Optika yra viena iš senųjų fizikos šakų. Nuo senovės Graikijos laikų daugelis filosofų domėjosi šviesos judėjimo ir sklidimo įvairiose skaidriose medžiagose, tokiose kaip vanduo, stiklas, deimantas ir oras, dėsniais. Šiame straipsnyje aptariamas šviesos lūžio reiškinys, daugiausia dėmesio skiriant oro lūžio rodikliui.

Šviesos pluošto lūžio efektas

Kiekvienas savo gyvenime šimtus kartų susidūrė su šio poveikio pasireiškimu, kai žiūrėjo į rezervuaro dugną arba į stiklinę vandens, į kurią įdėtas koks nors daiktas. Tuo pačiu metu tvenkinys neatrodė toks gilus, koks buvo iš tikrųjų, o vandens stiklinėje esantys objektai atrodė deformuoti arba sulūžę.

Lūžio reiškinys susideda iš tiesios trajektorijos lūžio, kai jis kerta dviejų skaidrių medžiagų sąsają. Apibendrinęs daugybę eksperimentinių duomenų, XVII amžiaus pradžioje olandas Willebrordas Snellas gavo matematinę išraišką, tiksliai apibūdinusią šį reiškinį. Ši išraiška paprastai rašoma tokia forma:

n 1 *sin(θ 1) = n 2 *sin(θ 2) = konst.

Čia n 1, n 2 yra absoliutūs šviesos lūžio rodikliai atitinkamoje medžiagoje, θ 1 ir θ 2 yra kampai tarp krintančių ir lūžusių spindulių bei statmenos sąsajos plokštumai, kuri nubrėžta per spindulio susikirtimo tašką. ir šis lėktuvas.

Ši formulė vadinama Snell arba Snell-Descartes dėsniu (prancūzas ją užrašė pateikta forma, o olandas naudojo ilgio vienetus, o ne sinusus).

Be šios formulės, lūžio reiškinys apibūdinamas dar vienu dėsniu, kuris yra geometrinio pobūdžio. Jį sudaro tai, kad pažymėtas statmenas plokštumai ir du spinduliai (lūžę ir krintantys) yra toje pačioje plokštumoje.

Absoliutus lūžio rodiklis

Šis kiekis įtrauktas į Snell formulę, o jo vertė vaidina svarbų vaidmenį. Matematiškai lūžio rodiklis n atitinka formulę:

Simbolis c yra elektromagnetinių bangų greitis vakuume. Jis yra maždaug 3*10 8 m/s. Reikšmė v yra šviesos greitis, judantis per terpę. Taigi, lūžio rodiklis atspindi šviesos sulėtėjimą terpėje, palyginti su beore erdve.

Iš aukščiau pateiktos formulės daromos dvi svarbios išvados:

• n reikšmė visada didesnė už 1 (vakuumui ji lygi vienetui);
• tai bematis dydis.

Pavyzdžiui, oro lūžio rodiklis yra 1,00029, o vandens - 1,33.

Lūžio rodiklis nėra pastovi tam tikros terpės vertė. Tai priklauso nuo temperatūros. Be to, kiekvienam elektromagnetinės bangos dažniui jis turi savo reikšmę. Taigi aukščiau pateikti skaičiai atitinka 20 o C temperatūrą ir geltonąją matomo spektro dalį (bangos ilgis – apie 580-590 nm).

N priklausomybė nuo šviesos dažnio pasireiškia baltos šviesos skaidymu prizme į daugybę spalvų, taip pat vaivorykštės susidarymu danguje per stiprų lietų.

Šviesos lūžio rodiklis ore

Jo vertė jau nurodyta aukščiau (1,00029). Kadangi oro lūžio rodiklis nuo nulio skiriasi tik ketvirta po kablelio dalimi, sprendžiant praktinius uždavinius jis gali būti laikomas lygiu vienetui. Nedidelis skirtumas tarp n oro ir vienybės rodo, kad šviesos praktiškai nesulėtėja oro molekulės, o tai yra dėl santykinai mažo tankio. Taigi vidutinis oro tankis yra 1,225 kg/m 3, tai yra daugiau nei 800 kartų lengvesnis už gėlą vandenį.

Oras yra optiškai silpna terpė. Šviesos greičio lėtėjimo medžiagoje procesas yra kvantinio pobūdžio ir yra susijęs su medžiagos atomų fotonų absorbcijos ir emisijos aktais.

Oro sudėties pokyčiai (pavyzdžiui, vandens garų kiekio padidėjimas jame) ir temperatūros pokyčiai lemia reikšmingus lūžio rodiklio pokyčius. Ryškus pavyzdys – miražo efektas dykumoje, atsirandantis dėl skirtingos temperatūros oro sluoksnių lūžio rodiklių skirtumų.

Stiklo ir oro sąsaja

Stiklas yra daug tankesnė terpė nei oras. Jo absoliutus lūžio rodiklis svyruoja nuo 1,5 iki 1,66, priklausomai nuo stiklo tipo. Jei imsime vidutinę vertę 1,55, tada spindulio lūžį oro ir stiklo sąsajoje galima apskaičiuoti naudojant formulę:

sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1,55.

Reikšmė n 21 vadinama santykiniu oro ir stiklo lūžio rodikliu. Jei sija iš stiklo patenka į orą, reikia naudoti šią formulę:

sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1/1,55 = 0,645.

Jeigu pastaruoju atveju lūžusio spindulio kampas lygus 90 o, tai atitinkamas vadinamas kritiniu. Stiklo ir oro ribai ji yra lygi:

θ 1 = arcsin(0,645) = 40,17 o.

Jei spindulys patenka į stiklo ir oro ribą didesniais nei 40,17 o kampais, tada jis visiškai atsispindės atgal į stiklą. Šis reiškinys vadinamas „visišku vidiniu atspindžiu“.

Kritinis kampas egzistuoja tik tada, kai spindulys juda iš tankios terpės (iš stiklo į orą, bet ne atvirkščiai).

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 į šviesos kreiptuvo galą, gali nukeliauti juo dideliu atstumu 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 - raudona šviesa, kuri lūžta mažiau, turi didžiausią greitį, o violetinė – mažiausiai, todėl prizmė šviesą skaido. Šviesos lūžio rodiklio priklausomybė nuo jos spalvos vadinama dispersija.

Išvados:- prizmė skaido šviesą - balta šviesa yra sudėtinga (kompozicinė) - 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 (šviesos bangų atskyrimo laipsnis su tam tikra elektrinio (ir magnetinio) vektoriaus orientacija) priklauso nuo spindulių kritimo kampo ir lūžio rodiklio. škotų fizikas D. Brewsteris(1781-1868) įdiegta 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 atspindžio, 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.

Jeigu 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 svyravimų 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. prie jo.

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 sklidimo terpėje greitį (lūžio rodiklį), 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.).

DĖL PASKAITOS Nr.24

"INSTRUMENTINĖS 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 naudojant minimalų laiką bei medžiagos kiekį.

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 nuodėmės kampo ir nuodėmės lūžio kampo santykis duos santykinio lūžio rodiklio n rel reikšmę. Vertė n rel. 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 lūžio rodiklis mažėjant temperatūrai didėja;.

Temperatūros poveikio korekcija apskaičiuojama pagal šią formulę:

n t =n 20 + (20-t) 0,0002, kur

n t – Iki pasimatymo 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 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 rodiklius.

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

Šviesos lūžis- reiškinys, kai šviesos spindulys, pereinantis iš vienos terpės į kitą, keičia kryptį ties šių terpių riba.

Šviesos lūžimas vyksta pagal šį dėsnį:
Kritantys ir lūžę spinduliai bei statmuo, nubrėžtas į sąsają tarp dviejų terpių spindulio kritimo taške, yra toje pačioje plokštumoje. Kritimo kampo sinuso ir lūžio kampo sinuso santykis yra pastovi dviejų terpių vertė:
,
Kur α - kritimo kampas,
β - lūžio kampas,
n - pastovi vertė, nepriklausoma nuo kritimo kampo.

Pasikeitus kritimo kampui, keičiasi ir lūžio kampas. Kuo didesnis kritimo kampas, tuo didesnis lūžio kampas.
Jei šviesa patenka iš optiškai mažiau tankios terpės į tankesnę terpę, tada lūžio kampas visada yra mažesnis už kritimo kampą: β < α.
Šviesos spindulys, nukreiptas statmenai sąsajai tarp dviejų terpių, pereina iš vienos terpės į kitą be lūžio.

absoliutus medžiagos lūžio rodiklis- reikšmė, lygi šviesos fazių greičių (elektromagnetinių bangų) santykiui vakuume ir tam tikroje aplinkoje n=c/v
Dydis n, įtrauktas į lūžio dėsnį, vadinamas santykiniu lūžio rodikliu terpių porai.

Reikšmė n yra santykinis terpės B lūžio rodiklis terpės A atžvilgiu, o n" = 1/n yra santykinis A terpės lūžio rodiklis terpės B atžvilgiu.
Ši vertė, jei kiti dalykai yra vienodi, yra didesnė už vienetą, kai spindulys pereina iš tankesnės terpės į mažiau tankią terpę, ir mažesnė už vienetą, kai pluoštas pereina iš mažiau tankios terpės į tankesnę (pavyzdžiui, iš dujų). arba iš vakuumo į skystą ar kietą). Yra šios taisyklės išimčių, todėl įprasta terpę optiškai vadinti daugiau ar mažiau tankia už kitą.
Iš beorės erdvės į kurios nors terpės B paviršių krintantis spindulys lūžta stipriau nei krintant ant jo iš kitos terpės A; Į terpę iš beorės erdvės patenkančio spindulio lūžio rodiklis vadinamas absoliučiu jo lūžio rodikliu.

(Absoliutus – vakuumo atžvilgiu.
Santykinis - palyginti su bet kuria kita medžiaga (pavyzdžiui, tuo pačiu oru).
Santykinis dviejų medžiagų rodiklis yra jų absoliučių rodiklių santykis.)

Visiškas vidinis atspindys- vidinis atspindys, jei kritimo kampas viršija tam tikrą kritinį kampą. Tokiu atveju krintanti banga visiškai atsispindi, o atspindžio koeficiento vertė viršija didžiausias poliruotų paviršių vertes. Viso vidinio atspindžio atspindys nepriklauso nuo bangos ilgio.

Optikoje šis reiškinys stebimas esant įvairiai elektromagnetinei spinduliuotei, įskaitant rentgeno spindulių diapazoną.

Geometrinėje optikoje reiškinys paaiškinamas Snello dėsnio rėmuose. Atsižvelgdami į tai, kad lūžio kampas negali viršyti 90°, nustatome, kad kritimo kampu, kurio sinusas yra didesnis už mažesnio lūžio rodiklio ir didesnio rodiklio santykį, elektromagnetinė banga turi visiškai atsispindėti pirmoje terpėje.

Remiantis reiškinio bangų teorija, elektromagnetinė banga vis tiek prasiskverbia į antrąją terpę - ten sklinda vadinamoji „nevienodi banga“, kuri eksponentiškai nyksta ir neneša energijos. Būdingas nehomogeniškos bangos įsiskverbimo į antrąją terpę gylis yra bangos ilgio eilės.

Šviesos lūžio dėsniai.

Iš viso to, kas pasakyta, darome išvadas:
1 . Dviejų skirtingo optinio tankio terpių sąsajoje šviesos spindulys keičia kryptį, kai pereina iš vienos terpės į kitą.
2. Šviesos pluoštui pereinant į didesnio optinio tankio terpę, lūžio kampas yra mažesnis už kritimo kampą; Kai šviesos spindulys pereina iš optiškai tankesnės terpės į mažiau tankią terpę, lūžio kampas yra didesnis už kritimo kampą.
Šviesos lūžimą lydi atspindys, o padidėjus kritimo kampui, didėja atspindėto pluošto ryškumas, o lūžęs spindulys silpnėja. Tai galima pamatyti atlikus eksperimentą, parodytą paveikslėlyje. Vadinasi, atspindėtas spindulys neša daugiau šviesos energijos, tuo didesnis kritimo kampas.

Leiskite MN- sąsaja tarp dviejų skaidrių terpių, pavyzdžiui, oro ir vandens, UAB- kritimo spindulys, OB- lūžęs spindulys, - kritimo kampas, - lūžio kampas, - šviesos sklidimo greitis pirmoje terpėje, - šviesos sklidimo greitis antroje terpėje.

Šviesos lūžio dėsnis. Absoliutieji ir santykiniai lūžio rodikliai (koeficientai). Visiškas vidinis atspindys

Šviesos lūžio dėsnis buvo eksperimentiškai įkurta XVII a. Kai šviesa pereina iš vienos skaidrios terpės į kitą, šviesos kryptis gali keistis. Šviesos krypties pokytis skirtingų terpių ribose vadinamas šviesos lūžimu. Dėl refrakcijos akivaizdžiai pasikeičia objekto forma. (pavyzdys: šaukštas stiklinėje vandens). Šviesos lūžio dėsnis: ties dviejų terpių riba lūžęs spindulys yra kritimo plokštumoje ir, o kritimo taške atkurta sąsajos normalioji, sudaro tokį lūžio kampą, kad: =n 1 kritimas, 2 atspindys, n lūžio rodiklis (f. Snelius) - santykinis rodiklis Spindulio, patenkančio į terpę iš beorės erdvės, lūžio rodiklis vadinamas jo absoliutus lūžio rodiklis. Kritimo kampas, kuriuo lūžęs spindulys pradeda slysti išilgai dviejų terpių sąsajos, neperkeldamas į optiškai tankesnę terpę – ribinis viso vidinio atspindžio kampas. Visiškas vidinis atspindys- vidinis atspindys, jei kritimo kampas viršija tam tikrą kritinį kampą. Tokiu atveju krintanti banga visiškai atsispindi, o atspindžio koeficiento vertė viršija didžiausias poliruotų paviršių vertes. Viso vidinio atspindžio atspindys nepriklauso nuo bangos ilgio. Optikoje šis reiškinys stebimas esant įvairiai elektromagnetinei spinduliuotei, įskaitant rentgeno spindulių diapazoną. Geometrinėje optikoje reiškinys paaiškinamas Snello dėsnio rėmuose. Atsižvelgdami į tai, kad lūžio kampas negali viršyti 90°, nustatome, kad kritimo kampu, kurio sinusas yra didesnis už mažesnio lūžio rodiklio ir didesnio rodiklio santykį, elektromagnetinė banga turi visiškai atsispindėti pirmoje terpėje. Pavyzdys: Daugelio natūralių kristalų, ypač pjaustytų brangakmenių ir pusbrangių akmenų, ryškus blizgesys paaiškinamas visišku vidiniu atspindžiu, dėl kurio kiekvienas spindulys, patekęs į kristalą, sudaro daugybę gana ryškių spindulių, kurie iškyla, spalvoti kaip dispersijos rezultatas.