Les lois de la physique jouent un rôle très important lors de la réalisation de calculs pour planifier une stratégie spécifique de production de tout produit ou lors de l'élaboration d'un projet de construction de structures à des fins diverses. De nombreuses quantités sont calculées, c'est pourquoi les mesures et les calculs sont effectués avant le début des travaux de planification. Par exemple, l'indice de réfraction du verre est égal au rapport du sinus de l'angle d'incidence au sinus de l'angle de réfraction.
Il y a donc d’abord le processus de mesure des angles, puis leur sinus est calculé et ce n’est qu’alors que la valeur souhaitée peut être obtenue. Malgré la disponibilité de données tabulaires, il vaut la peine d'effectuer des calculs supplémentaires à chaque fois, car les ouvrages de référence utilisent souvent des conditions idéales, presque impossibles à réaliser dans la vie réelle. Par conséquent, en réalité, l'indicateur sera nécessairement différent du tableau, et dans certaines situations, cela revêt une importance fondamentale.
Indicateur absolu
L'indice de réfraction absolu dépend de la marque du verre, car dans la pratique, il existe un grand nombre d'options qui diffèrent par leur composition et leur degré de transparence. En moyenne, il est de 1,5 et fluctue autour de cette valeur de 0,2 dans un sens ou dans l'autre. Dans de rares cas, des écarts par rapport à ce chiffre peuvent survenir.
Encore une fois, si un indicateur précis est important, des mesures supplémentaires ne peuvent être évitées. Mais ils ne donnent pas non plus un résultat fiable à 100 %, puisque la valeur finale sera influencée par la position du soleil dans le ciel et la nébulosité le jour de la mesure. Heureusement, dans 99,99 % des cas, il suffit simplement de savoir que l'indice de réfraction d'un matériau tel que le verre est supérieur à un et inférieur à deux, et que tous les autres dixièmes et centièmes n'ont pas d'importance.
Sur les forums qui aident à résoudre des problèmes de physique, la question revient souvent : quel est l'indice de réfraction du verre et du diamant ? Beaucoup de gens pensent que puisque ces deux substances ont une apparence similaire, leurs propriétés devraient être à peu près les mêmes. Mais c'est une idée fausse.
La réfraction maximale du verre sera d'environ 1,7, tandis que pour le diamant, cet indicateur atteint 2,42. Cette pierre précieuse est l'un des rares matériaux sur Terre dont l'indice de réfraction dépasse 2. Cela est dû à sa structure cristalline et au niveau élevé de diffusion des rayons lumineux. La coupe joue un rôle minime dans les modifications de la valeur du tableau.
Indicateur relatif
L'indicateur relatif pour certains environnements peut être caractérisé comme suit :
- - l'indice de réfraction du verre par rapport à l'eau est d'environ 1,18 ;
- - l'indice de réfraction du même matériau par rapport à l'air est égal à 1,5 ;
- - indice de réfraction par rapport à l'alcool - 1,1.
Les mesures de l'indicateur et les calculs de la valeur relative sont effectués selon un algorithme bien connu. Pour trouver un paramètre relatif, vous devez diviser une valeur du tableau par une autre. Ou effectuez des calculs expérimentaux pour deux environnements, puis divisez les données obtenues. De telles opérations sont souvent réalisées dans les cours de physique en laboratoire.
Détermination de l'indice de réfraction
Déterminer l'indice de réfraction du verre dans la pratique est assez difficile, car des instruments de haute précision sont nécessaires pour mesurer les données initiales. Toute erreur augmentera, car le calcul utilise des formules complexes qui nécessitent l'absence d'erreurs.
En général, ce coefficient montre combien de fois la vitesse de propagation des rayons lumineux ralentit lors du franchissement d'un certain obstacle. Par conséquent, cela n’est typique que pour les matériaux transparents. L'indice de réfraction des gaz est pris comme valeur de référence, c'est-à-dire comme unité. Cela a été fait pour qu'il soit possible de partir d'une certaine valeur lors des calculs.
Si un rayon de soleil tombe sur la surface d'un verre avec un indice de réfraction égal à la valeur du tableau, il peut alors être modifié de plusieurs manières :
- 1. Collez dessus un film dont l'indice de réfraction sera supérieur à celui du verre. Ce principe est utilisé dans la teinte des vitres des voitures pour améliorer le confort des passagers et permettre au conducteur d'avoir une vision plus claire des conditions de circulation. Le film inhibera également le rayonnement ultraviolet.
- 2. Peignez le verre avec de la peinture. Les fabricants de lunettes de soleil bon marché le font, mais il convient de considérer que cela peut nuire à la vision. Dans les bons modèles, le verre est immédiatement produit coloré à l'aide d'une technologie spéciale.
- 3. Plongez le verre dans un peu de liquide. Ceci n’est utile que pour les expériences.
Si un rayon de lumière passe du verre, l'indice de réfraction du matériau suivant est calculé à l'aide d'un coefficient relatif, qui peut être obtenu en comparant les valeurs du tableau. Ces calculs sont très importants dans la conception de systèmes optiques supportant des charges pratiques ou expérimentales. Les erreurs ici sont inacceptables, car elles entraîneront un fonctionnement incorrect de l'ensemble de l'appareil, et toutes les données obtenues avec son aide seront alors inutiles.
Pour déterminer la vitesse de la lumière dans le verre avec un indice de réfraction, vous devez diviser la valeur absolue de la vitesse dans le vide par l'indice de réfraction. Le vide est utilisé comme milieu de référence car il n’y a pas de réfraction en raison de l’absence de substances susceptibles d’interférer avec le mouvement fluide des rayons lumineux le long d’un trajet donné.
Dans tous les indicateurs calculés, la vitesse sera inférieure à celle du milieu de référence, puisque l'indice de réfraction est toujours supérieur à l'unité.
POUR LA CONFÉRENCE N°24
"MÉTHODES INSTRUMENTALES D'ANALYSE"
RÉFRACTOMÉTRIE.
Littérature:
1. V.D. Ponomarev « Chimie analytique » 1983 246-251
2. Les AA Ishchenko « Chimie analytique » 2004 pp. 181-184
RÉFRACTOMÉTRIE.
La réfractométrie est l'une des méthodes physiques d'analyse les plus simples utilisant une quantité minimale d'analyte et s'effectue dans un délai très court.
Réfractométrie- une méthode basée sur le phénomène de réfraction ou de réfraction c'est-à-dire changer la direction de propagation de la lumière lors du passage d'un milieu à un autre.
La réfraction, ainsi que l'absorption de la lumière, sont une conséquence de son interaction avec le milieu. Le mot réfractométrie signifie mesures réfraction de la lumière, qui est estimée par la valeur de l'indice de réfraction.
Valeur de l'indice de réfraction nça dépend
1) sur la composition des substances et des systèmes,
2) du fait dans quelle concentration et quelles molécules le faisceau lumineux rencontre sur son chemin, car Sous l’influence de la lumière, les molécules de différentes substances sont polarisées différemment. C'est sur cette dépendance que repose la méthode réfractométrique.
Cette méthode présente un certain nombre d'avantages, grâce auxquels elle a trouvé de larges applications à la fois dans la recherche chimique et dans le contrôle des processus technologiques.
1) La mesure des indices de réfraction est un processus très simple qui est effectué avec précision et avec un minimum de temps et de quantité de substance.
2) Généralement, les réfractomètres offrent une précision allant jusqu'à 10 % dans la détermination de l'indice de réfraction de la lumière et du contenu de l'analyte.
La méthode de réfractométrie est utilisée pour contrôler l'authenticité et la pureté, pour identifier des substances individuelles et pour déterminer la structure des composés organiques et inorganiques lors de l'étude de solutions. La réfractométrie est utilisée pour déterminer la composition de solutions à deux composants et pour les systèmes ternaires.
Base physique de la méthode
INDICE DE RÉFRACTION.
Plus la différence de vitesse de propagation de la lumière entre les deux est grande, plus la déviation d'un rayon lumineux par rapport à sa direction d'origine lorsqu'il passe d'un milieu à un autre est grande.
ces environnements.
Considérons la réfraction d'un faisceau lumineux à la limite de deux milieux transparents I et II quelconques (voir Fig.). Admettons que le milieu II a un plus grand pouvoir réfringent et, par conséquent, n°1 Et n°2- montre la réfraction du milieu correspondant. Si le milieu I n'est pas le vide ou l'air, alors le rapport de l'angle d'incidence sin du faisceau lumineux sur l'angle de réfraction sin donnera la valeur de l'indice de réfraction relatif n rel. Valeur n rel. peut également être défini comme le rapport des indices de réfraction du milieu considéré.
n rel. = ----- = ---
La valeur de l'indice de réfraction dépend de
1) nature des substances
La nature d'une substance dans ce cas est déterminée par le degré de déformabilité de ses molécules sous l'influence de la lumière - le degré de polarisabilité. Plus la polarisabilité est intense, plus la réfraction de la lumière est forte.
2)longueur d'onde de la lumière incidente
La mesure de l'indice de réfraction est réalisée à une longueur d'onde lumineuse de 589,3 nm (raie D du spectre du sodium).
La dépendance de l'indice de réfraction sur la longueur d'onde de la lumière est appelée dispersion. Plus la longueur d'onde est courte, plus la réfraction est grande. Par conséquent, les rayons de différentes longueurs d’onde sont réfractés différemment.
3)température , à laquelle la mesure est effectuée. Une condition préalable à la détermination de l'indice de réfraction est le respect du régime de température. Habituellement, la détermination est effectuée à 20 ± 0,3 0 C.
À mesure que la température augmente, l'indice de réfraction diminue ; à mesure que la température diminue, il augmente..
La correction des effets de température est calculée à l'aide de la formule suivante :
n t = n 20 + (20-t) 0,0002, où
n t – Au revoir indice de réfraction à une température donnée,
n 20 - indice de réfraction à 20 0 C
L'influence de la température sur les valeurs des indices de réfraction des gaz et des liquides est associée aux valeurs de leurs coefficients de dilatation volumétrique. Le volume de tous les gaz et liquides augmente lorsqu'il est chauffé, la densité diminue et, par conséquent, l'indicateur diminue
L'indice de réfraction mesuré à 20 0 C et une longueur d'onde lumineuse de 589,3 nm est désigné par l'indice nD 20
La dépendance de l'indice de réfraction d'un système homogène à deux composants sur son état est établie expérimentalement en déterminant l'indice de réfraction pour un certain nombre de systèmes standards (par exemple des solutions), dont la teneur en composants est connue.
4) concentration de la substance en solution.
Pour de nombreuses solutions aqueuses de substances, les indices de réfraction à différentes concentrations et températures sont mesurés de manière fiable, et dans ces cas, des ouvrages de référence peuvent être utilisés tables réfractométriques. La pratique montre que lorsque la teneur en substances dissoutes ne dépasse pas 10-20%, en association avec la méthode graphique, il est dans de nombreux cas possible d'utiliser équation linéaire comme :
n = n o + FC,
n- indice de réfraction de la solution,
Non- indice de réfraction d'un solvant pur,
C- concentration en soluté,%
F-coefficient empirique dont on trouve la valeur
en déterminant les indices de réfraction de solutions de concentration connue.
RÉFRACTOMÈTRES.
Les réfractomètres sont des instruments utilisés pour mesurer l'indice de réfraction. Il existe 2 types de ces appareils : le réfractomètre de type Abbe et le réfractomètre de type Pulfrich. Dans les deux cas, les mesures sont basées sur la détermination de l'angle de réfraction maximal. En pratique, des réfractomètres de différents systèmes sont utilisés : laboratoire-RL, universel RL, etc.
L'indice de réfraction de l'eau distillée est n 0 = 1,33299, mais pratiquement cet indicateur est pris comme référence comme n 0 =1,333.
Le principe de fonctionnement des réfractomètres est basé sur la détermination de l'indice de réfraction par la méthode de l'angle limite (l'angle de réflexion totale de la lumière).
Réfractomètre portatif
Réfractomètre Abbe
Domaines d'application de la réfractométrie.
Conception et principe de fonctionnement du réfractomètre IRF-22.
Le concept d'indice de réfraction.
Plan
Réfractométrie. Caractéristiques et essence de la méthode.
Pour identifier les substances et vérifier leur pureté, ils utilisent
fabricant de réfraction.
Indice de réfraction d'une substance- une valeur égale au rapport des vitesses de phase de la lumière (ondes électromagnétiques) dans le vide et dans le milieu visible.
L'indice de réfraction dépend des propriétés de la substance et de la longueur d'onde
rayonnement électromagnétique. Le rapport du sinus de l'angle d'incidence par rapport à
la normale tracée au plan de réfraction (α) du rayon au sinus de l'angle de réfraction
la réfraction (β) lorsqu'un rayon passe du milieu A au milieu B est appelée indice de réfraction relatif pour cette paire de milieux.
La valeur n est l'indice de réfraction relatif du milieu B selon
par rapport à l'environnement A, et
Indice de réfraction relatif du milieu A par rapport à
L'indice de réfraction d'un rayon incident sur un support issu d'un airless
L'espace est appelé son indice de réfraction absolu ou
simplement l'indice de réfraction d'un milieu donné (tableau 1).
Tableau 1 - Indices de réfraction de divers milieux
Les liquides ont un indice de réfraction compris entre 1,2 et 1,9. Solide
substances 1,3-4,0. Certains minéraux n'ont pas de valeur exacte
pour la réfraction. Sa valeur est dans une certaine « fourchette » et détermine
en raison de la présence d'impuretés dans la structure cristalline, qui déterminent la couleur
cristal.
L'identification d'un minéral par sa « couleur » est difficile. Ainsi, le corindon minéral existe sous forme de rubis, saphir, leucosaphir, différant par
indice de réfraction et couleur. Les corindons rouges sont appelés rubis
(impureté de chrome), bleu incolore, bleu clair, rose, jaune, vert,
violet - saphirs (mélanges de cobalt, de titane, etc.). De couleur claire
Les saphirs blancs ou corindon incolore sont appelés leucosaphir (largement
utilisé en optique comme filtre). L'indice de réfraction de ces cristaux
les aciers se situent dans la plage de 1,757 à 1,778 et constituent la base de l'identification
Figure 3.1 – Rubis Figure 3.2 – Saphir bleu
Les liquides organiques et inorganiques ont également des valeurs d'indice de réfraction caractéristiques qui les caractérisent comme produits chimiques.
Composés russes et qualité de leur synthèse (Tableau 2) :
Tableau 2 - Indices de réfraction de certains liquides à 20 °C
4.2. Réfractométrie : concept, principe.
Une méthode d'étude de substances basée sur la détermination d'un indicateur
(indice) de réfraction (réfraction) est appelé réfractométrie (de
lat. refractus - réfracté et grec. meteo - je mesure). Réfractométrie
(méthode réfractométrique) est utilisée pour identifier les produits chimiques
composés, analyses quantitatives et structurales, détermination des propriétés physiques
paramètres chimiques des substances. Le principe de la réfractométrie mis en œuvre
dans les réfractomètres Abbe, est illustré à la figure 1.
Figure 1 - Principe de la réfractométrie
Le bloc prisme d'Abbe est constitué de deux prismes rectangulaires : éclairage
téliale et mesurant, plié par les faces de l'hypoténuse. Illuminateur-
Ce prisme a une face d'hypoténuse rugueuse (mate) et est destiné
chen pour éclairer un échantillon de liquide placé entre les prismes.
La lumière diffusée traverse une couche plane parallèle du liquide étudié et, étant réfractée dans le liquide, tombe sur le prisme de mesure. Le prisme de mesure est en verre optiquement dense (silex lourd) et possède un indice de réfraction supérieur à 1,7. Pour cette raison, le réfractomètre Abbe mesure n valeurs inférieures à 1,7. L'augmentation de la plage de mesure de l'indice de réfraction ne peut être obtenue qu'en remplaçant le prisme de mesure.
L'échantillon à tester est versé sur la face hypoténuse du prisme de mesure et pressé avec un prisme éclairant. Dans ce cas, un espace de 0,1 à 0,2 mm subsiste entre les prismes dans lesquels se trouve l'échantillon et à travers
qui traverse la lumière réfractée. Pour mesurer l'indice de réfraction
utiliser le phénomène de réflexion interne totale. Il réside dans
suivant.
Si les rayons 1, 2, 3 tombent sur l'interface entre deux milieux, alors en fonction
en fonction de l'angle d'incidence lors de leur observation dans le milieu réfractif sera
Il y a une transition entre les zones d'éclairage différent. C'est connecté
avec une partie de la lumière tombant sur la limite réfractive selon un angle proche de
Kim à 90° par rapport à la normale (faisceau 3). (Figure 2).
Figure 2 – Image des rayons réfractés
Cette partie des rayons n’est pas réfléchie et forme donc un environnement plus léger.
puissance pendant la réfraction. Les rayons avec des angles plus petits subissent également une réflexion
et la réfraction. Par conséquent, une zone de moindre éclairage se forme. En volume
La ligne limite de réflexion interne totale est visible sur la lentille, la position
qui dépend des propriétés réfringentes de l'échantillon.
L'élimination du phénomène de dispersion (coloration de l'interface entre deux zones d'éclairage aux couleurs de l'arc-en-ciel grâce à l'utilisation d'une lumière blanche complexe dans les réfractomètres d'Abbe) est obtenue en utilisant deux prismes Amici dans le compensateur, qui sont montés dans le télescope. . En même temps, une échelle est projetée dans la lentille (Figure 3). Pour l'analyse, 0,05 ml de liquide suffit.
Figure 3 - Vue à travers l'oculaire du réfractomètre. (L'échelle de droite reflète
concentration du composant mesuré en ppm)
En plus de l'analyse d'échantillons monocomposants,
systèmes à deux composants (solutions aqueuses, solutions de substances dans lesquelles
ou solvant). Dans les systèmes idéaux à deux composants (formant
sans changer le volume et la polarisabilité des composants), la dépendance montre
La dépendance de la réfraction sur la composition est proche de linéaire si la composition est exprimée en
fractions volumiques (pour cent)
où : n, n1, n2 - indices de réfraction du mélange et des composants,
V1 et V2 sont les fractions volumiques des composants (V1 + V2 = 1).
L'effet de la température sur l'indice de réfraction est déterminé par deux
facteurs : changement du nombre de particules liquides par unité de volume et
la dépendance de la polarisabilité des molécules à la température. Le deuxième facteur est devenu
ne devient significatif qu'en cas de très grands changements de température.
Le coefficient de température de l'indice de réfraction est proportionnel au coefficient de température de densité. Puisque tous les liquides se dilatent lorsqu’ils sont chauffés, leurs indices de réfraction diminuent à mesure que la température augmente. Le coefficient de température dépend de la température du liquide, mais dans de petits intervalles de température, il peut être considéré comme constant. Pour cette raison, la plupart des réfractomètres n'ont pas de contrôle de température, mais certains modèles le permettent.
thermostatisation de l'eau.
L'extrapolation linéaire de l'indice de réfraction avec les changements de température est acceptable pour de petites différences de température (10 – 20°C).
Une détermination précise de l'indice de réfraction dans de larges plages de température est effectuée à l'aide de formules empiriques de la forme :
nt=n0+à+bt2+…
Pour la réfractométrie de solutions sur de larges plages de concentrations
utiliser des tableaux ou des formules empiriques. Dépendance d'affichage -
indice de réfraction des solutions aqueuses de certaines substances en fonction de la concentration
est proche du linéaire et permet de déterminer les concentrations de ces substances dans
l'eau dans de larges plages de concentrations (Figure 4) en utilisant la réfraction
tomètres.
Figure 4 - Indice de réfraction de certaines solutions aqueuses
Habituellement, n corps liquides et solides sont déterminés avec précision par des réfractomètres.
jusqu'à 0,0001. Les plus courants sont les réfractomètres d'Abbe (Figure 5) dotés de blocs prismatiques et de compensateurs de dispersion, qui permettent de déterminer nD en lumière « blanche » à l'aide d'une échelle ou d'un indicateur numérique.
Figure 5 - Réfractomètre Abbe (IRF-454; IRF-22)
Billet 75.
Loi de la réflexion de la lumière: les rayons incident et réfléchi, ainsi que la perpendiculaire à l'interface entre les deux milieux, reconstituée au point d'incidence du rayon, se trouvent dans un même plan (plan d'incidence). L'angle de réflexion γ est égal à l'angle d'incidence α.
Loi de la réfraction de la lumière: les rayons incident et réfracté, ainsi que la perpendiculaire à l'interface entre les deux milieux, reconstruite au point d'incidence du rayon, se trouvent dans le même plan. Le rapport du sinus de l'angle d'incidence α au sinus de l'angle de réfraction β est une valeur constante pour deux milieux donnés :
Les lois de la réflexion et de la réfraction sont expliquées dans la physique des vagues. Selon les concepts ondulatoires, la réfraction est une conséquence des changements dans la vitesse de propagation des ondes lors du passage d'un milieu à un autre. Signification physique de l'indice de réfraction est le rapport de la vitesse de propagation des ondes dans le premier milieu υ 1 à la vitesse de leur propagation dans le deuxième milieu υ 2 :
La figure 3.1.1 illustre les lois de réflexion et de réfraction de la lumière.
Un milieu avec un indice de réfraction absolu plus faible est dit optiquement moins dense.
Lorsque la lumière passe d'un milieu optiquement plus dense à un milieu optiquement moins dense n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать phénomène de réflexion totale, c'est-à-dire la disparition du rayon réfracté. Ce phénomène s'observe à des angles d'incidence dépassant un certain angle critique α pr, appelé angle limite de réflexion interne totale(voir Fig. 3.1.2).
Pour l'angle d'incidence α = α pr sin β = 1 ; valeur sin α pr = n 2 / n 1< 1.
Si le deuxième milieu est l'air (n 2 ≈ 1), alors il convient de réécrire la formule sous la forme
Le phénomène de réflexion interne totale est utilisé dans de nombreux dispositifs optiques. L'application la plus intéressante et la plus importante dans la pratique est la création de fibres optiques, qui sont de fins fils (de plusieurs micromètres à millimètres) arbitrairement courbés en matériau optiquement transparent (verre, quartz). La lumière tombant sur l'extrémité du guide de lumière peut se propager le long de celui-ci sur de longues distances en raison de la réflexion interne totale des surfaces latérales (Figure 3.1.3). La direction scientifique et technique impliquée dans le développement et l'application des guides de lumière optiques est appelée fibre optique.
Dispersion de la lumière (décomposition de la lumière)- il s'agit d'un phénomène provoqué par la dépendance de l'indice de réfraction absolu d'une substance sur la fréquence (ou longueur d'onde) de la lumière (dispersion de fréquence), ou, la même chose, la dépendance de la vitesse de phase de la lumière dans une substance sur la longueur d'onde (ou fréquence). Il a été découvert expérimentalement par Newton vers 1672, bien que théoriquement assez bien expliqué bien plus tard.
Dispersion spatiale est appelée la dépendance du tenseur de constante diélectrique du milieu sur le vecteur d'onde. Cette dépendance provoque un certain nombre de phénomènes appelés effets de polarisation spatiale.
L'un des exemples les plus clairs de dispersion - décomposition en lumière blanche en passant à travers un prisme (expérience de Newton). L'essence du phénomène de dispersion est la différence de vitesse de propagation des rayons lumineux de différentes longueurs d'onde dans une substance transparente - un milieu optique (alors que dans le vide, la vitesse de la lumière est toujours la même, quelle que soit la longueur d'onde et donc la couleur) . Généralement, plus la fréquence d'une onde lumineuse est élevée, plus l'indice de réfraction du milieu correspondant est élevé et plus la vitesse de l'onde dans le milieu est faible :
Les expériences de Newton Expérience sur la décomposition de la lumière blanche en un spectre : 
Newton a dirigé un rayon de soleil à travers un petit trou vers un prisme de verre. En frappant le prisme, le faisceau était réfracté et sur le mur opposé donnait une image allongée avec une alternance de couleurs arc-en-ciel - un spectre. Expérience sur le passage de la lumière monochromatique à travers un prisme:
Newton a placé un verre rouge sur le trajet du rayon solaire, derrière lequel il a reçu une lumière monochromatique (rouge), puis un prisme et n'a observé sur l'écran que la tache rouge du rayon lumineux. Expérience dans la synthèse (production) de lumière blanche : Tout d’abord, Newton a dirigé un rayon de soleil sur un prisme. Ensuite, après avoir collecté les rayons colorés émergeant du prisme à l'aide d'une lentille collectrice, Newton a reçu une image blanche d'un trou sur un mur blanc au lieu d'une bande colorée. Les conclusions de Newton :- un prisme ne change pas la lumière, mais la décompose seulement en ses composants - les rayons lumineux de couleur différente diffèrent par le degré de réfraction ; Les rayons violets se réfractent le plus fortement, les rouges moins fortement - la lumière rouge, qui se réfracte moins, a la vitesse la plus élevée et la violette, la moins, c'est pourquoi le prisme décompose la lumière. La dépendance de l'indice de réfraction de la lumière sur sa couleur est appelée dispersion.
Conclusions :- un prisme décompose la lumière - la lumière blanche est complexe (composite) - les rayons violets sont plus fortement réfractés que les rouges. La couleur d'un faisceau lumineux est déterminée par sa fréquence de vibration. Lorsqu'on passe d'un support à un autre, la vitesse de la lumière et la longueur d'onde changent, mais la fréquence qui détermine la couleur reste constante. Les limites des plages de lumière blanche et de ses composantes sont généralement caractérisées par leurs longueurs d'onde dans le vide. La lumière blanche est un ensemble d’ondes d’une longueur comprise entre 380 et 760 nm.
Billet 77.
Absorption de la lumière. Loi de Bouguer
L'absorption de la lumière dans une substance est associée à la conversion de l'énergie du champ électromagnétique de l'onde en énergie thermique de la substance (ou en énergie du rayonnement photoluminescent secondaire). La loi d'absorption de la lumière (loi de Bouguer) a la forme :
je = je 0 exp(- x),(1)
Où je 0 , je-intensité lumineuse à l'entrée (x=0) et en laissant la couche d'épaisseur moyenne X, - coefficient d'absorption, cela dépend de .
Pour les diélectriques =10 -1 10 -5 m -1 , pour les métaux =10 5 10 7 m -1 , Les métaux sont donc opaques à la lumière.
Dépendance ( ) explique la couleur des corps absorbants. Par exemple, un verre qui absorbe mal la lumière rouge apparaîtra rouge lorsqu’il est éclairé par une lumière blanche.
Diffusion de la lumière. loi de Rayleigh
La diffraction de la lumière peut se produire dans un milieu optiquement inhomogène, par exemple dans un environnement trouble (fumée, brouillard, air poussiéreux, etc.). En diffractant sur les inhomogénéités du milieu, les ondes lumineuses créent un motif de diffraction caractérisé par une répartition assez uniforme de l'intensité dans toutes les directions.
Cette diffraction par petites inhomogénéités est appelée diffusion de la lumière.
Ce phénomène est observé lorsqu'un étroit faisceau de lumière solaire traverse de l'air poussiéreux, se disperse sur les particules de poussière et devient visible.
Si les tailles des inhomogénéités sont petites par rapport à la longueur d'onde (pas plus de 0,1 ), alors l'intensité de la lumière diffusée s'avère inversement proportionnelle à la puissance quatrième de la longueur d'onde, c'est-à-dire
je dissident ~ 1/ 4 , (2)
cette dépendance est appelée loi de Rayleigh.
La diffusion de la lumière est également observée dans les milieux propres qui ne contiennent pas de particules étrangères. Par exemple, cela peut se produire sur des fluctuations (écarts aléatoires) de densité, d’anisotropie ou de concentration. Ce type de diffusion est appelé diffusion moléculaire. Cela explique par exemple la couleur bleue du ciel. En effet, d’après (2), les rayons bleus et bleus sont diffusés plus fortement que les rayons rouges et jaunes, car ont une longueur d'onde plus courte, provoquant ainsi la couleur bleue du ciel.
Billet 78.
Polarisation de la lumière- un ensemble de phénomènes d'optique ondulatoire dans lesquels se manifeste le caractère transversal des ondes lumineuses électromagnétiques. Onde transversale- les particules du milieu oscillent dans des directions perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde ( Figure 1).
Figure 1 Onde transversale
Onde lumineuse électromagnétique plan polarisé(polarisation linéaire), si les directions d'oscillation des vecteurs E et B sont strictement fixes et se situent dans certains plans ( Figure 1). Une onde lumineuse polarisée dans un plan est appelée plan polarisé(polarisée linéairement). Non polarisé onde (naturelle) - une onde lumineuse électromagnétique dans laquelle les directions d'oscillation des vecteurs E et B dans cette onde peuvent se situer dans n'importe quel plan perpendiculaire au vecteur vitesse v. Lumière non polarisée- des ondes lumineuses dans lesquelles les directions d'oscillations des vecteurs E et B changent de manière chaotique de sorte que toutes les directions d'oscillations dans les plans perpendiculaires au rayon de propagation des ondes soient également probables ( Figure 2).
Figure 2 Lumière non polarisée
Ondes polarisées- dans lequel les directions des vecteurs E et B restent inchangées dans l'espace ou changent selon une certaine loi. Rayonnement dans lequel la direction du vecteur E change de manière chaotique - non polarisé. Un exemple d’un tel rayonnement est le rayonnement thermique (atomes et électrons distribués de manière chaotique). Plan de polarisation- il s'agit d'un plan perpendiculaire à la direction des oscillations du vecteur E. Le principal mécanisme d'apparition du rayonnement polarisé est la diffusion du rayonnement par les électrons, les atomes, les molécules et les particules de poussière.
1.2. Types de polarisation Il existe trois types de polarisation. Donnons-leur des définitions. 1. Linéaire Se produit si le vecteur électrique E maintient sa position dans l'espace. Il semble mettre en évidence le plan dans lequel oscille le vecteur E. 2. Circulaire Il s'agit d'une polarisation qui se produit lorsque le vecteur électrique E tourne autour de la direction de propagation de l'onde avec une vitesse angulaire égale à la fréquence angulaire de l'onde, tout en conservant sa valeur absolue. Cette polarisation caractérise le sens de rotation du vecteur E dans un plan perpendiculaire à la ligne de visée. Un exemple est le rayonnement cyclotron (un système d’électrons tournant dans un champ magnétique). 3. Elliptique Cela se produit lorsque la norme du vecteur électrique E change de sorte qu'il décrit une ellipse (rotation du vecteur E). La polarisation elliptique et circulaire peut être droite (le vecteur E tourne dans le sens des aiguilles d'une montre lorsqu'on regarde vers l'onde qui se propage) et gauche (le vecteur E tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'on regarde vers l'onde qui se propage).
En réalité, cela se produit le plus souvent polarisation partielle (ondes électromagnétiques partiellement polarisées). Quantitativement, il est caractérisé par une certaine quantité appelée degré de polarisation R., qui est défini comme : P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Où Imax,Immine- la densité la plus élevée et la plus faible du flux d'énergie électromagnétique traversant l'analyseur (Polaroid, prisme Nicolas...). En pratique, la polarisation du rayonnement est souvent décrite par les paramètres de Stokes (ils déterminent les flux de rayonnement avec une direction de polarisation donnée).
Billet 79.
Si la lumière naturelle tombe sur l'interface entre deux diélectriques (par exemple, l'air et le verre), alors une partie est réfléchie, et une partie est réfractée et se propage dans le deuxième milieu. En installant un analyseur (par exemple de la tourmaline) sur le trajet des rayons réfléchis et réfractés, on s'assure que les rayons réfléchis et réfractés sont partiellement polarisés : lorsque l'analyseur tourne autour des rayons, l'intensité lumineuse augmente et s'affaiblit périodiquement ( une trempe complète n'est pas observée !). D'autres études ont montré que dans le faisceau réfléchi, les vibrations perpendiculaires au plan d'incidence prédominent (elles sont indiquées par des points sur la figure 275), tandis que dans le faisceau réfracté, les vibrations parallèles au plan d'incidence (représentées par des flèches) prédominent.
Le degré de polarisation (le degré de séparation des ondes lumineuses avec une certaine orientation du vecteur électrique (et magnétique)) dépend de l'angle d'incidence des rayons et de l'indice de réfraction. Physicien écossais D. Brewster(1781-1868) installé loi, selon lequel sous l'angle d'incidence je B (angle de Brewster), déterminé par la relation
(n 21 - indice de réfraction du deuxième milieu par rapport au premier), le faisceau réfléchi est polarisé dans le plan(ne contient que des vibrations perpendiculaires au plan d'incidence) (Fig. 276). Le rayon réfracté à l'angle d'incidenceje B polarisé au maximum, mais pas complètement.
Si la lumière frappe une interface selon l'angle de Brewster, alors les rayons réfléchis et réfractés mutuellement perpendiculaire(tg je B = péché je B/cos je B, n 21 = péché je B / péché je 2 (je 2 - angle de réfraction), d'où cos je B = péché je 2). Ainsi, je B + je 2 = /2, mais je’ B= je B (loi de la réflexion), donc je’ B+ je 2 = /2.
Le degré de polarisation de la lumière réfléchie et réfractée sous différents angles d'incidence peut être calculé à partir des équations de Maxwell, si l'on prend en compte les conditions aux limites du champ électromagnétique à l'interface entre deux diélectriques isotropes (appelées formules de Fresnel).
Le degré de polarisation de la lumière réfractée peut être considérablement augmenté (par réfraction multiple, à condition que la lumière soit incidente à chaque fois sur l'interface selon l'angle de Brewster). Si, par exemple, pour le verre ( m= 1.53) le degré de polarisation du faisceau réfracté est de 15%, puis après réfraction en 8 à 10 plaques de verre superposées les unes aux autres, la lumière émergeant d'un tel système sera presque complètement polarisée. Une telle collection de plaques s'appelle pied. Le pied peut être utilisé pour analyser la lumière polarisée aussi bien lors de sa réflexion que lors de sa réfraction.
Billet 79 (pour Spur)
Comme le montre l'expérience, lors de la réfraction et de la réflexion de la lumière, la lumière réfractée et réfléchie s'avère polarisée, ainsi que la réflexion. la lumière peut être complètement polarisée sous un certain angle d’incidence, mais accessoirement. la lumière est toujours partiellement polarisée. Sur la base des formules de Frinell, on peut montrer cette réflexion. La lumière est polarisée dans un plan perpendiculaire au plan d’incidence et réfractée. la lumière est polarisée dans un plan parallèle au plan d'incidence.
L'angle d'incidence auquel la réflexion la lumière est complètement polarisée est appelé l'angle de Brewster. L'angle de Brewster est déterminé à partir de la loi de Brewster : - Dans ce cas, l'angle entre les réflexions. et la réfraction. les rayons seront égaux. Pour un système à verre à air, l'angle de Brewster est égal pour obtenir une bonne polarisation, c'est-à-dire. , lors de la réfraction de la lumière, de nombreuses surfaces comestibles sont utilisées, appelées Stop de Stoletov.
Billet 80.
L'expérience montre que lorsque la lumière interagit avec la matière, l'effet principal (physiologique, photochimique, photoélectrique, etc.) est provoqué par les oscillations du vecteur, parfois appelé à cet égard vecteur lumière. Par conséquent, pour décrire les modèles de polarisation de la lumière, le comportement du vecteur est surveillé.
Le plan formé par les vecteurs est appelé plan de polarisation.
Si des oscillations vectorielles se produisent dans un plan fixe, alors cette lumière (rayon) est appelée polarisée linéairement. Il est classiquement désigné comme suit. Si le faisceau est polarisé dans un plan perpendiculaire (dans le plan xoz, voir fig. 2 dans le deuxième cours), alors il est désigné.
La lumière naturelle (provenant de sources ordinaires, le soleil) est constituée d'ondes qui ont des plans de polarisation différents et répartis de manière chaotique (voir Fig. 3).
La lumière naturelle est parfois conventionnellement désignée comme telle. On l'appelle aussi non polarisé.
Si, au fur et à mesure que l'onde se propage, le vecteur tourne et que l'extrémité du vecteur décrit un cercle, alors cette lumière est appelée polarisée circulairement et la polarisation est appelée circulaire ou circulaire (droite ou gauche). Il existe également une polarisation elliptique.
Il existe des dispositifs optiques (films, plaques, etc.) - polariseurs, qui extraient la lumière polarisée linéairement ou la lumière partiellement polarisée de la lumière naturelle.
Les polariseurs utilisés pour analyser la polarisation de la lumière sont appelés analyseurs.
Le plan du polariseur (ou analyseur) est le plan de polarisation de la lumière transmise par le polariseur (ou analyseur).
Laissez la lumière polarisée linéairement avec une amplitude tomber sur un polariseur (ou un analyseur) E 0 . L'amplitude de la lumière transmise sera égale à E = E 0 parce que j, et l'intensité je = je 0 parce que 2 j.
Cette formule exprime La loi de Malus:
L'intensité de la lumière polarisée linéairement traversant l'analyseur est proportionnelle au carré du cosinus de l'angle j entre le plan d'oscillation de la lumière incidente et le plan de l'analyseur.
Billet 80 (pour l'éperon)
Les polariseurs sont des appareils qui permettent d'obtenir de la lumière polarisée. Les analyseurs sont des appareils qui peuvent être utilisés pour analyser si la lumière est polarisée ou non. Structurellement, un polariseur et un analyseur ne font qu'un. polariseur, si la lumière est naturelle - alors toutes les directions du vecteur E sont également probables. Chaque vecteur peut être décomposé en deux composantes mutuellement perpendiculaires : dont l'une est parallèle au plan de polarisation du polariseur et l'autre est perpendiculaire. à cela.
Évidemment, l'intensité de la lumière sortant du polariseur sera égale. Notons l'intensité de la lumière sortant du polariseur par (). un angle avec le plan principal du polariseur, alors l'intensité de la lumière sortant de l'analyseur est déterminée par la loi.
Billet 81.
En étudiant la lueur d'une solution de sels d'uranium sous l'influence des rayons de radium, le physicien soviétique P. A. Cherenkov a attiré l'attention sur le fait que l'eau elle-même brille également, dans laquelle il n'y a pas de sels d'uranium. Il s’est avéré que lorsque les rayons (voir Rayonnement gamma) traversent des liquides purs, ils commencent tous à briller. S. I. Vavilov, sous la direction duquel travaillait P. A. Cherenkov, a émis l'hypothèse que la lueur était associée au mouvement des électrons expulsés des atomes par les quanta de radium. En effet, la lueur dépendait fortement de la direction du champ magnétique dans le liquide (cela suggérait qu'elle était provoquée par le mouvement des électrons).
Mais pourquoi les électrons se déplaçant dans un liquide émettent-ils de la lumière ? La bonne réponse à cette question a été donnée en 1937 par les physiciens soviétiques I. E. Tamm et I. M. Frank.
Un électron, en mouvement dans une substance, interagit avec les atomes qui l'entourent. Sous l'influence de son champ électrique, les électrons et les noyaux atomiques se déplacent dans des directions opposées : le milieu est polarisé. Polarisés puis revenant à leur état d'origine, les atomes du milieu situés le long de la trajectoire des électrons émettent des ondes lumineuses électromagnétiques. Si la vitesse de l'électron v est inférieure à la vitesse de la lumière dans le milieu (l'indice de réfraction), alors le champ électromagnétique dépassera l'électron et la substance aura le temps de se polariser dans l'espace devant l'électron. La polarisation du milieu devant et derrière l'électron est de direction opposée, et le rayonnement des atomes de polarisation opposée, « ajoutés », « s'éteint » mutuellement. Lorsque les atomes qui n'ont pas encore été atteints par un électron n'ont pas le temps de se polariser et que le rayonnement apparaît dirigé le long d'une couche conique étroite avec un sommet coïncidant avec l'électron en mouvement et un angle au sommet c. L'apparence du « cône » lumineux et l'état de rayonnement peuvent être obtenus à partir des principes généraux de propagation des ondes.
Riz. 1. Mécanisme de formation du front d'onde
Laissez l'électron se déplacer le long de l'axe OE (voir Fig. 1) d'un canal vide très étroit dans une substance transparente homogène avec un indice de réfraction (le canal vide est nécessaire pour que les collisions de l'électron avec les atomes ne soient pas prises en compte dans le considération théorique). Tout point de la ligne OE occupé successivement par un électron sera le centre d’émission lumineuse. Les ondes émanant des points successifs O, D, E interfèrent entre elles et sont amplifiées si la différence de phase entre elles est nulle (voir Interférence). Cette condition est satisfaite pour une direction qui fait un angle de 0 avec la trajectoire de l’électron. L'angle 0 est déterminé par la relation :.
En effet, considérons deux ondes émises dans une direction faisant un angle de 0 par rapport à la vitesse de l'électron à partir de deux points de la trajectoire - le point O et le point D, séparés par une distance . Au point B, situé sur la ligne BE, perpendiculaire à OB, la première onde à - après le temps Au point F, situé sur la ligne BE, une onde émise depuis le point arrivera un instant après que l'onde soit émise depuis le point O Ces deux ondes seront en phase, c'est à dire que la droite sera un front d'onde si ces temps sont égaux :. Cela donne la condition d’égalité des temps. Dans toutes les directions pour lesquelles la lumière s'éteindra en raison de l'interférence des ondes émises depuis des sections de la trajectoire séparées par une distance D. La valeur de D est déterminée par l'équation évidente, où T est la période des oscillations de la lumière. Cette équation a toujours une solution si.
Si , alors la direction dans laquelle les ondes émises, lorsqu'elles interfèrent, sont amplifiées, n'existe pas et ne peut être supérieure à 1.
Riz. 2. Distribution des ondes sonores et formation d'une onde de choc lors du mouvement du corps
Le rayonnement n'est observé que si .
Expérimentalement, les électrons volent selon un angle solide fini, avec une certaine répartition de la vitesse, et par conséquent, le rayonnement se propage dans une couche conique proche de la direction principale déterminée par l'angle.
Dans notre réflexion, nous avons négligé le ralentissement des électrons. Ceci est tout à fait acceptable, car les pertes dues au rayonnement de Vavilov-Cerenkov sont faibles et, en première approximation, on peut supposer que l'énergie perdue par l'électron n'affecte pas sa vitesse et qu'il se déplace uniformément. C'est la différence fondamentale et le caractère inhabituel du rayonnement Vavilov-Tcherenkov. Généralement, les charges émettent tout en subissant une accélération significative.
Un électron dépassant sa lumière est semblable à un avion volant à une vitesse supérieure à la vitesse du son. Dans ce cas, une onde sonore de choc conique se propage également devant l'avion (voir Fig. 2).
La réfraction est un certain nombre abstrait qui caractérise la capacité de réfraction de tout milieu transparent. Il est d'usage de le désigner n. Il existe un indice de réfraction absolu et un indice relatif.
Le premier est calculé à l’aide de l’une des deux formules suivantes :
n = sin α / sin β = const (où sin α est le sinus de l'angle d'incidence et sin β est le sinus du rayon lumineux entrant dans le milieu considéré depuis le vide)
n = c / υ λ (où c est la vitesse de la lumière dans le vide, υ λ est la vitesse de la lumière dans le milieu étudié).
Ici, le calcul montre combien de fois la vitesse de propagation de la lumière change au moment de la transition du vide à un milieu transparent. Cela détermine l'indice de réfraction (absolu). Pour connaître le relatif, utilisez la formule :
Autrement dit, les indices de réfraction absolus de substances de différentes densités, telles que l'air et le verre, sont pris en compte.
D'une manière générale, les coefficients absolus de tout corps, qu'il soit gazeux, liquide ou solide, sont toujours supérieurs à 1. Fondamentalement, leurs valeurs varient de 1 à 2. Cette valeur ne peut être supérieure à 2 que dans des cas exceptionnels. La signification de ce paramètre pour certains environnements est :
Cette valeur appliquée à la substance naturelle la plus dure de la planète, le diamant, est de 2,42. Très souvent, lors de recherches scientifiques, etc., il est nécessaire de connaître l'indice de réfraction de l'eau. Ce paramètre est 1,334.
La longueur d'onde étant bien entendu un indicateur variable, un indice est attribué à la lettre n. Sa valeur permet de comprendre à quelle onde du spectre appartient ce coefficient. Si l’on considère la même substance, mais avec une longueur d’onde de lumière croissante, l’indice de réfraction diminuera. Cette circonstance provoque la décomposition de la lumière en un spectre lors du passage à travers une lentille, un prisme, etc.
Par la valeur de l'indice de réfraction, vous pouvez déterminer, par exemple, quelle quantité d'une substance est dissoute dans une autre. Cela peut être utile, par exemple, lors du brassage ou lorsque vous avez besoin de connaître la concentration de sucre, de fruits ou de baies dans un jus. Cet indicateur est important aussi bien pour déterminer la qualité des produits pétroliers que pour les bijoux, lorsqu'il faut prouver l'authenticité d'une pierre, etc.
Sans l’utilisation d’aucune substance, l’échelle visible dans l’oculaire de l’appareil sera entièrement bleue. Si vous déposez de l'eau distillée ordinaire sur le prisme, si l'instrument est correctement calibré, la frontière entre les couleurs bleues et blanches passera strictement le long du repère zéro. Lors de l'étude d'une autre substance, elle se déplacera le long de l'échelle en fonction de son indice de réfraction qui la caractérise.
