Šviesos lūžio rodiklis terpėje. Šviesos lūžio dėsnis

Lūžio rodiklis

Lūžio rodiklis medžiagos – kiekis, lygus šviesos fazių greičių (elektromagnetinių bangų) santykiui vakuume ir tam tikroje terpėje. Taip pat kartais kalbama apie lūžio rodiklį bet kurioms kitoms bangoms, pavyzdžiui, garsui, nors tokiais atvejais, kaip pastarasis, apibrėžimą, žinoma, reikia kažkaip pakeisti.

Lūžio rodiklis priklauso nuo medžiagos savybių ir spinduliuotės bangos ilgio, kai kurių medžiagų lūžio rodiklis keičiasi gana stipriai, kai elektromagnetinių bangų dažnis keičiasi nuo žemų dažnių iki optinių ir toliau, taip pat gali pasikeisti dar smarkiau; tam tikros dažnių skalės sritys. Numatytasis paprastai nurodo optinį diapazoną arba diapazoną, kurį nustato kontekstas.

Nuorodos

• RefractiveIndex.INFO lūžio rodiklių duomenų bazė

Wikimedia fondas.

2010 m.

Pažiūrėkite, kas yra „lūžio rodiklis“ kituose žodynuose: Dviejų terpių santykinis n21, optinės spinduliuotės sklidimo greičių (c veta) pirmoje (c1) ir antroje (c2) terpėje bematis santykis: n21 = c1/c2. Tuo pačiu tai susiję. P. p yra g l a p a d e n i j ir y g l sinusų santykis ...

Fizinė enciklopedija

Žiūrėkite lūžio rodiklį... Žiūrėkite lūžio rodiklį. * * * LŪŽIO RODYKLĖ LŪŽIO RODYKLĖ, žr. lūžio rodiklį (žr. LŪŽIO RODYKLĮ) ... Enciklopedinis žodynas - LŪGIO RODYKLĖ, terpę apibūdinantis dydis, lygus šviesos greičio vakuume ir šviesos greičio terpėje santykiui (absoliutus lūžio rodiklis). Lūžio rodiklis n priklauso nuo dielektriko e ir magnetinio pralaidumo m... ...

Iliustruotas enciklopedinis žodynas Dviejų terpių santykinis n21, optinės spinduliuotės sklidimo greičių (c veta) pirmoje (c1) ir antroje (c2) terpėje bematis santykis: n21 = c1/c2. Tuo pačiu tai susiję. P. p yra g l a p a d e n i j ir y g l sinusų santykis ...

- (žr. LŪŽIO RODYKLĮ). Fizinis enciklopedinis žodynas. M.: Tarybinė enciklopedija. Vyriausiasis redaktorius A. M. Prokhorovas. 1983... Žiūrėkite lūžio rodiklį...

Didžioji sovietinė enciklopedija Šviesos greičio vakuume ir šviesos greičio terpėje santykis (absoliutus lūžio rodiklis). Santykinis 2 terpių lūžio rodiklis yra šviesos greičio terpėje, iš kurios šviesa krinta ant sąsajos, santykis su šviesos greičiu sekundėje... ...

Šiame straipsnyje atskleidžiama tokios optikos koncepcijos kaip lūžio rodiklis esmė. Pateikiamos šio dydžio gavimo formulės, trumpai apžvelgiamas elektromagnetinių bangų lūžio reiškinio pritaikymas.

Regėjimas ir lūžio rodiklis

Civilizacijos aušroje žmonės uždavė klausimą: kaip akis mato? Buvo teigiama, kad žmogus skleidžia spindulius, kurie jaučia aplinkinius objektus, arba, atvirkščiai, tokius spindulius skleidžia visi daiktai. Atsakymas į šį klausimą buvo pateiktas XVII a. Jis randamas optikoje ir yra susijęs su lūžio rodikliu. Atsispindinti nuo įvairių nepermatomų paviršių ir lūžtanti prie ribos skaidriais, šviesa suteikia žmogui galimybę matyti.

Šviesos ir lūžio rodiklis

Mūsų planetą gaubia Saulės šviesa. Ir būtent su fotonų bangine prigimtimi siejama tokia sąvoka kaip absoliutus lūžio rodiklis. Fotonas, sklindantis vakuume, nesusiduria su kliūtimis. Planetoje šviesa susiduria su daugybe skirtingų tankesnių terpių: atmosfera (dujų mišinys), vandeniu, kristalais. Kadangi šviesos fotonai yra elektromagnetinė banga, jų fazinis greitis vakuume yra vienas (žymimas c), o aplinkoje – kitas (žymimas v). Pirmojo ir antrojo santykis vadinamas absoliučiu lūžio rodikliu. Formulė atrodo taip: n = c / v.

Fazės greitis

Verta apibrėžti elektromagnetinės terpės fazės greitį. Priešingu atveju supraskite, kas yra lūžio rodiklis n, tai draudžiama. Šviesos fotonas yra banga. Tai reiškia, kad jis gali būti pavaizduotas kaip energijos paketas, kuris svyruoja (įsivaizduokite sinusinės bangos segmentą). Fazė yra sinusoido segmentas, kuriuo banga sklinda tam tikru laiko momentu (atminkite, kad tai svarbu norint suprasti tokį dydį kaip lūžio rodiklis).

Pavyzdžiui, fazė gali būti sinusoidės maksimumas arba tam tikras jo nuolydžio segmentas. Bangos fazės greitis yra greitis, kuriuo ta konkreti fazė juda. Kaip paaiškina lūžio rodiklio apibrėžimas, šios vertės skiriasi vakuumui ir terpei. Be to, kiekviena aplinka turi savo šio kiekio vertę. Bet koks skaidrus junginys, nepaisant jo sudėties, turi skirtingą lūžio rodiklį nuo visų kitų medžiagų.

Absoliutus ir santykinis lūžio rodiklis

Jau buvo parodyta aukščiau, kad absoliuti vertė matuojama vakuumo atžvilgiu. Tačiau mūsų planetoje tai sunku: šviesa dažniau pasiekia oro ir vandens arba kvarco ir špinelio ribą. Kaip minėta aukščiau, kiekvienos iš šių terpių lūžio rodiklis yra skirtingas. Ore šviesos fotonas sklinda viena kryptimi ir turi vieną fazės greitį (v 1), tačiau patekęs į vandenį pakeičia sklidimo kryptį ir fazės greitį (v 2). Tačiau abi šios kryptys yra toje pačioje plokštumoje. Tai labai svarbu norint suprasti, kaip aplinkinio pasaulio vaizdas susidaro akies tinklainėje ar fotoaparato matricoje. Dviejų absoliučių verčių santykis suteikia santykinį lūžio rodiklį. Formulė atrodo taip: n 12 = v 1 / v 2.

Bet ką daryti, jei šviesa, atvirkščiai, išeina iš vandens ir patenka į orą? Tada ši vertė bus nustatyta pagal formulę n 21 = v 2 / v 1. Padauginus santykinius lūžio rodiklius, gauname n 21 * n 12 = (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) = 1. Šis ryšys galioja bet kuriai terpių porai. Santykinį lūžio rodiklį galima rasti iš kritimo ir lūžio kampų sinusų n 12 = sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2. Nepamirškite, kad kampai matuojami nuo įprasto paviršiaus iki paviršiaus. Normalus yra tiesė, statmena paviršiui. Tai yra, jei problemai suteikiamas kampas α nukristi paties paviršiaus atžvilgiu, tada turime apskaičiuoti (90 - α) sinusą.

Lūžio rodiklio grožis ir jo pritaikymas

Ramią saulėtą dieną ežero dugne žaidžia atspindžiai. Tamsiai mėlynas ledas dengia uolą. Deimantas išsklaido tūkstančius kibirkščių ant moters rankos. Šie reiškiniai yra pasekmė to, kad visos skaidrių terpių ribos turi santykinį lūžio rodiklį. Be estetinio malonumo, šis reiškinys gali būti naudojamas ir praktiniam pritaikymui.

Štai pavyzdžiai:

• Stiklinis lęšis surenka saulės spindulį ir uždega žolę.
• Lazerio spindulys sutelkia dėmesį į sergantį organą ir nupjauna nereikalingus audinius.
• Saulės šviesa lūžta ant senovinio vitražo, sukurdama ypatingą atmosferą.
• Mikroskopas padidina labai mažų detalių vaizdus
• Spektrofotometro lęšiai surenka lazerio šviesą, atsispindinčią nuo tiriamos medžiagos paviršiaus. Tokiu būdu galima suprasti naujų medžiagų struktūrą, o vėliau ir savybes.
• Yra net fotoninio kompiuterio projektas, kur informacija bus perduota ne elektronais, kaip dabar, o fotonais. Tokiam įrenginiui tikrai reikės refrakcijos elementų.

Bangos ilgis

Tačiau Saulė aprūpina mus fotonais ne tik matomame spektre. Infraraudonųjų, ultravioletinių ir rentgeno spindulių diapazonų žmogaus regėjimas nesuvokia, tačiau jie daro įtaką mūsų gyvenimui. IR spinduliai mus šildo, UV fotonai jonizuoja viršutinius atmosferos sluoksnius ir leidžia augalams fotosintezės būdu gaminti deguonį.

O kam lygus lūžio rodiklis, priklauso ne tik nuo medžiagų, tarp kurių yra riba, bet ir nuo krintančios spinduliuotės bangos ilgio. Apie kokią konkrečią vertę kalbame, dažniausiai aišku iš konteksto. Tai yra, jei knygoje nagrinėjami rentgeno spinduliai ir jų poveikis žmonėms, tada n ten jis apibrėžiamas specialiai šiam diapazonui. Tačiau paprastai turima omenyje matomas elektromagnetinių bangų spektras, nebent būtų nurodyta kas kita.

Lūžio rodiklis ir atspindys

Kaip paaiškėjo iš to, kas buvo parašyta aukščiau, mes kalbame apie skaidrias aplinkas. Kaip pavyzdžius pateikėme orą, vandenį ir deimantą. Bet kaip su medžiu, granitu, plastiku? Ar jiems yra toks dalykas kaip lūžio rodiklis? Atsakymas sudėtingas, bet apskritai – taip.

Visų pirma, turėtume apsvarstyti, su kokia šviesa susiduriame. Tos terpės, kurios yra nepermatomos matomiems fotonams, yra perpjaunamos rentgeno arba gama spinduliuote. Tai yra, jei mes visi būtume supermenai, tada visas mus supantis pasaulis mums būtų skaidrus, bet skirtingu laipsniu. Pavyzdžiui, betoninės sienos būtų ne tankesnės už želė, o metalinės jungiamosios detalės atrodytų kaip tankesnių vaisių gabaliukai.

Kitoms elementarioms dalelėms, miuonams, mūsų planeta paprastai yra skaidri. Vienu metu mokslininkai turėjo daug problemų įrodydami patį savo egzistavimo faktą. Milijonai miuonų perveria mus kas sekundę, tačiau tikimybė, kad viena dalelė susidurs su medžiaga, yra labai maža, ir tai labai sunku aptikti. Beje, Baikalas netrukus taps miuonų „gaudymo“ vieta. Gilus ir skaidrus vanduo tam puikiai tinka – ypač žiemą. Svarbiausia, kad jutikliai neužšaltų. Taigi betono lūžio rodiklis, pavyzdžiui, rentgeno fotonams, yra prasmingas. Be to, medžiagos apšvitinimas rentgeno spinduliais yra vienas tiksliausių ir svarbiausių kristalų struktūros tyrimo būdų.

Taip pat verta prisiminti, kad matematine prasme medžiagos, kurios yra nepermatomos tam tikram diapazonui, turi įsivaizduojamą lūžio rodiklį. Galiausiai turime suprasti, kad medžiagos temperatūra taip pat gali turėti įtakos jos skaidrumui.

Pereikime prie išsamesnio lūžio rodiklio, kurį mes pristatėme §81 formuluodami lūžio dėsnį, svarstymą.

Lūžio rodiklis priklauso ir nuo terpės, iš kurios krenta spindulys, ir nuo terpės, į kurią jis prasiskverbia, optinių savybių. Lūžio rodiklis, gaunamas, kai šviesa iš vakuumo patenka į bet kurią terpę, vadinamas absoliučiu tos terpės lūžio rodikliu.

Ryžiai. 184. Dviejų terpių santykinis lūžio rodiklis:

Tegul pirmosios terpės absoliutus lūžio rodiklis yra, o antrosios terpės - . Atsižvelgdami į lūžį ties pirmosios ir antrosios terpės riba, įsitikiname, kad lūžio rodiklis pereinant iš pirmosios terpės į antrąją, vadinamasis santykinis lūžio rodiklis, yra lygus absoliučių lūžio rodiklių santykiui. antroji ir pirmoji laikmena:

(184 pav.). Priešingai, pereinant iš antrosios terpės į pirmąją, turime santykinį lūžio rodiklį

Nustatytas ryšys tarp santykinio dviejų terpių lūžio rodiklio ir jų absoliučių lūžio rodiklių gali būti išvestas teoriškai, be naujų eksperimentų, lygiai taip pat, kaip tai galima padaryti dėl grįžtamumo dėsnio (§82).

Didesnio lūžio rodiklio terpė vadinama optiškai tankesne. Paprastai matuojamas įvairių terpių lūžio rodiklis oro atžvilgiu. Absoliutus oro lūžio rodiklis yra. Taigi, bet kurios terpės absoliutus lūžio rodiklis yra susietas su jos lūžio rodikliu oro atžvilgiu pagal formulę

6 lentelė. Įvairių medžiagų lūžio rodiklis oro atžvilgiu

Lūžio rodiklis priklauso nuo šviesos bangos ilgio, ty nuo jos spalvos. Skirtingos spalvos atitinka skirtingus lūžio rodiklius. Šis reiškinys, vadinamas dispersija, atlieka svarbų vaidmenį optikoje. Šį reiškinį ne kartą nagrinėsime tolesniuose skyriuose. Lentelėje pateikti duomenys. 6, nurodykite geltoną šviesą.

Įdomu pastebėti, kad atspindžio dėsnį galima formaliai parašyti ta pačia forma kaip ir lūžio dėsnį. Prisiminkime, kad sutarėme visada matuoti kampus nuo statmeno atitinkamam spinduliui. Todėl kritimo kampą ir atspindžio kampą turime laikyti priešingais ženklais, t.y. atspindžio dėsnį galima parašyti kaip

Palyginus (83.4) su lūžio dėsniu, matome, kad atspindžio dėsnį galima laikyti specialiu lūžio dėsnio atveju. Šis formalus atspindžio ir lūžio dėsnių panašumas yra labai naudingas sprendžiant praktines problemas.

Ankstesniame pristatyme lūžio rodiklis turėjo terpės konstantos reikšmę, nepriklausomą nuo per ją praeinančios šviesos intensyvumo. Toks lūžio rodiklio aiškinimas yra gana natūralus, tačiau esant dideliam spinduliavimo intensyvumui, pasiekiamam naudojant šiuolaikinius lazerius, jis nėra pagrįstas. Terpės, per kurią praeina stipri šviesos spinduliuotė, savybės šiuo atveju priklauso nuo jos intensyvumo. Kaip sakoma, aplinka tampa nelinijinė. Terpės netiesiškumas ypač pasireiškia tuo, kad didelio intensyvumo šviesos banga keičia lūžio rodiklį. Lūžio rodiklio priklausomybė nuo spinduliuotės intensyvumo turi formą

Čia yra įprastas lūžio rodiklis, netiesinis lūžio rodiklis ir proporcingumo koeficientas. Papildomas šios formulės terminas gali būti teigiamas arba neigiamas.

Santykiniai lūžio rodiklio pokyčiai yra palyginti nedideli. At netiesinis lūžio rodiklis. Tačiau pastebimi ir tokie nedideli lūžio rodiklio pokyčiai: jie pasireiškia savotišku šviesos savaiminio fokusavimo reiškiniu.

Panagrinėkime terpę su teigiamu netiesiniu lūžio rodikliu. Šiuo atveju padidėjusio šviesos intensyvumo sritys kartu yra ir padidinto lūžio rodiklio sritys. Paprastai tikrosios lazerio spinduliuotės intensyvumo pasiskirstymas per spindulių pluošto skerspjūvį yra netolygus: intensyvumas yra didžiausias išilgai ašies ir sklandžiai mažėja link pluošto kraštų, kaip parodyta Fig. 185 kietosios kreivės. Panašus pasiskirstymas taip pat apibūdina lūžio rodiklio pokytį per ląstelės skerspjūvį su netiesine terpe, kurios ašimi sklinda lazerio spindulys. Lūžio rodiklis, kuris yra didžiausias išilgai kiuvetės ašies, sklandžiai mažėja link jos sienelių (punktyrinės kreivės 185 pav.).

Iš lazerio lygiagrečiai ašiai išeinantis spindulių spindulys, patenkantis į kintamo lūžio rodiklio terpę, nukreipiamas ta kryptimi, kur ji didesnė. Todėl padidėjęs intensyvumas šalia kiuvetės lemia šviesos spindulių koncentraciją šioje srityje, schematiškai parodytą skerspjūviuose ir Fig. 185, ir tai dar labiau padidina. Galų gale, efektyvus šviesos pluošto, einančio per netiesinę terpę, skerspjūvis žymiai sumažėja. Šviesa praeina per siaurą kanalą su dideliu lūžio rodikliu. Taigi lazerio spindulių spindulys susiaurėja, o netiesinė terpė, veikiama intensyvios spinduliuotės, veikia kaip surenkantis lęšis. Šis reiškinys vadinamas fokusavimu į save. Tai galima pastebėti, pavyzdžiui, skystame nitrobenzene.

Ryžiai. 185. Spinduliuotės intensyvumo ir lūžio rodiklio pasiskirstymas per lazerio spindulių pluošto skerspjūvį ties įėjimo į kiuvetę (a), prie įvesties galo (), viduryje (), šalia kiuvetės išėjimo galo ( )

LŪŽIO RODYKLĖ(lūžio rodiklis) – optinis. būdinga aplinkai, susijusiai su šviesos lūžis dviejų skaidrių optiškai vienalyčių ir izotropinių terpių sąsajoje jai pereinant iš vienos terpės į kitą ir dėl šviesos sklidimo terpėje fazių greičių skirtumo.

P. p reikšmė lygi šių greičių santykiui. giminaitisŠių aplinkų P. p. Jei šviesa krinta ant antrosios arba pirmosios terpės iš (kur yra šviesos greitis

Su) , tada kiekiai absoliutus pp šių vidurkių. Šiuo atveju lūžio dėsnį galima parašyti tokia forma, kur ir yra kritimo ir lūžio kampai. Absoliučios galios koeficiento dydis priklauso nuo medžiagos pobūdžio ir struktūros, jos agregacijos būsenos, temperatūros, slėgio ir kt. Esant dideliam intensyvumui, galios koeficientas priklauso nuo šviesos intensyvumo (žr. Netiesinė optika) . Daugelyje medžiagų P. keičiasi veikiant išoriniams poveikiams. elektrinis laukai ( Kerr efektas

- skysčiuose ir dujose; elektrooptinis Pockels efektas- kristaluose).

Tam tikros terpės sugerties juosta priklauso nuo šviesos bangos ilgio l, o absorbcijos juostų srityje ši priklausomybė yra anomali (žr. Kristalinė optika Sugeriančios terpės (ypač metalų) sugerties koeficientas yra sudėtinga reikšmė ir gali būti pateikiama tokia forma, kur ha yra įprastas sugerties koeficientas ir yra sugerties indeksas (žr. Šviesos sugertis, metalinė optika).

P. p. yra makroskopinis. aplinkos ypatybes ir yra su ja susijusi dielektrinė konstanta n mag. pralaidumas Klasika elektronų teorija (žr Šviesos dispersija) leidžia susieti P. p reikšmę su mikroskopiniu. aplinkos charakteristikos – elektroninės poliarizuotumas atomas (arba molekulė) priklausomai nuo atomų prigimties ir šviesos bei terpės dažnio: kur N- atomų skaičius tūrio vienete.

Elektra, veikianti atomą (molekulę). Šviesos bangos laukas sukelia optinės bangos poslinkį. elektronas iš pusiausvyros padėties; atomas įgyja induktorių. dipolio momentas kinta priklausomai nuo krintančios šviesos dažnio ir yra antrinių koherentinių bangų šaltinis, kuris. trukdydami ant terpės krintančios bangos, jie sudaro šviesos bangą, sklindančią terpėje fazės greičiu ir todėl

Įprastų (ne lazerinių) šviesos šaltinių intensyvumas yra santykinai mažas, elektros intensyvumas. Šviesos bangos, veikiančios atomą, laukas yra daug mažesnis nei vidinė atominė elektros galia. laukai, o elektronas atome gali būti laikomas harmoniniu. osciliatorius. Šiame apytikslyje vertė ir P. p.

Jie yra pastovūs dydžiai (tam tikru dažniu), nepriklausomi nuo šviesos intensyvumo. Intensyviuose šviesos srautuose, kuriuos sukuria galingi lazeriai, elektrinė vertė. Šviesos bangos laukas gali būti proporcingas vidinei atominei elektros galiai.

laukai ir harmonijos osciliatoriaus modelis pasirodo nepriimtinas. Atsižvelgiant į jėgų anharmoniškumą elektronų atomų sistemoje, atsiranda atomo poliarizuotumas, taigi ir dalelės poliarizuotumas, priklausomybė nuo šviesos intensyvumo. Santykis tarp ir pasirodo esantis netiesinis; P. p. gali būti pavaizduotas formoje Kur - P. p. esant mažam šviesos intensyvumui;(paprastai priimtas pavadinimas) - netiesinis P. p. priedas arba koeficientas. netiesiškumas.

P. p. priklauso nuo aplinkos pobūdžio. silikatiniams stiklams

P. p. taip pat veikia didelis intensyvumas dėl poveikio: 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.).