Faisons une expérience. Plaçons une plaque de verre au centre du disque optique et dirigeons un faisceau de lumière dessus. Nous verrons qu'à la frontière de l'air et du verre, la lumière sera non seulement réfléchie, mais pénétrera également dans le verre, changeant la direction de sa propagation (Fig. 84).

Le changement de direction de propagation de la lumière lorsqu’elle traverse l’interface entre deux milieux est appelé réfraction de la lumière.

Sur la figure 84 sont indiqués : AO - faisceau incident ; OB - faisceau réfléchi ; OE - rayon réfracté.

A noter que si l'on dirigeait le faisceau dans la direction EO, alors, en raison de la réversibilité des rayons lumineux, il sortirait du verre dans la direction OA.

La réfraction de la lumière s'explique par la variation de la vitesse de propagation de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre. Pour la première fois, une telle explication de ce phénomène a été donnée au milieu du XVIIe siècle. Père Maignan. Selon Maignan, lorsque la lumière passe d'un milieu à un autre, le rayon lumineux change de direction de la même manière que la direction de déplacement du « front des soldats » change lorsque la prairie le long de laquelle marchent les soldats est bloquée par des terres arables. , dont la bordure forme un angle par rapport à l'avant. Chacun des soldats ayant atteint la terre arable ralentit, tandis que ceux des soldats qui ne l'ont pas encore atteinte continuent de marcher à la même vitesse. En conséquence, les soldats qui sont entrés dans les terres arables commencent à être à la traîne de ceux qui traversent la prairie et la colonne de troupes se retourne (Fig. 85).

Pour déterminer dans quelle direction un faisceau lumineux va s'écarter lorsqu'il traverse l'interface entre deux milieux, il faut savoir dans lequel de ces milieux la vitesse de la lumière est la plus faible et dans lequel elle est la plus grande.

La lumière est constituée d’ondes électromagnétiques. Ainsi, tout ce qui a été dit sur la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques (voir § 28) s'applique également à la vitesse de la lumière. Par exemple, la vitesse de la lumière dans le vide est maximale et égale à :

c = 299 792 km/s ≈ 300 000 km/s.

La vitesse de la lumière dans la matière v est toujours inférieure à celle dans le vide :

Les valeurs de vitesse de la lumière dans divers milieux sont données dans le tableau 6.

Des deux milieux, celui dans lequel la vitesse de la lumière est la plus faible est appelé optiquement plus dense, et celui dans lequel la vitesse de la lumière est plus grande - optiquement moins dense. Par exemple, l’eau est un milieu optiquement plus dense que l’air, et le verre est un milieu optiquement plus dense que l’eau.

L'expérience montre qu'en pénétrant dans un milieu optiquement plus dense, un rayon lumineux s'écarte de sa direction initiale vers la perpendiculaire à l'interface entre deux milieux (Fig. 86, a), et lorsqu'il pénètre dans un milieu optiquement moins dense, le rayon de lumière dévie vers verso (Fig. 86, b).

L'angle entre le rayon réfracté et la perpendiculaire à l'interface entre deux milieux au point d'incidence du rayon est appelé angle de réfraction. Dans la figure 86

α est l'angle d'incidence, β est l'angle de réfraction.

La figure 86 montre que l'angle de réfraction peut être soit supérieur, soit inférieur à l'angle d'incidence. Ces angles peuvent-ils coïncider ? Ils le peuvent, mais seulement lorsqu’un faisceau de lumière tombe sur l’interface entre les supports perpendiculairement à celle-ci ; dans ce cas α = β = 0.

La capacité à réfracter les rayons varie selon les différents milieux. Plus la vitesse de la lumière dans deux milieux diffère de manière significative, plus les rayons sont réfractés fortement à la frontière entre eux.

L'un des éléments principaux de nombreux instruments optiques est un prisme triangulaire en verre (Fig. 87, a). La figure 87, b montre le trajet du rayon dans un tel prisme : par suite de la double réfraction, le prisme triangulaire dévie le rayon incident sur lui vers sa base.

La réfraction de la lumière est la raison pour laquelle la profondeur d'un plan d'eau (rivière, étang, baignoire remplie d'eau) nous semble moindre qu'elle ne l'est réellement. En effet, pour voir un point S quelconque au fond d'un réservoir, il faut que les rayons lumineux qui en sortent pénètrent dans l'œil de l'observateur (Fig. 88). Mais après réfraction à la limite de l'eau avec l'air, le faisceau lumineux sera perçu par l'œil comme une lumière provenant d'une image virtuelle S 1 située plus haut que le point correspondant S au fond du réservoir. On peut prouver que la profondeur apparente d'un réservoir h est d'environ ¾ de sa profondeur réelle H.

Ce phénomène a été décrit pour la première fois par Euclide. Un de ses livres parle d'une expérience avec une bague. L'observateur regarde la coupe avec l'anneau posé sur son fond de sorte que les bords de la coupe ne permettent pas de le voir ; puis, sans changer la position des yeux, ils commencent à verser de l'eau dans la tasse, et au bout d'un moment l'anneau devient visible.

Bien d'autres phénomènes s'expliquent également par la réfraction de la lumière, par exemple la courbure apparente d'une cuillère tombée dans un verre d'eau ; une position plus haute que la réalité des étoiles et du Soleil au-dessus de l'horizon, etc.

1. Qu'appelle-t-on la réfraction de la lumière ? 2. Quel angle est appelé angle de réfraction ? Comment est-il désigné ? 3. Quelle est la vitesse de la lumière dans le vide ? 4. Quel milieu est optiquement plus dense : la glace ou le quartz ? Pourquoi? 5. Dans quel cas l'angle de réfraction de la lumière est-il inférieur à l'angle d'incidence et dans quel cas est-il supérieur ? 6. Quel est l'angle d'incidence du faisceau si le faisceau réfracté est perpendiculaire à l'interface ? 7. Pourquoi la profondeur du réservoir semble-t-elle moins profonde à un observateur regardant l'eau d'en haut qu'elle ne l'est en réalité ? Quelle sera la profondeur de la rivière si en réalité elle est de 2 m ? 8. Il y a des morceaux de verre, de quartz et de diamant dans l’air. Sur quelle surface les rayons lumineux sont-ils le plus réfractés ?

Tâche expérimentale. Répétez l'expérience d'Euclide. Placez un anneau (ou une pièce de monnaie) au fond de la tasse à thé, puis placez-le devant vous de manière à ce que les bords de la tasse recouvrent son fond. Si, sans changer la position relative de la coupe et des yeux, vous y versez de l'eau, alors l'anneau (ou la pièce) devient visible. Pourquoi?

Lois de la réfraction de la lumière.

Signification physique de l'indice de réfraction. La lumière est réfractée en raison des changements dans la vitesse de sa propagation lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre. L'indice de réfraction du deuxième milieu par rapport au premier est numériquement égal au rapport de la vitesse de la lumière dans le premier milieu à la vitesse de la lumière dans le deuxième milieu :

Ainsi, l'indice de réfraction montre combien de fois la vitesse de la lumière dans le milieu d'où sort le faisceau est supérieure (inférieure) à la vitesse de la lumière dans le milieu dans lequel il entre.

La vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide étant constante, il convient de déterminer les indices de réfraction des différents milieux par rapport au vide. Rapport de vitesse Avec La propagation de la lumière dans le vide à la vitesse de sa propagation dans un milieu donné est appelée indice de réfraction absolu d'une substance donnée () et constitue la principale caractéristique de ses propriétés optiques,

,

ceux. l'indice de réfraction du deuxième milieu par rapport au premier est égal au rapport des indices absolus de ces milieux.

Généralement, les propriétés optiques d'une substance sont caractérisées par son indice de réfraction n par rapport à l'air, qui diffère peu de l'indice de réfraction absolu. Dans ce cas, un milieu ayant un indice absolu plus grand est dit optiquement plus dense.

Limiter l'angle de réfraction. Si la lumière passe d’un milieu avec un indice de réfraction inférieur à un milieu avec un indice de réfraction plus élevé ( n°1< n 2 ), alors l'angle de réfraction est inférieur à l'angle d'incidence

r< i (Fig. 3).

Riz. 3. Réfraction de la lumière pendant la transition

d'un milieu optiquement moins dense à un milieu

optiquement plus dense.

Lorsque l'angle d'incidence augmente jusqu'à je suis = La lumière à 90° (faisceau 3, Fig. 2) dans le deuxième milieu se propagera uniquement dans l'angle r pr , appelé angle de réfraction limite. Dans la région du deuxième milieu, dans un angle supplémentaire à l'angle de réfraction limite (90° - je pr ), la lumière ne pénètre pas (sur la figure 3, cette zone est ombrée).

Limiter l'angle de réfraction r pr

Mais sin je m = 1, donc .

Le phénomène de réflexion interne totale. Quand la lumière provient d’un milieu à indice de réfraction élevé n 1 > n 2 (Fig. 4), alors l'angle de réfraction est supérieur à l'angle d'incidence. La lumière est réfractée (passe dans un deuxième milieu) uniquement dans l'angle d'incidence je pr , ce qui correspond à l'angle de réfraction r m = 90°.

Riz. 4. Réfraction de la lumière lors du passage d'un milieu optiquement plus dense à un milieu

optiquement moins dense.

La lumière incidente sous un grand angle est complètement réfléchie depuis la limite du média (Fig. 4, rayon 3). Ce phénomène est appelé réflexion interne totale, et l'angle d'incidence je pr – angle limite de réflexion interne totale.

Angle limite de réflexion interne totale je pr déterminé selon la condition :

, alors sin r m =1, donc .

Si la lumière provient d'un milieu quelconque dans le vide ou l'air, alors

En raison de la réversibilité du trajet du rayon pour deux milieux donnés, l'angle limite de réfraction lors du passage du premier milieu au second est égal à l'angle limite de réflexion interne totale lorsque le rayon passe du deuxième milieu au premier.

L'angle limite de réflexion interne totale du verre est inférieur à 42°. Ainsi, les rayons traversant le verre et tombant sur sa surface selon un angle de 45° sont complètement réfléchis. Cette propriété du verre est utilisée dans les prismes rotatifs (Fig. 5a) et réversibles (Fig. 4b), souvent utilisés dans les instruments optiques.

Riz. 5 : a – prisme rotatif ; b – prisme réversible.

La fibre optique. La réflexion interne totale est utilisée dans la construction de flexibles guides de lumière. La lumière, pénétrant dans une fibre transparente entourée d'une substance à indice de réfraction inférieur, est réfléchie plusieurs fois et se propage le long de cette fibre (Fig. 6).

Fig.6. Passage de la lumière à l'intérieur d'une fibre transparente entourée d'une substance

avec un indice de réfraction inférieur.

Pour transmettre de grands flux lumineux et maintenir la flexibilité du système conducteur de lumière, les fibres individuelles sont rassemblées en faisceaux - guides de lumière. La branche de l'optique qui s'occupe de la transmission de la lumière et des images via des fibres optiques est appelée fibre optique. Le même terme est utilisé pour désigner les pièces et dispositifs à fibre optique eux-mêmes. En médecine, les guides de lumière sont utilisés pour éclairer les cavités internes avec une lumière froide et transmettre des images.

Partie pratique

Les dispositifs permettant de déterminer l'indice de réfraction des substances sont appelés réfractomètres(Fig.7).

Figure 7. Schéma optique du réfractomètre.

1 – miroir, 2 – tête de mesure, 3 – système de prisme pour éliminer la dispersion, 4 – lentille, 5 – prisme rotatif (rotation du faisceau de 90 0), 6 – échelle (dans certains réfractomètres

il existe deux échelles : l'échelle d'indice de réfraction et l'échelle de concentration de la solution),

7 – oculaire.

La partie principale du réfractomètre est la tête de mesure, composée de deux prismes : celui d'éclairage, situé dans la partie rabattable de la tête, et celui de mesure.

A la sortie du prisme éclairant, sa surface mate crée un faisceau de lumière diffuse, qui traverse le liquide étudié (2-3 gouttes) entre les prismes. Les rayons tombent sur la surface du prisme de mesure sous différents angles, notamment sous un angle de 90 0 . Dans le prisme de mesure, les rayons sont collectés dans la zone de l'angle de réfraction limite, ce qui explique la formation de la limite lumière-ombre sur l'écran de l'appareil.

Figure 8. Trajet du faisceau dans la tête de mesure :

1 – prisme d'éclairage, 2 – liquide de test,

3 – prisme de mesure, 4 – écran.

DÉTERMINER LE POURCENTAGE DE SUCRE DANS UNE SOLUTION

Lumière naturelle et polarisée. Lumière visible- Ce ondes électromagnétiques avec une fréquence d'oscillation comprise entre 4∙10 14 et 7,5∙10 14 Hz. Ondes électromagnétiques sont transversal: les vecteurs E et H des intensités des champs électriques et magnétiques sont mutuellement perpendiculaires et se trouvent dans un plan perpendiculaire au vecteur vitesse de l'onde.

Étant donné que les effets chimiques et biologiques de la lumière sont principalement associés à la composante électrique de l'onde électromagnétique, le vecteur E la force de ce champ s'appelle vecteur de lumière, et le plan d'oscillation de ce vecteur est plan d'oscillation des ondes lumineuses.

Dans toute source de lumière, les ondes sont émises par de nombreux atomes et molécules, les vecteurs lumineux de ces ondes sont situés dans différents plans et les vibrations se produisent dans différentes phases. Par conséquent, le plan d'oscillation du vecteur lumière de l'onde résultante change continuellement de position dans l'espace (Fig. 1). Ce type de lumière est appelé naturel, ou non polarisé.

Riz. 1. Représentation schématique du faisceau et de la lumière naturelle.

Si vous sélectionnez deux plans mutuellement perpendiculaires traversant un faisceau de lumière naturelle et projetez les vecteurs E sur les plans, alors en moyenne ces projections seront les mêmes. Ainsi, il est pratique de représenter un rayon de lumière naturelle comme une ligne droite sur laquelle se trouvent le même nombre de deux projections sous forme de tirets et de points :

Lorsque la lumière traverse des cristaux, il est possible d'obtenir une lumière dont le plan d'oscillation des ondes occupe une position constante dans l'espace. Ce type de lumière est appelé plat- ou polarisé linéairement. En raison de la disposition ordonnée des atomes et des molécules dans le réseau spatial, le cristal transmet uniquement les vibrations du vecteur lumière se produisant dans un certain plan caractéristique d'un réseau donné.

Il est pratique de représenter une onde lumineuse polarisée dans un plan comme suit :

La polarisation de la lumière peut également être partielle. Dans ce cas, l'amplitude des oscillations du vecteur lumière dans n'importe quel plan dépasse largement les amplitudes des oscillations dans les autres plans.

La lumière partiellement polarisée peut être classiquement représentée comme suit : , etc. Le rapport entre le nombre de lignes et le nombre de points détermine le degré de polarisation de la lumière.

Dans toutes les méthodes de conversion de la lumière naturelle en lumière polarisée, les composants ayant une orientation très spécifique du plan de polarisation sont totalement ou partiellement sélectionnés à partir de la lumière naturelle.

Méthodes de production de lumière polarisée : a) réflexion et réfraction de la lumière à la limite de deux diélectriques ; b) transmission de la lumière à travers des cristaux uniaxiaux optiquement anisotropes ; c) transmission de la lumière à travers des milieux dont l'anisotropie optique est créée artificiellement par l'action d'un champ électrique ou magnétique, ainsi que par déformation. Ces méthodes sont basées sur le phénomène anisotropie.

Anisotropie est la dépendance d'un certain nombre de propriétés (mécaniques, thermiques, électriques, optiques) à la direction. Les corps dont les propriétés sont les mêmes dans toutes les directions sont appelés isotrope.

La polarisation est également observée lors de la diffusion de la lumière. Plus la taille des particules sur lesquelles se produit la diffusion est petite, plus le degré de polarisation est élevé.

Les appareils conçus pour produire de la lumière polarisée sont appelés polariseurs.

Polarisation de la lumière lors de la réflexion et de la réfraction à l'interface entre deux diélectriques. Lorsque la lumière naturelle est réfléchie et réfractée à l’interface entre deux diélectriques isotropes, elle subit une polarisation linéaire. Sous un angle d'incidence arbitraire, la polarisation de la lumière réfléchie est partielle. Le faisceau réfléchi est dominé par des vibrations perpendiculaires au plan d'incidence, et le faisceau réfracté est dominé par des vibrations parallèles à celui-ci (Fig. 2).

Riz. 2. Polarisation partielle de la lumière naturelle pendant la réflexion et la réfraction

Si l'angle d'incidence satisfait à la condition tan i B = n 21, alors la lumière réfléchie est complètement polarisée (loi de Brewster) et le faisceau réfracté n'est pas complètement polarisé, mais au maximum (Fig. 3). Dans ce cas, les rayons réfléchis et réfractés sont perpendiculaires entre eux.

– indice de réfraction relatif de deux milieux, i B – Angle de Brewster.

Riz. 3. Polarisation complète du faisceau réfléchi pendant la réflexion et la réfraction

à l'interface entre deux diélectriques isotropes.

Biréfringence. Il existe un certain nombre de cristaux (calcite, quartz, etc.) dans lesquels un rayon de lumière, lorsqu'il est réfracté, se divise en deux rayons aux propriétés différentes. La calcite (spath d'Islande) est un cristal à réseau hexagonal. L'axe de symétrie du prisme hexagonal qui forme sa cellule est appelé axe optique. L'axe optique n'est pas une ligne, mais une direction dans le cristal. Toute droite parallèle à cette direction est aussi un axe optique.

Si vous découpez une plaque d'un cristal de calcite de manière à ce que ses bords soient perpendiculaires à l'axe optique et que vous dirigez un faisceau de lumière le long de l'axe optique, aucun changement ne s'y produira. Si vous dirigez le faisceau selon un angle par rapport à l'axe optique, il se divisera en deux faisceaux (Fig. 4), dont l'un est appelé ordinaire, le second est appelé extraordinaire.

Riz. 4. Biréfringence lorsque la lumière traverse une plaque de calcite.

MN – axe optique.

Un rayon ordinaire se situe dans le plan d'incidence et possède un indice de réfraction normal pour une substance donnée. Le faisceau extraordinaire se situe dans un plan passant par le faisceau incident et l'axe optique du cristal tracé au point d'incidence du faisceau. Cet avion s'appelle plan principal du cristal. Les indices de réfraction des rayons ordinaires et extraordinaires sont différents.

Les rayons ordinaires et extraordinaires sont polarisés. Le plan d'oscillation des rayons ordinaires est perpendiculaire au plan principal. Des oscillations de rayons extraordinaires se produisent dans le plan principal du cristal.

Le phénomène de double réfraction est dû à l'anisotropie des cristaux. Le long de l'axe optique, la vitesse de l'onde lumineuse pour les rayons ordinaires et extraordinaires est la même. Dans d’autres directions, la vitesse de l’onde extraordinaire dans la calcite est supérieure à celle de l’onde ordinaire. La plus grande différence entre les vitesses des deux ondes se produit dans la direction perpendiculaire à l’axe optique.

Selon le principe de Huygens, avec la biréfringence, en chaque point de la surface d'une onde atteignant la limite du cristal, apparaissent simultanément deux ondes élémentaires (et non une, comme dans les milieux ordinaires !), qui se propagent dans le cristal.

La vitesse de propagation d'une onde dans toutes les directions est la même, c'est-à-dire la vague a une forme sphérique et s'appelle ordinaire. La vitesse de propagation d'une autre onde dans la direction de l'axe optique du cristal est la même que la vitesse d'une onde ordinaire, et dans la direction perpendiculaire à l'axe optique, elle en diffère. L'onde a une forme ellipsoïdale et s'appelle extraordinaire(Fig.5).

Riz. 5. Propagation des ondes ordinaires (o) et extraordinaires (e) dans un cristal

avec double réfraction.

Prisme Nicolas. Pour obtenir une lumière polarisée, un prisme polarisant Nicolas est utilisé. Un prisme d'une certaine forme et taille est découpé dans de la calcite, puis il est scié le long d'un plan diagonal et collé avec du baume du Canada. Lorsqu'un faisceau lumineux tombe sur la face supérieure le long de l'axe du prisme (Fig. 6), le faisceau extraordinaire tombe sur le plan de collage sous un angle plus petit et le traverse presque sans changer de direction. Un faisceau ordinaire tombe selon un angle supérieur à l'angle de réflexion totale du baume du Canada, est réfléchi par le plan de liaison et est absorbé par le bord noirci du prisme. Un prisme Nicolas produit une lumière entièrement polarisée dont le plan de vibration se situe dans le plan principal du prisme.

Riz. 6. Prisme Nicolas. Schéma de passage ordinaire

et des rayons extraordinaires.

Dichroïsme. Il existe des cristaux qui absorbent différemment les rayons ordinaires et extraordinaires. Ainsi, si un faisceau de lumière naturelle est dirigé vers un cristal de tourmaline perpendiculairement à la direction de l'axe optique, alors avec une épaisseur de plaque de seulement quelques millimètres, le faisceau ordinaire sera complètement absorbé et seul un faisceau extraordinaire en émergera. le cristal (Fig. 7).

Riz. 7. Passage de la lumière à travers un cristal de tourmaline.

La nature différente de l’absorption des rayons ordinaires et extraordinaires est appelée anisotropie d'absorption, ou dichroïsme. Ainsi, les cristaux de tourmaline peuvent également être utilisés comme polariseurs.

Polaroïds. Actuellement, les polariseurs sont largement utilisés Polaroïds. Pour fabriquer un Polaroid, un film transparent contenant des cristaux d'une substance dichroïque polarisant la lumière (par exemple, le sulfate d'iodoquinone) est collé entre deux plaques de verre ou de plexiglas. Lors du processus de fabrication du film, les cristaux sont orientés de manière à ce que leurs axes optiques soient parallèles. L'ensemble de ce système est fixé dans le cadre.

Le faible coût des Polaroïds et la capacité de produire des plaques de grande surface ont assuré leur large utilisation dans la pratique.

Analyse de la lumière polarisée. Pour étudier la nature et le degré de polarisation de la lumière, des appareils appelés analyseurs. Les analyseurs utilisent les mêmes dispositifs que ceux utilisés pour obtenir de la lumière polarisée linéairement - des polariseurs, mais adaptés pour la rotation autour de l'axe longitudinal. L'analyseur ne transmet que les vibrations qui coïncident avec son plan principal. Sinon, seule la composante vibratoire qui coïncide avec ce plan traverse l’analyseur.

Si l’onde lumineuse entrant dans l’analyseur est polarisée linéairement, alors l’intensité de l’onde sortant de l’analyseur est La loi de Malus :

,

où I 0 est l'intensité de la lumière entrante, φ est l'angle entre les plans de la lumière entrante et la lumière transmise par l'analyseur.

Le passage de la lumière à travers le système polariseur-analyseur est représenté schématiquement sur la figure. 8.

Riz. 8. Schéma du passage de la lumière à travers le système polariseur-analyseur (P – polariseur,

A – analyseur, E – écran) :

a) les plans principaux du polariseur et de l'analyseur coïncident ;

b) les plans principaux du polariseur et de l'analyseur sont situés sous un certain angle ;

c) les plans principaux du polariseur et de l'analyseur sont perpendiculaires entre eux.

Si les plans principaux du polariseur et de l'analyseur coïncident, alors la lumière traverse complètement l'analyseur et éclaire l'écran (Fig. 7a). S'ils sont situés sous un certain angle, la lumière traverse l'analyseur, mais est affaiblie (Fig. 7b) d'autant plus que cet angle est proche de 90 0. Si ces plans sont perpendiculaires entre eux, alors la lumière est complètement éteinte par l'analyseur (Fig. 7c).

Rotation du plan de vibration de la lumière polarisée. Polarimétrie. Certains cristaux, ainsi que des solutions de substances organiques, ont la propriété de faire tourner le plan d'oscillation de la lumière polarisée qui les traverse. Ces substances sont appelées optiquement UN actif. Ceux-ci incluent les sucres, les acides, les alcaloïdes, etc.

Pour la majorité des substances optiquement actives, l'existence de deux modifications a été découverte, faisant tourner le plan de polarisation respectivement dans le sens horaire et antihoraire (pour un observateur regardant vers le faisceau). La première modification s'appelle dextrogyre ou positif, deuxième - gaucher, ou négatif.

L'activité optique naturelle d'une substance à l'état non cristallin est due à l'asymétrie des molécules. Dans les substances cristallines, l'activité optique peut également être déterminée par les particularités de la disposition des molécules dans le réseau.

Dans les solides, l'angle φ de rotation du plan de polarisation est directement proportionnel à la longueur d du trajet du faisceau lumineux dans le corps :

où α – capacité de rotation (rotation spécifique), en fonction du type de substance, de la température et de la longueur d'onde. Pour les modifications pour gauchers et droitiers, les capacités de rotation sont de même ampleur.

Pour les solutions, l'angle de rotation du plan de polarisation

,

où α est la rotation spécifique, c est la concentration de la substance optiquement active dans la solution. La valeur de α dépend de la nature de la substance optiquement active et du solvant, de la température et de la longueur d'onde de la lumière. Rotation spécifique– c'est l'angle de rotation augmenté de 100 fois pour une solution de 1 dm d'épaisseur à une concentration de substance de 1 gramme pour 100 cm 3 de solution à une température de 20 0 C et à une longueur d'onde lumineuse λ = 589 nm. Une méthode très sensible pour déterminer la concentration c basée sur cette relation est appelée polarimétrie (saccharimétrie).

La dépendance de la rotation du plan de polarisation sur la longueur d'onde de la lumière est appelée dispersion rotationnelle. En première approximation, nous avons Loi de Biot :

où A est un coefficient dépendant de la nature de la substance et de la température.

En milieu clinique, la méthode polarimétrie utilisé pour déterminer la concentration de sucre dans l’urine. L'appareil utilisé à cet effet s'appelle saccharimètre(Fig.9).

Riz. 9. Conception optique du saccharimètre :

I est une source de lumière naturelle ;

C – filtre de lumière (monochromateur), qui assure la coordination du fonctionnement de l'appareil

avec Loi Biot ;

L – une lentille collectrice qui produit un faisceau de lumière parallèle à la sortie ;

P – polariseur ;

K – tube avec la solution à tester ;

A – analyseur monté sur un disque rotatif D avec divisions.

Lors de la réalisation d'une étude, l'analyseur est d'abord réglé sur un assombrissement maximal du champ de vision sans la solution de test. Ensuite, un tube contenant une solution est placé dans l'appareil et, en faisant tourner l'analyseur, le champ de vision est à nouveau assombri. Le plus petit des deux angles selon lesquels l'analyseur doit être tourné est l'angle de rotation de la substance étudiée. La concentration de sucre dans la solution est calculée à partir de l'angle.

Pour simplifier les calculs, le tube contenant la solution est si long que l'angle de rotation de l'analyseur (en degrés) est numériquement égal à la concentration Avec solution (en grammes pour 100 cm3). La longueur du tube de glucose est de 19 cm.

Microscopie de polarisation. La méthode est basée sur anisotropie certains composants des cellules et des tissus, apparaissant lors de leur observation en lumière polarisée. Les structures constituées de molécules disposées en parallèle ou de disques disposés en empilement, lorsqu'elles sont introduites dans un milieu d'indice de réfraction différent de l'indice de réfraction des particules de la structure, présentent la capacité de double réfraction. Cela signifie que la structure transmettra la lumière polarisée uniquement lorsque le plan de polarisation est parallèle aux grands axes des particules. Cela reste vrai même lorsque les particules ne présentent pas de biréfringence intrinsèque. Optique anisotropie observé dans les muscles, le tissu conjonctif (collagène) et les fibres nerveuses.

Le nom même des muscles squelettiques " strié" est associée à des différences dans les propriétés optiques de sections individuelles de fibres musculaires. Il consiste en une alternance de zones de matière tissulaire plus sombres et plus claires. Cela donne à la fibre des stries croisées. L'examen des fibres musculaires sous lumière polarisée révèle que les zones plus sombres sont anisotrope et ont des propriétés biréfringence, tandis que les zones les plus sombres sont isotrope. Collagène les fibres sont anisotropes, leur axe optique est situé le long de l'axe de la fibre. Micelles en coquille de pulpe neurofibrilles sont également anisotropes, mais leurs axes optiques sont situés dans des directions radiales. Un microscope polarisant est utilisé pour l'examen histologique de ces structures.

Le composant le plus important d’un microscope polarisant est le polariseur, situé entre la source lumineuse et le condensateur. De plus, le microscope dispose d'une platine rotative ou porte-échantillon, d'un analyseur situé entre l'objectif et l'oculaire, qui peut être installé de manière à ce que son axe soit perpendiculaire à l'axe du polariseur, et d'un compensateur.

Lorsque le polariseur et l'analyseur sont croisés et que l'objet est manquant ou isotrope, le champ apparaît uniformément sombre. S'il existe un objet biréfringent et qu'il est situé de telle sorte que son axe forme un angle par rapport au plan de polarisation autre que 0 0 ou 90 0, il séparera la lumière polarisée en deux composantes - parallèle et perpendiculaire au plan de polarisation. l’analyseur. Par conséquent, une partie de la lumière traversera l’analyseur, ce qui donnera une image lumineuse de l’objet sur un fond sombre. Au fur et à mesure que l'objet tourne, la luminosité de son image change, atteignant un maximum à un angle de 45 0 par rapport au polariseur ou à l'analyseur.

La microscopie de polarisation est utilisée pour étudier l'orientation des molécules dans les structures biologiques (par exemple, les cellules musculaires), ainsi que pour observer des structures invisibles à l'aide d'autres méthodes (par exemple, le fuseau mitotique lors de la division cellulaire), identifiant ainsi la structure hélicoïdale.

La lumière polarisée est utilisée dans des conditions simulées pour évaluer les contraintes mécaniques se produisant dans le tissu osseux. Cette méthode est basée sur le phénomène de photoélasticité, qui consiste en l'apparition d'une anisotropie optique dans des solides initialement isotropes sous l'action de charges mécaniques.

DÉTERMINATION DE LA LONGUEUR D'ONDE DE LA LUMIÈRE À L'AIDE D'UN RÉSEAU DE DIFFRACTION

Interférence de la lumière. L'interférence lumineuse est un phénomène qui se produit lorsque des ondes lumineuses se superposent et s'accompagnent de leur renforcement ou de leur affaiblissement. Un motif d'interférence stable apparaît lorsque des ondes cohérentes se superposent. Les ondes cohérentes sont des ondes de fréquences égales et de phases identiques ou présentant un déphasage constant. L'amplification des ondes lumineuses lors des interférences (condition maximale) se produit dans le cas où Δ contient un nombre pair de demi-longueurs d'onde :

Où k – ordre maximum, k=0,±1,±2,±,…±n ;

λ – longueur d'onde de la lumière.

L'atténuation des ondes lumineuses lors d'interférences (condition minimale) est observée si la différence de trajet optique Δ contient un nombre impair de demi-longueurs d'onde :

Où k - commande minimum.

La différence optique dans le trajet de deux faisceaux est la différence de distance entre les sources et le point d'observation de la figure d'interférence.

Interférence dans les couches minces. Des interférences dans des films minces peuvent être observées dans des bulles de savon, dans une tache de kérosène à la surface de l'eau lorsqu'elle est éclairée par la lumière du soleil.

Laissez le faisceau 1 tomber sur la surface d'un film mince (voir Fig. 2). Le faisceau, réfracté à la limite air-film, traverse le film, est réfléchi depuis sa surface intérieure, s'approche de la surface extérieure du film, est réfracté à la limite film-air et le faisceau sort. Nous dirigeons le faisceau 2 vers le point de sortie du faisceau, qui est parallèle au faisceau 1. Le faisceau 2 est réfléchi par la surface du film, superposée au faisceau, et les deux faisceaux interfèrent.

Lorsque le film est éclairé par une lumière polychromatique, nous obtenons une image arc-en-ciel. Ceci s'explique par le fait que le film n'a pas une épaisseur uniforme. Il en résulte des différences de trajectoire de différentes ampleurs, qui correspondent à différentes longueurs d'onde (films de savon colorés, couleurs irisées des ailes de certains insectes et oiseaux, films d'huile ou d'huiles à la surface de l'eau, etc.).

L'interférence lumineuse est utilisée dans des appareils appelés interféromètres. Les interféromètres sont des dispositifs optiques qui peuvent être utilisés pour séparer spatialement deux faisceaux et créer une certaine différence de chemin entre eux. Les interféromètres sont utilisés pour déterminer les longueurs d'onde avec un haut degré de précision sur de courtes distances, les indices de réfraction des substances et déterminer la qualité des surfaces optiques.

À des fins sanitaires et hygiéniques, l'interféromètre est utilisé pour déterminer la teneur en gaz nocifs.

La combinaison d'un interféromètre et d'un microscope (microscope à interférence) est utilisée en biologie pour mesurer l'indice de réfraction, la concentration en matière sèche et l'épaisseur de microobjets transparents.

Principe de Huygens-Fresnel. Selon Huygens, tout point du milieu qu'atteint l'onde primaire à un instant donné est source d'ondes secondaires. Fresnel a clarifié cette position de Huygens, ajoutant que les ondes secondaires sont cohérentes, c'est-à-dire une fois superposés, ils produiront un motif d'interférence stable.

Diffraction de la lumière. La diffraction de la lumière est le phénomène de déviation de la lumière par rapport à sa propagation rectiligne.

Diffraction en rayons parallèles à partir d'une seule fente. Laissez la largeur cible V un faisceau parallèle de lumière monochromatique tombe (voir Fig. 3) :

Une lentille est installée sur le trajet des rayons L , dans le plan focal duquel se trouve l'écran E . La plupart des rayons ne diffractent pas, c'est-à-dire ne changent pas de direction et ils sont focalisés par l'objectif L au centre de l'écran, formant un maximum central ou un maximum d'ordre zéro. Rayons diffractants à angles de diffraction égaux φ , formera des maximums 1,2,3,…, sur l'écran n - ordres de grandeur.

Ainsi, le diagramme de diffraction obtenu à partir d'une fente dans des faisceaux parallèles lorsqu'il est éclairé par une lumière monochromatique est une bande claire avec un éclairage maximum au centre de l'écran, puis il y a une bande sombre (minimum du 1er ordre), puis il y a une bande lumineuse rayure (maximum de la 1ère commande), bande sombre (2ème commande minimum), 2ème commande maximum, etc. Le diagramme de diffraction est symétrique par rapport au maximum central. Lorsque la fente est éclairée par une lumière blanche, un système de bandes de couleurs se forme sur l'écran ; seul le maximum central conservera la couleur de la lumière incidente.

Conditions maximum Et min diffraction. Si dans la différence de chemin optique Δ un nombre impair de segments égal à , alors on observe une augmentation de l'intensité lumineuse ( maximum diffraction):

Où k – ordre du maximum ; k =±1,±2,±…,± n;

λ – longueur d'onde.

Si dans la différence de chemin optique Δ un nombre pair de segments égal à , alors on observe un affaiblissement de l'intensité lumineuse ( min diffraction):

Où k - commande minimum.

Réseau de diffraction. Un réseau de diffraction est constitué d'une alternance de bandes opaques au passage de la lumière et de bandes (fentes) d'égale largeur transparentes à la lumière.

La principale caractéristique d'un réseau de diffraction est sa période d . La période du réseau de diffraction est la largeur totale des bandes transparentes et opaques :

Un réseau de diffraction est utilisé dans les instruments optiques pour améliorer la résolution de l'appareil. La résolution d'un réseau de diffraction dépend de l'ordre du spectre k et sur le nombre de coups N :

Où R. - résolution.

Dérivation de la formule du réseau de diffraction. Dirigons deux faisceaux parallèles vers le réseau de diffraction : 1 et 2 pour que la distance entre eux soit égale à la période du réseau d .

Aux points UN Et DANS les rayons 1 et 2 diffractent, s'écartant de la direction rectiligne selon un angle φ – l'angle de diffraction.

Des rayons Et focalisé par l'objectif L sur l'écran situé dans le plan focal de l'objectif (Fig. 5). Chaque fente du réseau peut être considérée comme une source d'ondes secondaires (principe de Huygens-Fresnel). Sur l'écran au point D on observe le maximum de la figure d'interférence.

De ce point UN sur le trajet du faisceau laissez tomber la perpendiculaire et obtenez le point C. considérez le triangle abc : triangle rectangle, ÐVAC=Ðφ comme des angles dont les côtés sont perpendiculaires entre eux. Depuis Δ ABC:

Où AB=d (par construction),

CB = Δ – différence de chemin optique.

Puisqu'au point D nous observons une interférence maximale, alors

Où k – ordre du maximum,

λ – longueur d'onde de la lumière.

Remplacement des valeurs AB=d, dans la formule pour péchéφ :

De là, nous obtenons :

En général, la formule du réseau de diffraction est :

Les signes ± indiquent que le motif d'interférence sur l'écran est symétrique par rapport au maximum central.

Fondements physiques de l'holographie. L'holographie est une méthode d'enregistrement et de reconstruction d'un champ d'ondes basée sur les phénomènes de diffraction et d'interférence des ondes. Si sur une photographie ordinaire, seule l'intensité des ondes réfléchies par un objet est enregistrée, alors les phases des ondes sont en outre enregistrées sur l'hologramme, ce qui fournit des informations supplémentaires sur l'objet et permet d'obtenir une image tridimensionnelle de l'objet. objet.

1308. Est-il possible qu'un rayon traverse l'interface entre deux milieux différents sans être réfracté ? Si oui, dans quelles conditions ?
Oui. Sous condition de chute verticale sur l’interface entre deux supports différents.

1309. Quelle est la vitesse de la lumière :
a) dans l'eau,
b) en verre,
c) en diamant ?

1310. Calculez l'indice de réfraction du verre par rapport à l'eau lorsqu'un rayon de lumière passe de l'eau au verre.

1311. La figure 161 montre un rayon qui va obliquement jusqu'au bord d'une plaque de verre puis sort dans l'air. Dessinez la trajectoire du faisceau dans les airs.

1312. La figure 162 montre un rayon qui tombe de l'air sur la face d'une plaque de verre, la traverse et sort dans l'air. Dessinez le chemin du rayon.

1313. Un rayon venu de l'air pénètre dans le milieu A (fig. 163). Trouvez l'indice de réfraction du milieu A.

1314. La densité optique de l'air augmente à mesure qu'il s'approche de la surface de la Terre. Comment cela affectera-t-il la trajectoire du faisceau entrant dans l’atmosphère :
a) verticalement,
b) obliquement ?
A) pour un faisceau entrant verticalement dans l'atmosphère, la vitesse diminuera
B) pour un faisceau entrant obliquement dans l'atmosphère, la vitesse diminuera et la trajectoire sera courbée.

1315. Lorsque vous regardez à travers un verre épais, les objets semblent déplacés. Pourquoi?
Car en passant à travers le verre, les rayons lumineux sont réfractés. Changeant ainsi sa direction.

1316. Pourquoi les planètes dans le ciel brillent-elles d'une lumière uniforme et les étoiles scintillent-elles ?

1317. La Lune est sphérique, mais pour nous, depuis la Terre, sa surface nous apparaît plate et non convexe. Pourquoi?

1318. Lorsque nous regardons à travers l'eau jusqu'au fond du réservoir, il semble plus proche qu'il ne l'est en réalité. Pourquoi?
Parce que la lumière est réfractée lorsqu’elle traverse l’interface eau-air. Et le fond semble plus proche qu’il ne l’est en réalité.

1319*. Lisez le problème précédent. Déterminez combien de fois la profondeur réelle est supérieure à la profondeur apparente.

1320*. La pierre se trouve au fond de la rivière à une profondeur de 2 m (Fig. 164). Si nous le regardons d’en haut, à quelle profondeur nous apparaîtra-t-il ?

1321. Une tige droite est descendue dans l'eau (Fig. 165). L'observateur regarde d'en haut. Comment voit-il le bout de la tige ?

1322. Il existe un prisme de verre creux rempli d'air dans l'eau. Tracez le trajet d'un rayon incident sur l'une des faces réfringentes d'un tel prisme. Peut-on dire qu’un tel prisme dévie deux fois un rayon lumineux le traversant vers la base ?
Lorsqu'un faisceau passe de l'eau à l'air, il est dévié horizontalement vers le haut, car L'angle de réfraction dans l'air est supérieur à l'angle d'incidence dans l'eau. Après avoir traversé le prisme, le faisceau tombe sur l’interface air-eau. Ensuite, il se réfracte, s'écartant un peu plus vers le haut.

1323. L'indice de réfraction de l'eau est de 1,33, la térébenthine est de 1,51. Trouvez l'indice de réfraction de la térébenthine par rapport à l'eau.

1325. Déterminer la vitesse de la lumière dans un diamant dont l'indice de réfraction est de 2,4.

1326. Tracez le trajet du rayon lorsqu'il passe du verre à l'air, si l'angle d'incidence est de 45° et l'indice de réfraction du verre est de 1,72.

1327. Trouvez l'angle limite de réflexion interne totale pour le sel gemme (n = 1,54).

1328. Déterminer le déplacement du faisceau lors du passage à travers une plaque de verre plan parallèle d'épaisseur d=3 cm, si le faisceau tombe selon un angle de 60°. Indice de réfraction du verre n=1,51.

1329. Trouver la position de l'image d'un objet situé à une distance de 4 cm de la surface avant d'une plaque plan-parallèle de 1 cm d'épaisseur, argentée au verso, en supposant que l'indice de réfraction de la substance de la plaque est de 1,51.

1330. Une plaque de verre épaisse est complètement immergée à plat dans l'eau. Dessinez le trajet du rayon venant de l’air à travers l’eau et l’assiette. (Le verre est un milieu optiquement plus dense que l’eau).

1331. Parfois les objets que nous observons à travers la fenêtre semblent courbés. Pourquoi?
Parce que le verre n'est pas parfaitement uniforme et lisse. Cela est dû à la répartition non uniforme du plan optique du verre.

1332. La figure 166 montre une source lumineuse ponctuelle S située devant un prisme triangulaire. Si nous regardons S à travers un prisme, où nous apparaîtra ce point ? Dessinez le chemin des rayons.

1333. Le faisceau lumineux va perpendiculairement à l'une des faces d'un prisme trièdre rectangulaire en verre (Fig. 167). Tracez le chemin du rayon à travers le prisme.

Les processus associés à la lumière constituent une composante importante de la physique et nous entourent partout dans notre vie quotidienne. Les plus importantes dans cette situation sont les lois de réflexion et de réfraction de la lumière, sur lesquelles repose l'optique moderne. La réfraction de la lumière est une partie importante de la science moderne.

Effet de distorsion

Cet article vous expliquera ce qu'est le phénomène de réfraction de la lumière, ainsi qu'à quoi ressemble la loi de la réfraction et ce qui en découle.

Bases d'un phénomène physique

Lorsqu'un faisceau tombe sur une surface séparée par deux substances transparentes ayant des densités optiques différentes (par exemple, des verres différents ou dans l'eau), certains rayons seront réfléchis et d'autres pénétreront dans la seconde structure (par exemple, ils se propageront dans l'eau ou le verre). Lorsqu'il passe d'un milieu à un autre, un rayon change généralement de direction. C'est le phénomène de réfraction de la lumière.
La réflexion et la réfraction de la lumière sont particulièrement visibles dans l'eau.

Effet de distorsion dans l'eau

En regardant les objets dans l’eau, ils semblent déformés. Ceci est particulièrement visible à la frontière entre l’air et l’eau. Visuellement, les objets sous-marins semblent légèrement déviés. Le phénomène physique décrit est précisément la raison pour laquelle tous les objets semblent déformés dans l’eau. Lorsque les rayons frappent le verre, cet effet est moins perceptible.
La réfraction de la lumière est un phénomène physique caractérisé par un changement de direction de déplacement d'un rayon solaire au moment où il passe d'un milieu (structure) à un autre.
Pour améliorer notre compréhension de ce processus, prenons l’exemple d’un faisceau frappant l’eau depuis l’air (de la même manière pour le verre). En traçant une ligne perpendiculaire le long de l’interface, l’angle de réfraction et le retour du faisceau lumineux peuvent être mesurés. Cet indice (angle de réfraction) changera à mesure que le flux pénètre dans l'eau (à l'intérieur du verre).
Note! Ce paramètre s'entend comme l'angle formé par une perpendiculaire tracée à la séparation de deux substances lorsqu'un faisceau pénètre de la première structure vers la seconde.

Passage du faisceau

Le même indicateur est typique pour d'autres environnements. Il a été établi que cet indicateur dépend de la densité de la substance. Si le faisceau passe d’une structure moins dense à une structure plus dense, l’angle de distorsion créé sera alors plus grand. Et si c’est l’inverse, alors c’est moins.
Dans le même temps, un changement dans la pente de la baisse affectera également cet indicateur. Mais la relation entre eux ne reste pas constante. Dans le même temps, le rapport de leurs sinus restera une valeur constante, ce qui se traduit par la formule suivante : sinα / sinγ = n, où :

• n est une valeur constante décrite pour chaque substance spécifique (air, verre, eau, etc.). Par conséquent, quelle sera cette valeur peut être déterminée à l'aide de tableaux spéciaux ;
• α – angle d'incidence ;
• γ – angle de réfraction.

Pour déterminer ce phénomène physique, la loi de la réfraction a été créée.

Loi physique

La loi de réfraction des flux lumineux permet de déterminer les caractéristiques des substances transparentes. La loi elle-même se compose de deux dispositions :

• Première partie. Le faisceau (incident, modifié) et la perpendiculaire, qui a été restituée au point d'incidence sur la frontière, par exemple, de l'air et de l'eau (verre, etc.), seront situés dans le même plan ;
• La seconde partie. Le rapport du sinus de l'angle d'incidence au sinus du même angle formé lors du franchissement de la frontière sera une valeur constante.

Description de la loi

Dans ce cas, au moment où le faisceau quitte la deuxième structure pour entrer dans la première (par exemple, lorsque le flux lumineux passe de l'air, à travers le verre et retourne dans l'air), un effet de distorsion se produira également.

Un paramètre important pour différents objets

L'indicateur principal dans cette situation est le rapport du sinus de l'angle d'incidence à un paramètre similaire, mais pour la distorsion. Comme il ressort de la loi décrite ci-dessus, cet indicateur est une valeur constante.
De plus, lorsque la valeur de la pente de déclin change, la même situation sera typique pour un indicateur similaire. Ce paramètre est d'une grande importance car il fait partie intégrante des substances transparentes.

Indicateurs pour différents objets

Grâce à ce paramètre, vous pouvez distinguer assez efficacement les types de verre, ainsi que les différentes pierres précieuses. C’est également important pour déterminer la vitesse de la lumière dans divers environnements.

Note! La vitesse la plus élevée du flux lumineux se produit dans le vide.

En passant d'une substance à une autre, sa vitesse diminuera. Par exemple, le diamant, qui possède l’indice de réfraction le plus élevé, aura une vitesse de propagation des photons 2,42 fois supérieure à celle de l’air. Dans l’eau, ils se propageront 1,33 fois plus lentement. Pour différents types de verre, ce paramètre varie de 1,4 à 2,2.

Note! Certains verres ont un indice de réfraction de 2,2, très proche du diamant (2,4). Il n’est donc pas toujours possible de distinguer un morceau de verre d’un vrai diamant.

Densité optique des substances

La lumière peut pénétrer à travers différentes substances caractérisées par différentes densités optiques. Comme nous l'avons dit précédemment, en utilisant cette loi, vous pouvez déterminer la caractéristique de densité du milieu (structure). Plus il est dense, plus la vitesse à laquelle la lumière s’y propage est lente. Par exemple, le verre ou l’eau seront optiquement plus denses que l’air.
En plus du fait que ce paramètre est une valeur constante, il reflète également le rapport de la vitesse de la lumière dans deux substances. La signification physique peut être affichée sous la forme de la formule suivante :

Cet indicateur indique comment la vitesse de propagation des photons change lors du passage d'une substance à une autre.

Un autre indicateur important

Lorsqu'un flux lumineux traverse des objets transparents, sa polarisation est possible. Elle s'observe lors du passage d'un flux lumineux issu de milieux diélectriques isotropes. La polarisation se produit lorsque les photons traversent le verre.

Effet de polarisation

Une polarisation partielle est observée lorsque l'angle d'incidence du flux lumineux à la frontière de deux diélectriques diffère de zéro. Le degré de polarisation dépend des angles d'incidence (loi de Brewster).

Réflexion interne complète

Pour conclure notre courte excursion, il est encore nécessaire de considérer un effet tel qu'une réflexion interne complète.

Le phénomène de l'affichage complet

Pour que cet effet apparaisse, il faut augmenter l'angle d'incidence du flux lumineux au moment de son passage d'un milieu plus dense à un milieu moins dense à l'interface entre substances. Dans une situation où ce paramètre dépasse une certaine valeur limite, alors les photons incidents à la limite de cette section seront complètement réfléchis. En fait, ce sera le phénomène souhaité. Sans cela, il était impossible de fabriquer de la fibre optique.

Conclusion

L'application pratique du comportement du flux lumineux a beaucoup apporté, créant une variété de dispositifs techniques pour améliorer nos vies. Dans le même temps, la lumière n’a pas encore révélé toutes ses possibilités à l’humanité et son potentiel pratique n’a pas encore été pleinement exploité.

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