoré extrahujú lineárne polarizované svetlo alebo čiastočne polarizované svetlo z prirodzeného svetla.
Polarizátory používané na analýzu polarizácie svetla sa nazývajú analyzátory.
Rovina polarizátora (alebo analyzátora) je rovina polarizácie svetla prenášaného polarizátorom (alebo analyzátorom).
Nechajte lineárne polarizované svetlo s amplitúdou dopadať na polarizátor (alebo analyzátor) E 0 Amplitúda prechádzajúceho svetla bude rovná E=E 0 cos j a intenzitu Ja = ja 0 čo 2 j.
Tento vzorec vyjadruje Malusov zákon:
Intenzita lineárne polarizovaného svetla prechádzajúceho cez analyzátor je úmerná druhej mocnine kosínusu uhla j medzi rovinou oscilácie dopadajúceho svetla a rovinou analyzátora.
Lístok 80 (na podnet)
Polarizátory sú zariadenia, ktoré umožňujú získať polarizované svetlo polarizátor, ak je svetlo prirodzené -th, potom sú všetky smery vektora E rovnako pravdepodobné. Každý vektor možno rozložiť na dve navzájom kolmé zložky: jedna z nich je rovnobežná s rovinou polarizácie polarizátora a druhá je kolmá na. to.
Je zrejmé, že intenzita svetla vychádzajúceho z polarizátora bude rovnaká, ak je na dráhe polarizovaného svetla, ktorého hlavná rovina tvorí, umiestnený analyzátor uhla s hlavnou rovinou polarizátora, potom je intenzita svetla vychádzajúceho z analyzátora určená zákonom.
Lístok 81.
Sovietsky fyzik P. A. Čerenkov pri štúdiu žiary roztoku uránových solí pod vplyvom rádiových lúčov upozornil na skutočnosť, že žiari aj samotná voda, v ktorej nie sú žiadne uránové soli. Ukázalo sa, že keď lúče (pozri Gama žiarenie) prechádzajú čistými kvapalinami, všetky začnú žiariť. S. I. Vavilov, pod vedením ktorého pracoval P. A. Čerenkov, vyslovil hypotézu, že žiara súvisí s pohybom elektrónov vyrazených z atómov kvantami rádia. Žiara skutočne silne závisela od smeru magnetického poľa v kvapaline (to naznačuje, že bola spôsobená pohybom elektrónov).
Prečo však elektróny pohybujúce sa v kvapaline vyžarujú svetlo? Správnu odpoveď na túto otázku dali v roku 1937 sovietski fyzici I.E. Tamm a I.M. Frank.
Elektrón, ktorý sa pohybuje v látke, interaguje s atómami, ktoré ho obklopujú. Vplyvom jeho elektrického poľa sa atómové elektróny a jadrá premiestňujú v opačných smeroch - médium je polarizované. Polarizované a potom sa vracajúce do pôvodného stavu, atómy média umiestnené pozdĺž elektrónovej trajektórie vyžarujú elektromagnetické svetelné vlny. Ak je rýchlosť elektrónu v menšia ako rýchlosť šírenia svetla v médiu (index lomu), potom elektromagnetické pole predbehne elektrón a látka bude mať čas na polarizáciu v priestore pred elektrónom. Polarizácia prostredia pred elektrónom a za ním je v opačnom smere a žiarenie opačne polarizovaných atómov, „sčítané“, sa navzájom „uhasí“. Keď atómy, ktoré ešte elektrón nedosiahol, sa nestihnú polarizovať a žiarenie sa objaví nasmerované pozdĺž úzkej kužeľovej vrstvy s vrcholom zhodným s pohybujúcim sa elektrónom a uhlom na vrchole c. Vzhľad svetelného "kužeľa" a stav žiarenia možno získať z všeobecné zásadyšírenie vĺn.
Ryža. 1. Mechanizmus vzniku vlnoplochy
Nechajte elektrón pohybovať sa pozdĺž osi OE (pozri obr. 1) veľmi úzkeho prázdneho kanála v homogénnej priehľadnej látke s indexom lomu (prázdny kanál je potrebný, aby sa nezohľadnili kolízie elektrónu s atómami v teoretická úvaha). Akýkoľvek bod na čiare OE postupne obsadený elektrónom bude stredom emisie svetla. Vlny vychádzajúce z po sebe nasledujúcich bodov O, D, E sa navzájom rušia a sú zosilnené, ak je fázový rozdiel medzi nimi nulový (pozri Interferencia). Táto podmienka je splnená pre smer, ktorý zviera s dráhou elektrónu uhol 0. Uhol 0 je určený vzťahom:.
Uvažujme skutočne dve vlny emitované v smere pod uhlom 0 k rýchlosti elektrónu z dvoch bodov trajektórie - bodu O a bodu D, oddelených vzdialenosťou. V bode B, ležiacom na priamke BE, kolmej na OB, prvá vlna na - po čase Do bodu F, ležiaceho na priamke BE, vlna vyžarovaná z bodu dorazí v okamihu po vlne vyžarovanej z bodu O Tieto dve vlny budú vo fáze, t.j. priamka bude čelom vlny, ak sú tieto časy rovnaké:. To dáva podmienku rovnosti časov. Vo všetkých smeroch, pre ktoré bude svetlo zhasnuté v dôsledku interferencie vĺn vyžarovaných z úsekov trajektórie oddelených vzdialenosťou D. Hodnota D je určená zrejmou rovnicou, kde T je perióda oscilácií svetla. Táto rovnica má vždy riešenie, ak.
Ak , potom smer, v ktorom sú emitované vlny pri interferencii zosilnené, neexistuje a nemôže byť väčší ako 1.
Ryža. 2. Rozloženie zvukových vĺn a vznik rázovej vlny pri pohybe tela
Žiarenie sa pozoruje iba vtedy, ak .
Experimentálne elektróny lietajú v konečnom priestorovom uhle s určitou rýchlosťou a v dôsledku toho sa žiarenie šíri v kužeľovej vrstve blízko hlavného smeru určeného uhlom.
V našej úvahe sme zanedbali spomalenie elektrónov. To je celkom prijateľné, pretože straty spôsobené žiarením Vavilov-Čerenkov sú malé a na prvé priblíženie môžeme predpokladať, že energia stratená elektrónom neovplyvňuje jeho rýchlosť a pohybuje sa rovnomerne. Toto je základný rozdiel a nezvyčajnosť Vavilov-Čerenkovovho žiarenia. Náboje sa zvyčajne vyžarujú pri výraznom zrýchlení.
Elektrón predbiehajúci svoje svetlo je podobný lietadlu letiacemu rýchlosťou vyššou ako rýchlosť zvuku. Kužeľový výboj sa v tomto prípade šíri aj pred lietadlom. zvuková vlna, (pozri obr. 2).
Tento článok odhaľuje podstatu takejto koncepcie optiky, ako je index lomu. Vzorce na získanie tejto hodnoty sú uvedené, dané krátka recenzia aplikácia fenoménu lomu elektromagnetických vĺn.
Videnie a index lomu
Na úsvite civilizácie si ľudia kládli otázku: ako vidí oko? Predpokladalo sa, že človek vyžaruje lúče, ktoré cítia okolité predmety, alebo naopak, všetky veci takéto lúče vyžarujú. Odpoveď na túto otázku dostala v sedemnástom storočí. Nachádza sa v optike a súvisí s tým, čo je index lomu. Svetlo, ktoré sa odráža od rôznych nepriehľadných povrchov a láme sa na hranici s priehľadnými, dáva človeku príležitosť vidieť.
Svetlo a index lomu
Naša planéta je zahalená svetlom Slnka. A práve s vlnovou povahou fotónov sa takýto koncept ako absolútny ukazovateľ lom. Fotón, ktorý sa šíri vo vákuu, nenarazí na žiadne prekážky. Na planéte sa svetlo stretáva s mnohými rôznymi hustejšími prostrediami: atmosféra (zmes plynov), voda, kryštály. Keďže ide o elektromagnetické vlnenie, fotóny svetla majú vo vákuu jednu fázovú rýchlosť (označené ako c) a v životnom prostredí - ďalšie (označené v). Pomer prvého a druhého je to, čo sa nazýva absolútny index lomu. Vzorec vyzerá takto: n = c / v.
Fázová rýchlosť
Stojí za to definovať fázovú rýchlosť elektromagnetického média. V opačnom prípade pochopte, čo je index lomu n, je zakázané. Fotón svetla je vlna. To znamená, že môže byť reprezentovaný ako balík energie, ktorý osciluje (predstavte si segment sínusovej vlny). Fáza je segment sínusoidy, ktorým vlna prechádza v danom časovom okamihu (nezabudnite, že je to dôležité pre pochopenie takej veličiny, akou je index lomu).
Fáza môže byť napríklad maximum sínusoidy alebo niektorého segmentu jej sklonu. Fázová rýchlosť vlny je rýchlosť, ktorou sa daná fáza pohybuje. Ako vysvetľuje definícia indexu lomu, tieto hodnoty sa líšia pre vákuum a pre médium. Navyše, každé prostredie má svoju vlastnú hodnotu tejto veličiny. Akákoľvek transparentná zlúčenina, bez ohľadu na jej zloženie, má index lomu, ktorý sa líši od všetkých ostatných látok.
Absolútny a relatívny index lomu
Už vyššie bolo ukázané, že absolútna hodnota sa meria vzhľadom na vákuum. Na našej planéte je to však ťažké: svetlo častejšie dopadá na hranicu vzduchu a vody alebo kremeňa a spinelu. Pre každé z týchto médií, ako je uvedené vyššie, je index lomu odlišný. Vo vzduchu sa fotón svetla pohybuje jedným smerom a má jednu fázovú rýchlosť (v 1), ale keď sa dostane do vody, zmení smer šírenia a fázovú rýchlosť (v 2). Oba tieto smery však ležia v rovnakej rovine. Je to veľmi dôležité pre pochopenie toho, ako sa obraz okolitého sveta vytvára na sietnici oka alebo na matrici fotoaparátu. Pomer dvoch absolútnych hodnôt udáva relatívny index lomu. Vzorec vyzerá takto: n 12 = v 1 / v 2.
Ale čo ak svetlo naopak vychádza z vody a dostáva sa do vzduchu? Potom bude táto hodnota určená vzorcom n 21 = v 2 / v 1. Pri vynásobení relatívnych indexov lomu dostaneme n 21 * n 12 = (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) = 1. Tento vzťah platí pre akúkoľvek dvojicu médií. Relatívny index lomu možno zistiť zo sínusov uhlov dopadu a lomu n 12 = sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2. Nezabudnite, že uhly sa merajú od normály k povrchu. Normála je priamka kolmá na povrch. Teda ak je problému daný uhol α pád vzhľadom na samotný povrch, potom musíme vypočítať sínus (90 - α).
Krása indexu lomu a jeho aplikácie
Počas pokojného slnečného dňa sa na dne jazera hrajú odrazy. Skalu pokrýva tmavomodrý ľad. Diamant rozptyľuje tisíce iskier na ženskej ruke. Tieto javy sú dôsledkom toho, že všetky hranice transparentných médií majú relatívny index lomu. Okrem estetického potešenia je možné tento fenomén využiť aj na praktické aplikácie.
Tu sú príklady:
- Sklenená šošovka zbiera lúč slnečného svetla a zapáli trávu.
- Laserový lúč sa zameria na chorý orgán a odreže nepotrebné tkanivo.
- Slnečné svetlo sa láme na starodávnom vitráži a vytvára zvláštnu atmosféru.
- Mikroskop zväčšuje obrazy veľmi malých detailov.
- Šošovky spektrofotometrov zbierajú laserové svetlo odrazené od povrchu skúmanej látky. Týmto spôsobom je možné pochopiť štruktúru a následne vlastnosti nových materiálov.
- Existuje dokonca projekt fotonického počítača, kde sa informácie budú prenášať nie elektrónmi, ako teraz, ale fotónmi. Takéto zariadenie bude určite vyžadovať refrakčné prvky.
Vlnová dĺžka
Slnko nás však zásobuje fotónmi nielen vo viditeľnom spektre. Infračervené, ultrafialové a röntgenové lúče ľudský zrak nevníma, ale ovplyvňujú náš život. IR lúče nás zahrievajú, UV fotóny ionizujú horné vrstvy atmosféry a umožňujú rastlinám produkovať kyslík prostredníctvom fotosyntézy.
A čomu sa rovná index lomu, závisí nielen od látok, medzi ktorými leží hranica, ale aj od vlnovej dĺžky dopadajúceho žiarenia. O akej presnej hodnote hovoríme, je zvyčajne jasné z kontextu. To znamená, že ak kniha skúma röntgenové žiarenie a jeho vplyv na človeka, potom n tam je to definované špeciálne pre tento rozsah. Ale zvyčajne sa myslí viditeľné spektrum elektromagnetické vlny, pokiaľ nie je uvedené inak.
Index lomu a odraz
Ako je zrejmé z toho, čo bolo napísané vyššie, hovoríme o o transparentných médiách. Ako príklady sme uviedli vzduch, vodu a diamant. Ale čo drevo, žula, plast? Existuje pre nich niečo ako index lomu? Odpoveď je zložitá, ale vo všeobecnosti - áno.
V prvom rade by sme mali zvážiť, s akým druhom svetla máme do činenia. Tie médiá, ktoré sú nepriehľadné pre viditeľné fotóny, sú prerezané röntgenovým alebo gama žiarením. To znamená, že ak by sme boli všetci supermani, potom by bol pre nás celý svet okolo nás transparentný, ale v rôznej miere. Napríklad steny z betónu by neboli hustejšie ako želé, ale kovové armatúry bude vyzerať ako kúsky hustejšieho ovocia.
Pre ostatných elementárne častice, mióny, naša planéta je vo všeobecnosti priehľadná skrz naskrz. Kedysi mali vedci veľa problémov s dokazovaním samotnej skutočnosti ich existencie. Každú sekundu nás prepichnú milióny miónov, ale pravdepodobnosť, že sa jedna častica zrazí s hmotou, je veľmi malá a je veľmi ťažké to zistiť. Mimochodom, Bajkal sa čoskoro stane miestom na „chytanie“ miónov. Je hlboká a čistá voda ideálne na to - najmä v zime. Hlavná vec je, že snímače nezamŕzajú. Takže index lomu betónu, napríklad pre röntgenové fotóny, dáva zmysel. Navyše ožarovanie látky röntgenovými lúčmi je jedným z najpresnejších a najdôležitejších spôsobov štúdia štruktúry kryštálov.
Je tiež potrebné pripomenúť, že v matematickom zmysle majú látky, ktoré sú pre daný rozsah nepriehľadné, imaginárny index lomu. Nakoniec musíme pochopiť, že teplota látky môže tiež ovplyvniť jej priehľadnosť.
