Fizikos dėsniai vaidina labai svarbų vaidmenį atliekant skaičiavimus planuojant konkrečią bet kokio gaminio gamybos strategiją arba rengiant įvairios paskirties konstrukcijų statybos projektą. Skaičiuojama daug dydžių, todėl matavimai ir skaičiavimai atliekami prieš pradedant planavimo darbus. Pavyzdžiui, stiklo lūžio rodiklis yra lygus kritimo kampo sinuso ir lūžio kampo sinuso santykiui.
Taigi pirmiausia yra kampų matavimo procesas, tada apskaičiuojamas jų sinusas ir tik tada galima gauti norimą reikšmę. Nepaisant to, kad yra lentelės duomenų, kiekvieną kartą verta atlikti papildomus skaičiavimus, nes žinynuose dažnai naudojamos idealios sąlygos, kurių realiame gyvenime pasiekti beveik neįmanoma. Todėl iš tikrųjų rodiklis būtinai skirsis nuo lentelės, o kai kuriose situacijose tai yra labai svarbu.
Absoliutus rodiklis
Absoliutus lūžio rodiklis priklauso nuo stiklo prekės ženklo, nes praktiškai yra daugybė variantų, kurie skiriasi sudėtimi ir skaidrumo laipsniu. Vidutiniškai jis yra 1,5 ir svyruoja apie šią vertę 0,2 viena ar kita kryptimi. Retais atvejais gali būti nukrypimų nuo šio skaičiaus.
Vėlgi, jei svarbus tikslus rodiklis, negalima išvengti papildomų matavimų. Tačiau jie taip pat neduoda 100% patikimo rezultato, nes galutinę vertę įtakoja saulės padėtis danguje ir debesuotumas matavimo dieną. Laimei, 99,99% atvejų pakanka tiesiog žinoti, kad tokios medžiagos kaip stiklas lūžio rodiklis yra didesnis nei vienas ir mažesnis už du, o visos kitos dešimtosios ir šimtosios dalys neturi reikšmės.
Forumuose, kurie padeda išspręsti fizikos problemas, dažnai kyla klausimas: koks yra stiklo ir deimanto lūžio rodiklis? Daugelis žmonių mano, kad kadangi šios dvi medžiagos savo išvaizda yra panašios, jų savybės turėtų būti maždaug vienodos. Tačiau tai klaidinga nuomonė.
Maksimalus stiklo lūžis bus apie 1,7, o deimantų šis rodiklis siekia 2,42. Šis brangakmenis yra viena iš nedaugelio medžiagų Žemėje, kurios lūžio rodiklis viršija 2. Taip yra dėl jo kristalinės struktūros ir didelio šviesos spindulių sklaidos lygio. Pjūvis vaidina minimalų vaidmenį keičiant lentelės vertę.
Santykinis rodiklis
Kai kurių aplinkų santykinį rodiklį galima apibūdinti taip:
- - stiklo lūžio rodiklis vandens atžvilgiu yra maždaug 1,18;
- - tos pačios medžiagos lūžio rodiklis oro atžvilgiu yra lygus 1,5;
- - lūžio rodiklis alkoholio atžvilgiu - 1,1.
Rodiklio matavimai ir santykinės vertės skaičiavimai atliekami pagal gerai žinomą algoritmą. Norint rasti santykinį parametrą, vieną lentelės reikšmę reikia padalyti iš kitos. Arba atlikite eksperimentinius dviejų aplinkų skaičiavimus ir gautus duomenis padalinkite. Tokios operacijos dažnai atliekamos laboratorinėse fizikos pamokose.
Lūžio rodiklio nustatymas
Praktiškai nustatyti stiklo lūžio rodiklį gana sunku, nes pradiniams duomenims išmatuoti reikalingi didelio tikslumo instrumentai. Bet kokia klaida padidės, nes skaičiuojant naudojamos sudėtingos formulės, reikalaujančios, kad klaidų nebūtų.
Apskritai šis koeficientas parodo, kiek kartų sulėtėja šviesos spindulių sklidimo greitis pravažiuojant tam tikrą kliūtį. Todėl tai būdinga tik skaidrioms medžiagoms. Dujų lūžio rodiklis laikomas etalonine verte, tai yra, kaip vienetas. Tai buvo padaryta tam, kad atliekant skaičiavimus būtų galima pradėti nuo tam tikros vertės.
Jei saulės spindulys nukrenta ant stiklo paviršiaus, kurio lūžio rodiklis yra lygus lentelės dydžiui, jį galima pakeisti keliais būdais:
- 1. Ant viršaus klijuokite plėvelę, kurios lūžio rodiklis bus didesnis nei stiklo. Šis principas naudojamas automobilių stiklų tamsinimo srityje, siekiant pagerinti keleivių komfortą ir leisti vairuotojui geriau matyti eismo sąlygas. Plėvelė taip pat slopins ultravioletinę spinduliuotę.
- 2. Dažais nudažykite stiklą. Taip elgiasi pigių akinių nuo saulės gamintojai, tačiau verta manyti, kad tai gali pakenkti regėjimui. Geruose modeliuose stiklas iš karto gaminamas spalvotas naudojant specialią technologiją.
- 3. Panardinkite stiklinę į skystį. Tai naudinga tik eksperimentams.
Jei šviesos spindulys praeina iš stiklo, tada kitos medžiagos lūžio rodiklis apskaičiuojamas naudojant santykinį koeficientą, kurį galima gauti palyginus lentelės reikšmes. Šie skaičiavimai yra labai svarbūs projektuojant optines sistemas, kurios turi praktines ar eksperimentines apkrovas. Klaidos čia yra nepriimtinos, nes jos sukels netinkamą viso įrenginio veikimą, o tada visi su jo pagalba gauti duomenys bus nenaudingi.
Norėdami nustatyti šviesos greitį stikle su lūžio rodikliu, absoliučią greičio vakuume vertę reikia padalyti iš lūžio rodiklio. Vakuumas naudojamas kaip etaloninė terpė, nes nėra lūžio, nes nėra medžiagų, kurios galėtų trukdyti sklandžiam šviesos spindulių judėjimui tam tikru keliu.
Bet kokiuose apskaičiuotuose rodikliuose greitis bus mažesnis nei etaloninėje terpėje, nes lūžio rodiklis visada yra didesnis už vienetą.
DĖL PASKAITOS Nr.24
"INSTRUMENTINIAI ANALIZĖS METODAI"
REFRAKTOMETRIJA.
Literatūra:
1. V.D. Ponomarevas “Analitinė chemija” 1983 246-251
2. A.A. Iščenko “Analitinė chemija” 2004 p. 181-184
REFRAKTOMETRIJA.
Refraktometrija yra vienas iš paprasčiausių fizikinių analizės metodų, naudojant minimalų analitės kiekį ir atliekamas per labai trumpą laiką.
Refraktometrija- metodas, pagrįstas lūžio arba refrakcijos reiškiniu t.y. keičiant šviesos sklidimo kryptį pereinant iš vienos terpės į kitą.
Refrakcija, kaip ir šviesos sugertis, yra jos sąveikos su terpe pasekmė. Žodis refraktometrija reiškia matavimas šviesos lūžis, kuris apskaičiuojamas pagal lūžio rodiklio reikšmę.
Lūžio rodiklio reikšmė n priklauso
1) apie medžiagų ir sistemų sudėtį,
2) nuo fakto kokioje koncentracijoje ir su kokiomis molekulėmis šviesos spindulys susiduria savo kelyje, nes Šviesos įtakoje skirtingų medžiagų molekulės poliarizuojasi skirtingai. Būtent šia priklausomybe remiasi refraktometrinis metodas.
Šis metodas turi nemažai privalumų, dėl kurių buvo plačiai pritaikytas tiek cheminiuose tyrimuose, tiek technologinių procesų valdyme.
1) Lūžio rodiklių matavimas yra labai paprastas procesas, kuris atliekamas tiksliai ir su minimaliu laiko bei medžiagos kiekiu.
2) Paprastai refraktometrai užtikrina iki 10 % tikslumą nustatant šviesos lūžio rodiklį ir analitės kiekį.
Refraktometrijos metodas naudojamas autentiškumui ir grynumui kontroliuoti, atskiroms medžiagoms identifikuoti, tiriant tirpalus organinių ir neorganinių junginių struktūrai nustatyti. Refraktometrija naudojama dviejų komponentų tirpalų sudėčiai nustatyti ir trinarėms sistemoms.
Fizinis metodo pagrindas
LŪGIO RODYKLĖ.
Kuo didesnis šviesos sklidimo greičio skirtumas abiejose, tuo didesnis šviesos spindulio nuokrypis nuo pradinės krypties, kai jis pereina iš vienos terpės į kitą.
šios aplinkos.
Panagrinėkime šviesos pluošto lūžį ties bet kurių dviejų skaidrių terpių I ir II riba (žr. pav.). Sutikime, kad II terpė turi didesnę lūžio galią, todėl n 1 Ir n 2- rodo atitinkamos terpės lūžį. Jei terpė I nėra vakuumas ar oras, tai šviesos pluošto kritimo sin kampo ir nuodėmės lūžio kampo santykis duos santykinio lūžio rodiklio n rel reikšmę. Vertė n santyk. taip pat gali būti apibrėžtas kaip nagrinėjamų terpių lūžio rodiklių santykis.
n rel. = ----- = ---
Lūžio rodiklio reikšmė priklauso nuo
1) medžiagų pobūdis
Medžiagos prigimtį šiuo atveju lemia jos molekulių deformuojamumo laipsnis veikiant šviesai – poliarizacijos laipsnis. Kuo intensyvesnis poliarizavimas, tuo stipresnis šviesos lūžis.
2)krintančios šviesos bangos ilgis
Lūžio rodiklis matuojamas esant 589,3 nm šviesos bangos ilgiui (natrio spektro linija D).
Lūžio rodiklio priklausomybė nuo šviesos bangos ilgio vadinama dispersija. Kuo trumpesnis bangos ilgis, tuo didesnė refrakcija. Todėl skirtingo bangos ilgio spinduliai lūžta skirtingai.
3)temperatūros , kuriame atliekamas matavimas. Būtina sąlyga norint nustatyti lūžio rodiklį yra temperatūros režimo laikymasis. Paprastai nustatymas atliekamas 20±0,3 0 C temperatūroje.
Kylant temperatūrai, mažėjant temperatūrai lūžio rodiklis didėja;.
Temperatūros poveikio korekcija apskaičiuojama pagal šią formulę:
n t =n 20 + (20-t) 0,0002, kur
n t – Iki lūžio rodiklis tam tikroje temperatūroje,
n 20 - lūžio rodiklis 20 0 C temperatūroje
Temperatūros įtaka dujų ir skysčių lūžio rodiklių vertėms yra susijusi su jų tūrinio plėtimosi koeficientų reikšmėmis. Kaitinant didėja visų dujų ir skysčių tūris, mažėja tankis ir atitinkamai mažėja indikatorius
Lūžio rodiklis, išmatuotas esant 20 0 C temperatūrai ir 589,3 nm šviesos bangos ilgiui, žymimas indeksu n D 20
Vienalytės dviejų komponentų sistemos lūžio rodiklio priklausomybė nuo jos būsenos nustatoma eksperimentiškai, nustatant daugelio standartinių sistemų (pavyzdžiui, tirpalų), kurių komponentų turinys yra žinomas, lūžio rodiklį.
4) medžiagos koncentracija tirpale.
Daugelio vandeninių medžiagų tirpalų lūžio rodikliai esant skirtingoms koncentracijoms ir temperatūroms yra patikimai išmatuojami, ir tokiais atvejais galima naudoti žinynus. refraktometrinės lentelės. Praktika rodo, kad kai ištirpusios medžiagos kiekis neviršija 10-20%, kartu su grafiniu metodu daugeliu atvejų galima naudoti tiesinė lygtis kaip:
n=n o +FC,
n- tirpalo lūžio rodiklis,
ne- gryno tirpiklio lūžio rodiklis,
C- tirpių medžiagų koncentracija, %
F-empirinis koeficientas, kurio reikšmė randama
nustatant žinomos koncentracijos tirpalų lūžio rodiklį.
REFRAKTOMETRAS.
Refraktometrai yra prietaisai, naudojami lūžio rodikliui matuoti. Yra 2 šių prietaisų tipai: Abbe tipo ir Pulfrich tipo refraktometras. Abiem atvejais matavimai pagrįsti didžiausio lūžio kampo nustatymu. Praktikoje naudojami įvairių sistemų refraktometrai: laboratoriniai-RL, universalieji RL ir kt.
Distiliuoto vandens lūžio rodiklis yra n 0 = 1,33299, tačiau praktiškai šis rodiklis laikomas etaloniniu n 0 =1,333.
Refraktometrų veikimo principas pagrįstas lūžio rodiklio nustatymu ribinio kampo metodu (visiško šviesos atspindžio kampu).
Rankinis refraktometras
Abbe refraktometras
Refraktometrijos taikymo sritys.
Refraktometro IRF-22 konstrukcija ir veikimo principas.
Lūžio rodiklio samprata.
Planuoti
Refraktometrija. Metodo ypatybės ir esmė.
Medžiagoms identifikuoti ir jų grynumui patikrinti jie naudoja
refrakcijos gamintojas.
Medžiagos lūžio rodiklis- reikšmė, lygi šviesos fazių greičių (elektromagnetinių bangų) santykiui vakuume ir matomoje terpėje.
Lūžio rodiklis priklauso nuo medžiagos savybių ir bangos ilgio
elektromagnetinė spinduliuotė. Kritimo kampo sinuso santykis su
normalė, nubrėžta į spindulio lūžio plokštumą (α) su lūžio kampo sinusu
lūžis (β), kai spindulys pereina iš terpės A į terpę B, vadinamas santykiniu šios terpių poros lūžio rodikliu.
Reikšmė n yra santykinis terpės B lūžio rodiklis pagal
santykis su aplinka A ir
A santykinis lūžio rodiklis terpės A atžvilgiu
Spindulio, patenkančio į terpę iš beorio, lūžio rodiklis
erdvė vadinama jos absoliučiu lūžio rodikliu arba
tiesiog tam tikros terpės lūžio rodiklis (1 lentelė).
1 lentelė – Įvairių terpių lūžio rodikliai
Skysčių lūžio rodiklis yra nuo 1,2 iki 1,9. Tvirtas
medžiagos 1,3-4,0. Kai kurie mineralai neturi tikslios vertės
refrakcijai. Jo vertė yra kažkokioje „šakėje“ ir lemia
dėl kristalų struktūroje esančių priemaišų, kurios lemia spalvą
krištolas.
Sunku atpažinti mineralą pagal „spalvą“. Taigi mineralinis korundas egzistuoja rubino, safyro, leukozafyro pavidalu, skiriasi
lūžio rodiklis ir spalva. Raudonieji korundai vadinami rubinais
(chromo priemaiša), bespalvė mėlyna, šviesiai mėlyna, rožinė, geltona, žalia,
violetinė – safyrai (kobalto, titano ir kt. priemaišos). Šviesios spalvos
balti safyrai arba bespalvis korundas vadinamas leukozafyru (plačiai
naudojamas optikoje kaip filtras). Šių kristalų lūžio rodiklis
plienas yra 1,757–1,778 diapazone ir yra identifikavimo pagrindas
3.1 pav. – Rubinas 3.2 pav. – Mėlynas safyras
Organiniai ir neorganiniai skysčiai taip pat turi būdingas lūžio rodiklio vertes, kurios apibūdina juos kaip cheminius
Rusiški junginiai ir jų sintezės kokybė (2 lentelė):
2 lentelė. Kai kurių skysčių lūžio rodikliai 20 °C temperatūroje
4.2. Refraktometrija: koncepcija, principas.
Medžiagų tyrimo metodas, pagrįstas rodiklio nustatymu
Lūžio (lūžio) indeksas vadinamas refraktometrija (nuo
lat. refractus – refraktas ir graikiškas. metreo – matuoju). Refraktometrija
(refraktometrinis metodas) naudojamas cheminei medžiagai nustatyti
junginiai, kiekybinė ir struktūrinė analizė, fizikinių
cheminių medžiagų parametrai. Įgyvendintas refraktometrijos principas
Abbe refraktometruose, parodyta 1 paveiksle.
1 pav. Refraktometrijos principas
Abbe prizmių blokas susideda iš dviejų stačiakampių prizmių: apšvietimo
telialus ir išmatuojamas, sulankstytas hipotenuziniais veidais. Šviestuvas-
Ši prizmė turi šiurkščią (matinę) hipotenuzę ir yra skirta
chen apšviesti tarp prizmių padėto skysčio mėginį.
Išsklaidyta šviesa praeina pro plokštumai lygiagretų tiriamojo skysčio sluoksnį ir, lūžusi skystyje, patenka į matavimo prizmę. Matavimo prizmė pagaminta iš optiškai tankaus stiklo (sunkiojo titnago), jos lūžio rodiklis didesnis nei 1,7. Dėl šios priežasties Abbe refraktometras matuoja n reikšmes, mažesnes nei 1,7. Padidinti lūžio rodiklio matavimo diapazoną galima tik pakeitus matavimo prizmę.
Tiriamasis mėginys pilamas ant matavimo prizmės hipotenuzinės pusės ir prispaudžiamas šviečiančia prizme. Šiuo atveju tarp prizmių, kuriose yra mėginys, ir per ją lieka 0,1–0,2 mm tarpas.
kuri praeina pro lūžusią šviesą. Išmatuoti lūžio rodiklį
naudoti visiško vidinio atspindžio fenomeną. Tai slypi
kitas.
Jei spinduliai 1, 2, 3 patenka į sąsają tarp dviejų laikmenų, tai priklauso nuo to
priklausomai nuo kritimo kampo juos stebint laužiamojoje terpėje bus
Yra perėjimas tarp skirtingo apšvietimo sričių. Tai prijungta
kai kuri nors šviesos dalis nukrenta ant lūžio ribos artimu kampu
kim iki 90°, palyginti su normalia (spindulys 3). (2 pav.).
2 pav. – Lūžusių spindulių vaizdas
Ši spindulių dalis neatsispindi, todėl sudaro lengvesnę aplinką.
galia refrakcijos metu. Mažesnio kampo spinduliai taip pat atsispindi
ir refrakcija. Todėl susidaro mažiau apšviesta sritis. Apimtyje
Ant lęšio matoma viso vidinio atspindžio ribinė linija, padėtis
kuris priklauso nuo mėginio lūžio savybių.
Dispersijos reiškinio pašalinimas (sąsaja tarp dviejų apšvietimo sričių nuspalvinama vaivorykštės spalvomis dėl sudėtingos baltos šviesos naudojimo Abbe refraktometruose) pasiekiamas naudojant dvi Amici prizmes kompensatoriuje, kurios sumontuotos teleskope. . Tuo pačiu metu į objektyvą projektuojama skalė (3 pav.). Analizei pakanka 0,05 ml skysčio.
3 pav. Vaizdas per refraktometro okuliarą. (Dešinioji skalė atspindi
išmatuoto komponento koncentracija ppm)
Be vienkomponentinių mėginių analizės,
dviejų komponentų sistemos (vandeniniai tirpalai, medžiagų tirpalai, kuriuose
arba tirpiklis). Idealiose dviejų komponentų sistemose (formuojant
nekeičiant komponentų tūrio ir poliarizavimo), priklausomybė rodo
Lūžio priklausomybė nuo kompozicijos yra artima tiesinei, jei kompozicija išreiškiama
tūrio dalys (procentais)
čia: n, n1, n2 - mišinio ir komponentų lūžio rodikliai,
V1 ir V2 yra komponentų tūrio dalys (V1 + V2 = 1).
Temperatūros įtaka lūžio rodikliui nustatoma dviem
veiksniai: skysčio dalelių skaičiaus pokytis tūrio vienete ir
molekulių poliarizuojamumo priklausomybė nuo temperatūros. Antrasis veiksnys tapo
reikšmingas tampa tik esant labai dideliems temperatūros pokyčiams.
Lūžio rodiklio temperatūros koeficientas yra proporcingas temperatūriniam tankio koeficientui. Kadangi kaitinant visi skysčiai plečiasi, jų lūžio rodikliai mažėja kylant temperatūrai. Temperatūros koeficientas priklauso nuo skysčio temperatūros, tačiau nedideliais temperatūros intervalais jis gali būti laikomas pastoviu. Dėl šios priežasties dauguma refraktometrų neturi temperatūros kontrolės, tačiau kai kuriose konstrukcijose tai yra
vandens termostatas.
Esant nedideliems temperatūrų skirtumams (10 – 20°C) yra priimtina linijinė lūžio rodiklio ekstrapoliacija su temperatūros pokyčiais.
Tikslus lūžio rodiklio nustatymas plačiuose temperatūrų diapazonuose atliekamas naudojant empirines formules:
nt=n0+at+bt2+…
Tirpalų refraktometrijai plačiuose koncentracijų diapazonuose
naudokite lenteles arba empirines formules. Vaizdo priklausomybė –
kai kurių medžiagų vandeninių tirpalų lūžio rodiklis priklausomai nuo koncentracijos
yra artimas tiesinei ir leidžia nustatyti šių medžiagų koncentracijas
vandens plačiuose koncentracijų diapazonuose (4 pav.), naudojant refrakciją
tometrai.
4 pav. Kai kurių vandeninių tirpalų lūžio rodiklis
Dažniausiai n skystų ir kietų kūnų tiksliai nustatomi refraktometrais
iki 0,0001. Labiausiai paplitę yra Abbe refraktometrai (5 pav.) su prizmių blokais ir dispersijos kompensatoriais, kurie leidžia nD nustatyti „baltoje“ šviesoje naudojant skalę arba skaitmeninį indikatorių.
5 pav. Abbe refraktometras (IRF-454; IRF-22)
Bilietas 75.
Šviesos atspindžio dėsnis: krintantys ir atsispindėję spinduliai, taip pat statmenas sąsajai tarp dviejų terpių, rekonstruotas spindulio kritimo taške, yra toje pačioje plokštumoje (kritimo plokštumoje). Atspindžio kampas γ lygus kritimo kampui α.
Šviesos lūžio dėsnis: krintantys ir lūžę spinduliai, taip pat statmena sąsajai tarp dviejų terpių, rekonstruota spindulio kritimo taške, yra toje pačioje plokštumoje. Kritimo kampo α sinuso ir lūžio kampo β sinuso santykis yra pastovi dviejų nurodytų terpių vertė:
Atspindžio ir lūžio dėsniai paaiškinami bangų fizikoje. Remiantis bangų samprata, refrakcija yra bangų sklidimo greičio pokyčių, pereinant iš vienos terpės į kitą, pasekmė. Fizinė lūžio rodiklio reikšmė yra bangų sklidimo greičio pirmojoje terpėje υ 1 ir jų sklidimo antroje terpėje greičio υ 2 santykis:
3.1.1 paveiksle pavaizduoti šviesos atspindžio ir lūžio dėsniai.
Terpė, kurios absoliutus lūžio rodiklis mažesnis, vadinama optiškai mažiau tankia.
Kai šviesa pereina iš optiškai tankesnės terpės į optiškai mažiau tankią terpę n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать visiško atspindžio reiškinys, tai yra lūžusio spindulio išnykimas. Šis reiškinys stebimas kritimo kampais, viršijančiais tam tikrą kritinį kampą α pr, kuris vadinamas ribinis viso vidinio atspindžio kampas(žr. 3.1.2 pav.).
Kritimo kampui α = α pr sin β = 1; reikšmė sin α pr = n 2 / n 1< 1.
Jei antroji terpė yra oras (n 2 ≈ 1), tada formulę patogu perrašyti į formą
Visiško vidinio atspindžio reiškinys naudojamas daugelyje optinių įrenginių. Įdomiausias ir praktiškai svarbiausias pritaikymas yra optinių skaidulų kūrimas – tai ploni (nuo kelių mikrometrų iki milimetrų) savavališkai lenkti siūlai iš optiškai skaidrios medžiagos (stiklo, kvarco). Šviesa, krintanti ant šviesolaidžio galo, gali sklisti juo dideliais atstumais dėl viso vidinio atspindžio nuo šoninių paviršių (3.1.3 pav.). Mokslinė ir techninė kryptis, susijusi su optinių šviesos kreiptuvų kūrimu ir taikymu, vadinama šviesolaidžiu.
Šviesos sklaida (šviesos skilimas)- tai reiškinys, kurį sukelia medžiagos absoliutaus lūžio rodiklio priklausomybė nuo šviesos dažnio (arba bangos ilgio) (dažnio dispersija) arba, tas pats, šviesos fazinio greičio priklausomybė medžiagoje nuo šviesos dažnio (arba bangos ilgio). bangos ilgis (arba dažnis). Jį eksperimentiškai atrado Niutonas apie 1672 m., nors teoriškai gana gerai paaiškino daug vėliau.
Erdvinė sklaida vadinama terpės dielektrinės konstantos tenzoriaus priklausomybe nuo bangos vektoriaus. Ši priklausomybė sukelia daugybę reiškinių, vadinamų erdvinės poliarizacijos efektais.
Vienas ryškiausių sklaidos pavyzdžių - baltos šviesos skaidymas kai praeina per prizmę (Niutono eksperimentas). Dispersijos reiškinio esmė yra skirtingo bangos ilgio šviesos spindulių sklidimo greičio skirtumas skaidrioje medžiagoje - optinėje terpėje (tuo tarpu vakuume šviesos greitis visada yra vienodas, nepriklausomai nuo bangos ilgio, taigi ir spalvos) . Paprastai kuo didesnis šviesos bangos dažnis, tuo didesnis jai skirtos terpės lūžio rodiklis ir mažesnis bangos greitis terpėje:
Niutono eksperimentai Baltos šviesos skaidymo į spektrą eksperimentas: 
Niutonas nukreipė saulės spindulį pro mažą skylutę į stiklinę prizmę. Pataikius į prizmę, spindulys lūždavo ir priešingoje sienoje gaudavo pailgą vaizdą su vaivorykštine spalvų kaita – spektrą. Eksperimentuokite, kaip monochromatinė šviesa praeina per prizmę:
Niutonas saulės spindulio kelyje įdėjo raudoną stiklą, už kurio gavo monochromatinę šviesą (raudoną), tada prizmę ir ekrane stebėjo tik raudoną šviesos spindulio dėmę. Baltos šviesos sintezės (gamybos) patirtis: Pirma, Niutonas nukreipė saulės spindulį į prizmę. Tada, surinkęs iš prizmės išeinančius spalvotus spindulius, naudodami surinkimo lęšį, Niutonas gavo baltą skylės vaizdą ant baltos sienos, o ne spalvotą juostelę. Niutono išvados:- prizmė nekeičia šviesos, o tik suskaido ją į komponentus - šviesos spinduliai, kurių spalva skiriasi, skiriasi lūžio laipsniu; Violetiniai spinduliai lūžta stipriausiai, raudoni mažiau - didžiausias greitis yra raudona šviesa, kuri lūžta mažiau, o violetinė mažiausia, todėl prizmė šviesą skaido. Šviesos lūžio rodiklio priklausomybė nuo jos spalvos vadinama dispersija.
Išvados:- prizmė skaido šviesą - balta šviesa yra sudėtinga (sudėtinė) - violetiniai spinduliai lūžta stipriau nei raudonieji. Šviesos pluošto spalvą lemia jo virpesių dažnis. Pereinant iš vienos terpės į kitą, šviesos greitis ir bangos ilgis kinta, tačiau dažnis, lemiantis spalvą, išlieka pastovus. Baltos šviesos diapazonų ir jos komponentų ribos paprastai apibūdinamos jų bangos ilgiais vakuume. Balta šviesa yra bangų, kurių ilgis nuo 380 iki 760 nm, rinkinys.
Bilietas 77.
Šviesos sugertis. Bouguer dėsnis
Šviesos sugertis medžiagoje yra susijusi su bangos elektromagnetinio lauko energijos pavertimu šilumine medžiagos energija (arba antrinės fotoliuminescencinės spinduliuotės energija). Šviesos sugerties dėsnis (Bouguer dėsnis) turi tokią formą:
Aš = aš 0 exp (- x),(1)
Kur aš 0 , aš- šviesos intensyvumas prie įėjimo (x=0) ir paliekant vidutinio storio sluoksnį X, - sugerties koeficientas, jis priklauso nuo .
Dielektrikams =10 -1 10 -5 m -1 , metalams =10 5 10 7 m -1 , Todėl metalai yra nepermatomi šviesai.
Priklausomybė ( ) paaiškina sugeriančių kūnų spalvą. Pavyzdžiui, stiklas, kuris prastai sugeria raudoną šviesą, apšviestas balta šviesa atrodys raudonas.
Šviesos sklaida. Rayleigh dėsnis
Šviesos difrakcija gali atsirasti optiškai nehomogeninėje terpėje, pavyzdžiui, drumzlinoje aplinkoje (dūmai, rūkas, dulkėtas oras ir kt.). Difrakuodami dėl terpės nehomogeniškumo, šviesos bangos sukuria difrakcijos modelį, kuriam būdingas gana vienodas intensyvumo pasiskirstymas visomis kryptimis.
Ši difrakcija dėl mažų nehomogeniškumo vadinama šviesos sklaida.
Šis reiškinys pastebimas, kai siauras saulės spindulys praeina pro dulkėtą orą, išsisklaido ant dulkių dalelių ir tampa matomas.
Jei nehomogeniškumo dydžiai yra maži, palyginti su bangos ilgiu (ne daugiau kaip 0,1 ), tada išsklaidytos šviesos intensyvumas pasirodo atvirkščiai proporcingas ketvirtajai bangos ilgio galiai, t.y.
aš diss ~ 1/ 4 , (2)
ši priklausomybė vadinama Reilio dėsniu.
Šviesos sklaida taip pat pastebima švariose terpėse, kuriose nėra pašalinių dalelių. Pavyzdžiui, jis gali atsirasti dėl tankio, anizotropijos ar koncentracijos svyravimų (atsitiktinių nukrypimų). Toks sklaidos tipas vadinamas molekuline sklaida. Tai paaiškina, pavyzdžiui, mėlyną dangaus spalvą. Iš tiesų, pagal (2) mėlyni ir mėlyni spinduliai yra išsklaidomi stipriau nei raudoni ir geltoni, nes turi trumpesnį bangos ilgį, todėl dangaus spalva tampa mėlyna.
Bilietas 78.
Šviesos poliarizacija- bangų optikos reiškinių rinkinys, kuriame pasireiškia skersinis elektromagnetinių šviesos bangų pobūdis. Skersinė banga- terpės dalelės svyruoja statmenomis bangos sklidimo krypčiai ( 1 pav).
1 pav Skersinė banga
Elektromagnetinė šviesos banga plokštuma poliarizuota(tiesinė poliarizacija), jei vektorių E ir B virpesių kryptys yra griežtai fiksuotos ir yra tam tikrose plokštumose ( 1 pav). Plokštuminė poliarizuota šviesos banga vadinama plokštuma poliarizuota(tiesiškai poliarizuota) šviesa. Nepoliarizuotas(natūrali) banga - elektromagnetinė šviesos banga, kurioje vektorių E ir B virpesių kryptys šioje bangoje gali būti bet kuriose plokštumose, statmenose greičio vektoriui v. Nepoliarizuota šviesa- šviesos bangos, kuriose vektorių E ir B virpesių kryptys chaotiškai kinta taip, kad visos bangos sklidimo spinduliui statmenose plokštumose vykstančių virpesių kryptys yra vienodai tikėtinos ( 2 pav).
2 pav Nepoliarizuota šviesa
Poliarizuotos bangos- kurioje vektorių E ir B kryptys erdvėje lieka nepakitusios arba kinta pagal tam tikrą dėsnį. Spinduliuotė, kurioje vektoriaus E kryptis keičiasi chaotiškai - nepoliarizuotas. Tokios spinduliuotės pavyzdys yra šiluminė spinduliuotė (chaotiškai pasiskirstę atomai ir elektronai). Poliarizacijos plokštuma- tai plokštuma, statmena vektoriaus E virpesių krypčiai. Pagrindinis poliarizuotos spinduliuotės atsiradimo mechanizmas yra elektronų, atomų, molekulių ir dulkių dalelių spinduliuotės sklaida.
1.2. Poliarizacijos tipai Yra trys poliarizacijos tipai. Pateikime jiems apibrėžimus. 1. Linijinis Atsiranda, jei elektrinis vektorius E išlaiko savo padėtį erdvėje. Atrodo, kad jis pabrėžia plokštumą, kurioje vektorius E svyruoja. 2. Apskritis Tai poliarizacija, atsirandanti, kai elektrinis vektorius E sukasi aplink bangos sklidimo kryptį kampiniu greičiu, lygiu bangos kampiniam dažniui, išlaikant absoliučią jos vertę. Ši poliarizacija apibūdina vektoriaus E sukimosi kryptį plokštumoje, statmenoje matymo linijai. Pavyzdys – ciklotroninė spinduliuotė (magnetiniame lauke besisukanti elektronų sistema). 3. Elipsinė Jis atsiranda, kai elektrinio vektoriaus E dydis pasikeičia taip, kad jis apibūdina elipsę (vektoriaus E sukimąsi). Elipsinė ir žiedinė poliarizacija gali būti dešinė (vektorius E sukasi pagal laikrodžio rodyklę žiūrint link sklindančios bangos) ir kairė (vektorius E sukasi prieš laikrodžio rodyklę, kai žiūrima į sklindančią bangą).
Realybėje tai pasitaiko dažniausiai dalinė poliarizacija (iš dalies poliarizuotos elektromagnetinės bangos). Kiekybiškai jai būdingas tam tikras kiekis, vadinamas poliarizacijos laipsnis R, kuris apibrėžiamas taip: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Kur Imax,Immin- didžiausias ir mažiausias elektromagnetinės energijos srauto per analizatorių tankis (Polaroid, Nicolas prizm...). Praktikoje spinduliuotės poliarizacija dažnai apibūdinama Stokso parametrais (jie nustato spinduliuotės srautus tam tikra poliarizacijos kryptimi).
Bilietas 79.
Jei natūrali šviesa patenka į dviejų dielektrikų (pavyzdžiui, oro ir stiklo) sąsają, dalis jos atsispindi, o dalis lūžta ir pasklinda antroje terpėje. Įrengdami analizatorių (pavyzdžiui, turmaliną) atsispindėjusių ir lūžusių spindulių kelyje, įsitikiname, kad atsispindėję ir lūžę spinduliai yra dalinai poliarizuoti: sukant analizatorių aplink spindulius, šviesos intensyvumas periodiškai didėja ir silpnėja ( visiškas gesinimas nepastebimas!). Tolesni tyrimai parodė, kad atsispindėjusiame pluošte vyrauja kritimo plokštumai statmeni virpesiai (275 pav. jie pažymėti taškais), o lūžusiame pluošte vyrauja kritimo plokštumai lygiagrečios vibracijos (pavaizduotos rodyklėmis).
Poliarizacijos laipsnis (tam tikros elektrinio (ir magnetinio) vektoriaus orientacijos šviesos bangų atskyrimo laipsnis) priklauso nuo spindulių kritimo kampo ir lūžio rodiklio. škotų fizikas D. Brewsteris(1781-1868) įsteigta įstatymas, pagal kurią kritimo kampu i B (Brewster kampas), nustatomas pagal ryšį
(n 21 - antrosios terpės lūžio rodiklis, palyginti su pirmąja), atsispindėjęs spindulys yra poliarizuotas plokštumoje(turi tik kritimo plokštumai statmenus virpesius) (276 pav.). Lūžęs spindulys kritimo kampui B poliarizuotas iki maksimumo, bet ne iki galo.
Jei šviesa patenka į sąsają Brewsterio kampu, tada atsispindi ir lūžę spinduliai viena kitai statmenos(tg i B = nuodėmė i B/cos i B, n 21 = nuodėmė i B / nuodėmė i 2 (i 2 - lūžio kampas), iš kur cos i B = nuodėmė i 2). Vadinasi, i B + i 2 = /2, bet i’ B= i B (refleksijos dėsnis), todėl i’ B+ i 2 = /2.
Atsispindėjusios ir lūžusios šviesos poliarizacijos laipsnį skirtingais kritimo kampais galima apskaičiuoti pagal Maksvelo lygtis, jei atsižvelgsime į ribines elektromagnetinio lauko sąlygas dviejų izotropinių dielektrikų sąsajoje (vad. Frenelio formulės).
Lūžusios šviesos poliarizacijos laipsnis gali būti žymiai padidintas (daugkartinis lūžis, jei šviesa kiekvieną kartą patenka į sąsają Brewsterio kampu). Jei, pavyzdžiui, stiklui ( n= 1.53) lūžusio pluošto poliarizacijos laipsnis yra 15%, tada lūžus į 8-10 viena ant kitos uždėtų stiklinių plokščių, iš tokios sistemos sklindanti šviesa bus beveik visiškai poliarizuota. Tokia lėkščių kolekcija vadinama pėda. Pėda gali būti naudojama analizuoti poliarizuotą šviesą tiek jos atspindėjimo, tiek lūžio metu.
Bilietas 79 (už „Spur“)
Kaip rodo patirtis, šviesos lūžimo ir atspindėjimo metu lūžusi ir atsispindėjusi šviesa pasirodo esanti poliarizuota, o atspindys. šviesa gali būti visiškai poliarizuota tam tikru kritimo kampu, bet atsitiktinai. šviesa visada iš dalies poliarizuota Remiantis Frinelio formulėmis, galima parodyti, kad atspindys. Šviesa poliarizuojasi plokštumoje, statmenoje kritimo plokštumai, ir lūžta. šviesa poliarizuota plokštumoje, lygiagrečioje kritimo plokštumai.
Kritimo kampas, kuriuo atsispindi šviesa yra visiškai poliarizuota, vadinama Brewsterio kampu. ir refrakcija. spinduliai bus lygūs. , laužant šviesą, naudojama daug valgomų paviršių, kurie vadinami Stoletovo stotele.
Bilietas 80.
Patirtis rodo, kad kai šviesa sąveikauja su medžiaga, pagrindinį poveikį (fiziologinį, fotocheminį, fotoelektrinį ir kt.) sukelia vektoriaus, kuris šiuo atžvilgiu kartais vadinamas šviesos vektoriumi, svyravimai. Todėl, norint apibūdinti šviesos poliarizacijos modelius, stebima vektoriaus elgsena.
Plokštuma, kurią sudaro vektoriai ir vadinama poliarizacijos plokštuma.
Jei vektorių svyravimai vyksta vienoje fiksuotoje plokštumoje, tai tokia šviesa (spindulys) vadinama tiesiškai poliarizuota. Paprastai jis žymimas taip. Jei spindulys poliarizuotas statmenoje plokštumoje (plokštumoje xoz, žr. pav. 2 antroje paskaitoje), tada jis nurodomas.
Natūrali šviesa (iš įprastų šaltinių, saulės) susideda iš bangų, kurios turi skirtingas, chaotiškai paskirstytas poliarizacijos plokštumas (žr. 3 pav.).
Natūrali šviesa kartais taip vadinama. Jis taip pat vadinamas nepoliarizuotu.
Jeigu, bangai sklindant, vektorius sukasi, o vektoriaus galas apibūdina apskritimą, tai tokia šviesa vadinama cirkuliariai poliarizuota, o poliarizacija – apskrita arba apskrita (dešinėn arba kairėn). Taip pat yra elipsinė poliarizacija.
Yra optiniai įrenginiai (plėvelės, plokštės ir kt.) - poliarizatoriai, kurie iš natūralios šviesos išskiria tiesiškai poliarizuotą šviesą arba iš dalies poliarizuotą šviesą.
Poliarizatoriai, naudojami šviesos poliarizacijai analizuoti, vadinami analizatoriai.
Poliarizatoriaus (arba analizatoriaus) plokštuma yra poliarizatoriaus (arba analizatoriaus) perduodamos šviesos poliarizacijos plokštuma.
Tegul tiesiškai poliarizuota šviesa su amplitudė patenka ant poliarizatoriaus (arba analizatoriaus) E 0 . Praleidžiamos šviesos amplitudė bus lygi E=E 0 cos j, ir intensyvumas Aš = aš 0 cos 2 j.
Ši formulė išreiškia Maluso dėsnis:
Tiesiškai poliarizuotos šviesos, praeinančios per analizatorių, intensyvumas yra proporcingas kampo kosinuso kvadratui j tarp krintančios šviesos svyravimo plokštumos ir analizatoriaus plokštumos.
Bilietas 80 (spurtas)
Poliarizatoriai yra įrenginiai, kurie leidžia gauti poliarizuotą šviesą poliarizatorius, jei šviesa yra natūrali, tada visos vektoriaus E kryptys yra vienodai tikėtinos. Kiekvienas vektorius gali būti išskaidytas į dvi viena kitai statmenas dedamąsias: viena iš jų yra lygiagreti poliarizatoriaus poliarizacijos plokštumai, o kita - statmena. tai.
Akivaizdu, kad iš poliarizatoriaus sklindančios šviesos intensyvumas bus lygus (Jeigu analizatorius yra poliarizuotos šviesos kelyje, kurio pagrindinė plokštuma). kampas su pagrindine poliarizatoriaus plokštuma, tada iš analizatoriaus sklindančios šviesos intensyvumas nustatomas pagal dėsnį.
Bilietas 81.
Tyrinėdamas urano druskų tirpalo švytėjimą veikiant radžio spinduliams, sovietų fizikas P. A. Čerenkovas atkreipė dėmesį į tai, kad švyti ir pats vanduo, kuriame nėra urano druskų. Paaiškėjo, kad kai spinduliai (žr. Gama spinduliuotę) praleidžiami per grynus skysčius, jie visi pradeda švytėti. S. I. Vavilovas, kuriam vadovaujant dirbo P. A. Čerenkovas, iškėlė hipotezę, kad švytėjimas buvo susijęs su radžio kvantų iš atomų išmuštų elektronų judėjimu. Iš tiesų, švytėjimas stipriai priklausė nuo magnetinio lauko krypties skystyje (tai leido manyti, kad jį sukėlė elektronų judėjimas).
Bet kodėl skystyje judantys elektronai skleidžia šviesą? Teisingą atsakymą į šį klausimą 1937 metais pateikė sovietų fizikai I. E. Tammas ir I. M. Frankas.
Elektronas, judantis medžiagoje, sąveikauja su jį supančiais atomais. Jo elektrinio lauko įtakoje atomų elektronai ir branduoliai pasislenka priešingomis kryptimis – terpė poliarizuojama. Poliarizuoti, o vėliau sugrįžę į pradinę būseną, terpės atomai, išsidėstę palei elektronų trajektoriją, skleidžia elektromagnetines šviesos bangas. Jei elektrono greitis v yra mažesnis už šviesos greitį terpėje (lūžio rodiklis), tai elektromagnetinis laukas aplenks elektroną, ir medžiaga turės laiko poliarizuotis erdvėje prieš elektroną. Prieš elektroną ir už jo esančios terpės poliarizacija yra priešinga kryptimi, o priešingai poliarizuotų atomų spinduliavimas, „pridedamas“, „gesina“ vienas kitą. Kai atomai, kurių elektronas dar nepasiekė, nespėja poliarizuotis, o spinduliuotė yra nukreipta išilgai siauro kūginio sluoksnio, kurio viršūnė sutampa su judančiu elektronu ir kampas viršūnėje c. Šviesos „kūgio“ išvaizdą ir spinduliavimo būklę galima gauti iš bendrųjų bangų sklidimo principų.
Ryžiai. 1. Bangos fronto susidarymo mechanizmas
Tegul elektronas juda išilgai labai siauro tuščio kanalo ašies OE (žr. 1 pav.) vienalytėje skaidrioje medžiagoje, turinčioje lūžio rodiklį (tuščias kanalas reikalingas, kad nebūtų atsižvelgta į elektrono susidūrimus su atomais). teorinis svarstymas). Bet kuris OE linijos taškas, kurį paeiliui užima elektronas, bus šviesos spinduliavimo centras. Bangos, sklindančios iš eilės taškų O, D, E, trukdo viena kitai ir yra sustiprinamos, jei fazių skirtumas tarp jų lygus nuliui (žr. „Trikdžiai“). Ši sąlyga tenkinama krypčiai, kuri sudaro 0 kampą su elektrono trajektorija. Kampas 0 nustatomas pagal ryšį:.
Iš tiesų, panagrinėkime dvi bangas, skleidžiamas kryptimi 0 kampu su elektronų greičiu iš dviejų trajektorijos taškų - taško O ir taško D, atskirtus atstumu. Taške B, esančiame ant tiesės BE, statmenoje OB, pirmoji banga - po laiko Į tašką F, esantį ant tiesės BE, iš taško skleidžiama banga ateis tuo momentu, kai banga bus išspinduliuota iš taško O Šios dvi bangos bus fazėje, ty tiesi linija bus bangos frontas, jei šie laikai yra lygūs. Tai suteikia laiko lygybės sąlygą. Visomis kryptimis, kurioms skirta, šviesa užges dėl bangų, skleidžiamų iš trajektorijos atkarpų, atskirtų atstumu D, trukdžių. D reikšmė nustatoma pagal akivaizdžią lygtį, kur T yra šviesos svyravimų periodas. Ši lygtis visada turi sprendimą, jei.
Jei , tai kryptis, kuria skleidžiamos bangos, trukdant, sustiprinamos, neegzistuoja ir negali būti didesnė nei 1.
Ryžiai. 2. Garso bangų pasiskirstymas ir smūginės bangos susidarymas kūno judėjimo metu
Radiacija stebima tik tuo atveju, jei .
Eksperimentiškai elektronai skrenda baigtiniu kieto kampu, tam tikru greičiu sklinda, ir dėl to spinduliuotė sklinda kūginiu sluoksniu netoli pagrindinės kampo nustatytos krypties.
Svarstydami mes nepaisėme elektronų sulėtėjimo. Tai gana priimtina, nes nuostoliai dėl Vavilovo-Cerenkovo spinduliuotės yra nedideli ir, iš pirmo žvilgsnio, galime daryti prielaidą, kad elektrono prarasta energija neturi įtakos jo greičiui ir jis juda tolygiai. Tai esminis Vavilovo-Čerenkovo spinduliuotės skirtumas ir neįprastumas. Paprastai krūviai išskiriami patiriant didelį pagreitį.
Elektronas, lenkiantis savo šviesą, panašus į lėktuvą, skrendantį didesniu nei garso greitis. Tokiu atveju kūginė smūginė garso banga sklinda ir prieš orlaivį (žr. 2 pav.).
Refrakcija yra tam tikras abstraktus skaičius, apibūdinantis bet kurios skaidrios terpės lūžio gebėjimą. Įprasta jį žymėti n. Yra absoliutus lūžio rodiklis ir santykinis rodiklis.
Pirmasis apskaičiuojamas naudojant vieną iš dviejų formulių:
n = sin α / sin β = const (kur sin α yra kritimo kampo sinusas, o sin β yra šviesos spindulio, patenkančio į nagrinėjamą terpę iš tuštumos, sinusas)
n = c / υ λ (kur c – šviesos greitis vakuume, υ λ – šviesos greitis tiriamoje terpėje).
Čia skaičiavimas parodo, kiek kartų šviesa keičia savo sklidimo greitį perėjimo iš vakuumo į skaidrią terpę momentu. Taip nustatomas lūžio rodiklis (absoliutus). Norėdami sužinoti santykį, naudokite formulę:
Tai yra, atsižvelgiama į absoliučius skirtingo tankio medžiagų, tokių kaip oras ir stiklas, lūžio rodiklius.
Paprastai tariant, bet kurio kūno, nesvarbu, ar jis būtų dujinis, skystas ar kietas, absoliutieji koeficientai visada yra didesni už 1. Iš esmės jų reikšmės svyruoja nuo 1 iki 2. Ši vertė gali būti didesnė už 2 tik išimtiniais atvejais. Šio parametro reikšmė kai kurioms aplinkoms yra tokia:
Ši vertė, taikoma kiečiausiai natūraliai planetos medžiagai deimantui, yra 2,42. Labai dažnai atliekant mokslinius tyrimus ir pan., būtina žinoti vandens lūžio rodiklį. Šis parametras yra 1,334.
Kadangi bangos ilgis, žinoma, yra kintamasis indikatorius, raidei n priskiriamas indeksas. Jo reikšmė padeda suprasti, kuriai spektro bangai priklauso šis koeficientas. Kalbant apie tą pačią medžiagą, bet didėjant šviesos bangos ilgiui, lūžio rodiklis sumažės. Ši aplinkybė sukelia šviesos skaidymąsi į spektrą, kai ji praeina pro objektyvą, prizmę ir kt.
Pagal lūžio rodiklio reikšmę galite nustatyti, pavyzdžiui, kiek vienos medžiagos yra ištirpusi kitoje. Tai gali būti naudinga, pavyzdžiui, gaminant alų arba kai reikia žinoti cukraus, vaisių ar uogų koncentraciją sultyse. Šis rodiklis svarbus tiek nustatant naftos produktų kokybę, tiek papuošaluose, kai reikia įrodyti akmens autentiškumą ir pan.
Nenaudojant jokios medžiagos, prietaiso okuliare matoma skalė bus visiškai mėlyna. Jei ant prizmės nuleisite įprastą distiliuotą vandenį, jei instrumentas tinkamai sukalibruotas, riba tarp mėlynos ir baltos spalvų eis griežtai išilgai nulio ženklo. Tiriant kitą medžiagą, ji pasislinks išilgai skalės pagal jai būdingą lūžio rodiklį.
