Optika është një nga degët e vjetra të fizikës. Që nga koha e Greqisë së lashtë, shumë filozofë kanë qenë të interesuar për ligjet e lëvizjes dhe përhapjes së dritës në materiale të ndryshme transparente, si uji, qelqi, diamanti dhe ajri. Ky artikull diskuton fenomenin e përthyerjes së dritës, duke u fokusuar në indeksin e thyerjes së ajrit.

Efekti i thyerjes së rrezes së dritës

Të gjithë në jetën e tyre kanë hasur qindra herë shfaqjen e këtij efekti kur kanë parë në fund të një rezervuari ose një gotë me ujë me ndonjë objekt të vendosur në të. Në të njëjtën kohë, pellgu nuk dukej aq i thellë sa ishte në të vërtetë, dhe objektet në gotën e ujit dukeshin të deformuara ose të thyera.

Fenomeni i përthyerjes konsiston në një thyerje në trajektoren e tij drejtvizore kur ai kryqëzon ndërfaqen e dy materialeve transparente. Duke përmbledhur një sasi të madhe të dhënash eksperimentale, në fillim të shekullit të 17-të, holandezi Willebrord Snell mori një shprehje matematikore që përshkruante me saktësi këtë fenomen. Kjo shprehje zakonisht shkruhet në formën e mëposhtme:

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

Këtu n 1, n 2 janë indekset absolute të thyerjes së dritës në materialin përkatës, θ 1 dhe θ 2 janë këndet midis rrezeve rënëse dhe atyre të thyera dhe pingul me rrafshin e ndërfaqes, i cili tërhiqet përmes pikës së kryqëzimit të rrezes dhe ky aeroplan.

Kjo formulë quhet ligji i Snell ose Snell-Descartes (ishte francezi ai që e shkroi atë në formën e paraqitur, ndërsa holandezi përdori njësitë e gjatësisë në vend të sinuseve).

Krahas kësaj formule, dukuria e përthyerjes përshkruhet nga një ligj tjetër, i cili ka natyrë gjeometrike. Ai konsiston në faktin se pingulja e shënuar me rrafshin dhe dy rreze (të përthyera dhe rënëse) shtrihen në të njëjtin rrafsh.

Indeksi absolut i thyerjes

Kjo sasi përfshihet në formulën Snell dhe vlera e saj luan një rol të rëndësishëm. Matematikisht, indeksi i thyerjes n korrespondon me formulën:

Simboli c është shpejtësia e valëve elektromagnetike në vakum. Është afërsisht 3*10 8 m/s. Vlera v është shpejtësia e dritës që lëviz nëpër medium. Kështu, indeksi i thyerjes pasqyron sasinë e vonesës së dritës në një mjedis në lidhje me hapësirën pa ajër.

Nga formula e mësipërme rrjedhin dy përfundime të rëndësishme:

• vlera e n është gjithmonë më e madhe se 1 (për vakum është e barabartë me njësinë);
• është një sasi pa dimension.

Për shembull, indeksi i thyerjes së ajrit është 1,00029, ndërsa për ujin është 1,33.

Indeksi i thyerjes nuk është një vlerë konstante për një medium të caktuar. Kjo varet nga temperatura. Për më tepër, për çdo frekuencë të një vale elektromagnetike ajo ka kuptimin e vet. Kështu, shifrat e mësipërme korrespondojnë me një temperaturë prej 20 o C dhe pjesën e verdhë të spektrit të dukshëm (gjatësia e valës - rreth 580-590 nm).

Varësia e n nga frekuenca e dritës manifestohet në zbërthimin e dritës së bardhë nga një prizëm në një numër ngjyrash, si dhe në formimin e një ylberi në qiell gjatë shiut të dendur.

Indeksi i thyerjes së dritës në ajër

Vlera e tij tashmë është dhënë më lart (1.00029). Meqenëse indeksi i thyerjes së ajrit ndryshon vetëm në numrin e katërt dhjetor nga zero, për zgjidhjen e problemeve praktike mund të konsiderohet i barabartë me një. Një ndryshim i vogël midis n për ajrin dhe unitetin tregon se drita praktikisht nuk ngadalësohet nga molekulat e ajrit, gjë që është për shkak të densitetit të saj relativisht të ulët. Kështu, dendësia mesatare e ajrit është 1.225 kg/m 3, domethënë është më shumë se 800 herë më e lehtë se uji i ëmbël.

Ajri është një mjedis i dobët optikisht. Procesi i ngadalësimit të shpejtësisë së dritës në një material është i një natyre kuantike dhe shoqërohet me aktet e përthithjes dhe emetimit të fotoneve nga atomet e substancës.

Ndryshimet në përbërjen e ajrit (për shembull, një rritje në përmbajtjen e avullit të ujit në të) dhe ndryshimet në temperaturë çojnë në ndryshime të rëndësishme në indeksin e thyerjes. Një shembull i mrekullueshëm është efekti i mirazhit në shkretëtirë, i cili ndodh për shkak të ndryshimeve në indekset refraktive të shtresave të ajrit me temperatura të ndryshme.

Ndërfaqja xhami-ajër

Xhami është një medium shumë më i dendur se ajri. Indeksi i tij absolut i thyerjes varion nga 1.5 në 1.66 në varësi të llojit të xhamit. Nëse marrim vlerën mesatare prej 1.55, atëherë thyerja e rrezes në ndërfaqen ajër-xham mund të llogaritet duke përdorur formulën:

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

Vlera n 21 quhet indeksi relativ i thyerjes së ajrit - xhamit. Nëse rrezja del nga xhami në ajër, atëherë duhet të përdoret formula e mëposhtme:

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

Nëse këndi i rrezes së thyer në rastin e fundit është i barabartë me 90 o, atëherë ai përkatës quhet kritik. Për kufirin qelq-ajër është i barabartë me:

θ 1 = hark (0,645) = 40,17 o.

Nëse rrezja bie në kufirin xhami-ajër me kënde më të mëdha se 40,17 o, atëherë ajo do të reflektohet plotësisht përsëri në xhami. Ky fenomen quhet "reflektim total i brendshëm".

Këndi kritik ekziston vetëm kur rrezja lëviz nga një mjedis i dendur (nga xhami në ajër, por jo anasjelltas).

Bileta 75.

Ligji i reflektimit të dritës: rrezet rënëse dhe të reflektuara, si dhe pingulja me ndërfaqen ndërmjet dy mediave, të rindërtuara në pikën e rënies së rrezes, shtrihen në të njëjtin rrafsh (rrafshi i rënies). Këndi i reflektimit γ është i barabartë me këndin e rënies α.

Ligji i përthyerjes së dritës: rrezet rënëse dhe ato të përthyera, si dhe pingulja me ndërfaqen ndërmjet dy mediave, të rindërtuara në pikën e rënies së rrezes, shtrihen në të njëjtin rrafsh. Raporti i sinusit të këndit të rënies α me sinusin e këndit të thyerjes β është një vlerë konstante për dy media të dhëna:

Ligjet e reflektimit dhe të thyerjes shpjegohen në fizikën e valëve. Sipas koncepteve të valës, përthyerja është pasojë e ndryshimeve në shpejtësinë e përhapjes së valëve gjatë kalimit nga një mjedis në tjetrin. Kuptimi fizik i indeksit të thyerjesështë raporti i shpejtësisë së përhapjes së valëve në mjedisin e parë υ 1 me shpejtësinë e përhapjes së tyre në mjedisin e dytë υ 2:

Figura 3.1.1 ilustron ligjet e reflektimit dhe thyerjes së dritës.

Një medium me një indeks refraktiv absolut më të ulët quhet optikisht më pak i dendur.

Kur drita kalon nga një mjedis optikisht më i dendur në një mjedis optikisht më pak të dendur n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать fenomeni i reflektimit total, pra zhdukja e rrezes së përthyer. Ky fenomen vërehet në këndet e rënies që tejkalojnë një kënd të caktuar kritik α pr, i cili quhet këndi kufizues i reflektimit total të brendshëm(shih Fig. 3.1.2).

Për këndin e rënies α = α pr sin β = 1; vlera sin α pr = n 2 / n 1< 1.

Nëse mediumi i dytë është ajri (n 2 ≈ 1), atëherë është i përshtatshëm për të rishkruar formulën në formë

Fenomeni i reflektimit total të brendshëm përdoret në shumë pajisje optike. Aplikimi më interesant dhe praktikisht i rëndësishëm është krijimi i fibrave optike, të cilat janë fije të holla (nga disa mikrometra në milimetra) me fije të lakuara në mënyrë arbitrare të bëra nga materiali optikisht transparent (qelqi, kuarci). Drita që bie në fundin e udhëzuesit të dritës mund të përhapet përgjatë tij në distanca të gjata për shkak të reflektimit total të brendshëm nga sipërfaqet anësore (Figura 3.1.3). Drejtimi shkencor dhe teknik i përfshirë në zhvillimin dhe aplikimin e udhëzuesve të dritës optike quhet fibër optike.

Shpërndarja e dritës (zbërthimi i dritës)- ky është një fenomen i shkaktuar nga varësia e indeksit absolut të thyerjes së një substance nga frekuenca (ose gjatësia e valës) e dritës (shpërndarja e frekuencës), ose, e njëjta gjë, varësia e shpejtësisë së fazës së dritës në një substancë nga gjatësia e valës (ose frekuenca). Ai u zbulua eksperimentalisht nga Njutoni rreth vitit 1672, megjithëse teorikisht u shpjegua mjaft mirë shumë më vonë.

Shpërndarja hapësinore quhet varësia e tensorit të konstantës dielektrike të mediumit nga vektori valor. Kjo varësi shkakton një sërë fenomenesh të quajtura efekte të polarizimit hapësinor.

Një nga shembujt më të qartë të dispersionit - zbërthimi i dritës së bardhë kur kalon nëpër një prizëm (eksperimenti i Njutonit). Thelbi i fenomenit të dispersionit është ndryshimi në shpejtësinë e përhapjes së rrezeve të dritës me gjatësi vale të ndryshme në një substancë transparente - një medium optik (ndërsa në një vakum shpejtësia e dritës është gjithmonë e njëjtë, pavarësisht nga gjatësia e valës dhe rrjedhimisht ngjyra). Në mënyrë tipike, sa më e lartë të jetë frekuenca e një valë drite, aq më i lartë është indeksi i thyerjes së mediumit për të dhe aq më e ulët është shpejtësia e valës në medium:

Eksperimentet e Njutonit Eksperimentoni mbi zbërthimin e dritës së bardhë në një spektër: Njutoni drejtoi një rreze dielli përmes një vrime të vogël në një prizëm xhami. Kur goditi prizmin, rrezja u thye dhe dha një imazh të zgjatur me një alternim ylber ngjyrash në murin e kundërt - një spektër. Eksperimentoni mbi kalimin e dritës monokromatike nëpër një prizëm: Njutoni vendosi xhami të kuq në rrugën e rrezes së diellit, pas së cilës mori dritën monokromatike (të kuqe), pastaj një prizëm dhe vëzhgoi në ekran vetëm pikën e kuqe nga rrezja e dritës. Përvojë në sintezën (prodhimin) e dritës së bardhë: Së pari, Njutoni drejtoi një rreze dielli mbi një prizëm. Më pas, pasi kishte mbledhur rrezet me ngjyra që dilnin nga prizmi duke përdorur një lente grumbulluese, Njutoni mori një imazh të bardhë të një vrime në një mur të bardhë në vend të një shiriti me ngjyrë. Përfundimet e Njutonit:- një prizëm nuk e ndryshon dritën, por vetëm e zbërthen në përbërësit e tij - rrezet e dritës që ndryshojnë në ngjyrë ndryshojnë në shkallën e përthyerjes; Rrezet vjollce thyhen më fort, ato të kuqe më pak - drita e kuqe, e cila përthyhet më pak, ka shpejtësinë më të madhe, dhe vjollca ka më pak, prandaj prizmi e zbërthen dritën. Varësia e indeksit të thyerjes së dritës nga ngjyra e saj quhet dispersion.

Konkluzione:- një prizëm zbërthen dritën - drita e bardhë është komplekse (e përbërë) - rrezet vjollce thyhen më fort se ato të kuqe. Ngjyra e një rreze drite përcaktohet nga frekuenca e saj e dridhjeve. Kur lëvizni nga një medium në tjetrin, shpejtësia e dritës dhe gjatësia e valës ndryshojnë, por frekuenca që përcakton ngjyrën mbetet konstante. Kufijtë e diapazonit të dritës së bardhë dhe përbërësve të saj zakonisht karakterizohen nga gjatësia e valës së tyre në vakum. Drita e bardhë është një koleksion valësh me gjatësi nga 380 në 760 nm.

Bileta 77.

Thithja e dritës. Ligji i Bouguer-it

Thithja e dritës në një substancë shoqërohet me shndërrimin e energjisë së fushës elektromagnetike të valës në energjinë termike të substancës (ose në energjinë e rrezatimit fotolumineshent sekondar). Ligji i përthithjes së dritës (ligji i Bouguer) ka formën:

I=I 0 exp(- x),(1)

Ku I 0 , I-intensiteti i dritës në hyrje (x=0) dhe duke lënë shtresën me trashësi mesatare X, - koeficienti i përthithjes, varet nga .

Për dielektrikët  =10 -1  10 -5 m -1 , për metalet =10 5  10 7 m -1 , Prandaj, metalet janë të errët ndaj dritës.

Varësia  ( ) shpjegon ngjyrën e trupave thithës. Për shembull, xhami që thith dobët dritën e kuqe do të duket i kuq kur ndriçohet me dritë të bardhë.

Shpërndarja e dritës. Ligji i Rayleigh

Difraksioni i dritës mund të ndodhë në një mjedis optikisht johomogjen, për shembull në një mjedis të turbullt (tymi, mjegulla, ajri me pluhur, etj.). Duke difraksionuar në inhomogjenitetet e mediumit, valët e dritës krijojnë një model difraksioni të karakterizuar nga një shpërndarje mjaft uniforme e intensitetit në të gjitha drejtimet.

Ky difraksion nga inhomogjenitetet e vogla quhet shpërndarja e dritës.

Ky fenomen vërehet kur një rreze e ngushtë e dritës së diellit kalon përmes ajrit me pluhur, shpërndahet në grimcat e pluhurit dhe bëhet e dukshme.

Nëse madhësitë e inhomogjeniteteve janë të vogla në krahasim me gjatësinë e valës (jo më shumë se 0,1  ), atëherë intensiteti i dritës së shpërndarë rezulton të jetë në përpjesëtim të zhdrejtë me fuqinë e katërt të gjatësisë valore, d.m.th.

I diss ~ 1/  4 , (2)

kjo varësi quhet ligji i Rayleigh.

Shpërndarja e dritës vërehet gjithashtu në mjedise të pastra që nuk përmbajnë grimca të huaja. Për shembull, mund të ndodhë në luhatjet (devijimet e rastësishme) të densitetit, anizotropisë ose përqendrimit. Ky lloj shpërndarjeje quhet shpërndarje molekulare. Ai shpjegon, për shembull, ngjyrën blu të qiellit. Në të vërtetë, sipas (2), rrezet blu dhe blu shpërndahen më fort se ato të kuqe dhe të verdha, sepse kanë një gjatësi vale më të shkurtër, duke shkaktuar kështu ngjyrën blu të qiellit.

Bileta 78.

Polarizimi i dritës- një grup fenomenesh optike valore në të cilat manifestohet natyra tërthore e valëve të dritës elektromagnetike. Valë tërthore- grimcat e mediumit lëkunden në drejtime pingul me drejtimin e përhapjes së valës ( Fig.1).

Fig.1 Valë tërthore

Vala e dritës elektromagnetike aeroplan i polarizuar(polarizimi linear), nëse drejtimet e lëkundjes së vektorëve E dhe B janë rreptësisht të fiksuara dhe shtrihen në plane të caktuara ( Fig.1). Një valë drite e polarizuar e rrafshët quhet aeroplan i polarizuar dritë (e polarizuar në mënyrë lineare). I papolarizuar valë (natyrore) - një valë drite elektromagnetike në të cilën drejtimet e lëkundjes së vektorëve E dhe B në këtë valë mund të shtrihen në çdo plan pingul me vektorin e shpejtësisë v. Dritë e papolarizuar- valët e dritës në të cilat drejtimet e lëkundjeve të vektorëve E dhe B ndryshojnë në mënyrë kaotike në mënyrë që të gjitha drejtimet e lëkundjeve në plane pingul me rrezen e përhapjes së valës janë njësoj të mundshme ( Fig.2).

Fig.2 Dritë e papolarizuar

Valët e polarizuara- në të cilat drejtimet e vektorëve E dhe B mbeten të pandryshuara në hapësirë ​​ose ndryshojnë sipas një ligji të caktuar. Rrezatimi në të cilin drejtimi i vektorit E ndryshon në mënyrë kaotike - i papolarizuar. Një shembull i rrezatimit të tillë është rrezatimi termik (atomet dhe elektronet e shpërndara në mënyrë kaotike). Rrafshi i polarizimit- ky është një plan pingul me drejtimin e lëkundjeve të vektorit E. Mekanizmi kryesor për shfaqjen e rrezatimit të polarizuar është shpërndarja e rrezatimit nga elektronet, atomet, molekulat dhe grimcat e pluhurit.

1.2. Llojet e polarizimit Ekzistojnë tre lloje të polarizimit. Le t'u japim përkufizime. 1. Linear Ndodh nëse vektori elektrik E ruan pozicionin e tij në hapësirë. Duket se nënvizon rrafshin në të cilin lëkundet vektori E. 2. Rrethore Ky është polarizimi që ndodh kur vektori elektrik E rrotullohet rreth drejtimit të përhapjes së valës me një shpejtësi këndore të barabartë me frekuencën këndore të valës, duke ruajtur vlerën e tij absolute. Ky polarizim karakterizon drejtimin e rrotullimit të vektorit E në një plan pingul me vijën e shikimit. Një shembull është rrezatimi ciklotron (një sistem elektronesh që rrotullohen në një fushë magnetike). 3. Eliptike Ndodh kur madhësia e vektorit elektrik E ndryshon në mënyrë që të përshkruajë një elipsë (rrotullimi i vektorit E). Polarizimi eliptik dhe rrethor mund të jetë djathtas (vektori E rrotullohet në drejtim të akrepave të orës kur shikon drejt valës përhapëse) dhe majtas (vektori E rrotullohet në të kundërt të akrepave të orës kur shikon drejt valës që përhapet).

Në realitet, ndodh më shpesh polarizimi i pjesshëm (valë elektromagnetike të polarizuara pjesërisht). Në mënyrë sasiore, karakterizohet nga një sasi e caktuar e quajtur shkalla e polarizimit R, e cila përkufizohet si: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Ku Imax,Immin- dendësia më e lartë dhe më e ulët e fluksit të energjisë elektromagnetike nëpër analizues (Polaroid, Prizmi Nicolas...). Në praktikë, polarizimi i rrezatimit shpesh përshkruhet nga parametrat e Stokes (ata përcaktojnë flukset e rrezatimit me një drejtim të caktuar polarizimi).

Bileta 79.

Nëse drita natyrale bie në ndërfaqen midis dy dielektrikëve (për shembull, ajri dhe qelqi), atëherë një pjesë e saj reflektohet, dhe një pjesë e saj thyhet dhe përhapet në mediumin e dytë. Duke instaluar një analizues (për shembull, turmalinë) në rrugën e rrezeve të reflektuara dhe të përthyera, sigurohemi që rrezet e reflektuara dhe të përthyera të jenë pjesërisht të polarizuara: kur analizuesi rrotullohet rreth rrezeve, intensiteti i dritës rritet periodikisht dhe dobësohet ( shuarja e plotë nuk vërehet!). Studimet e mëtejshme treguan se në rrezen e reflektuar mbizotërojnë dridhjet pingul me rrafshin e rënies (ato tregohen me pika në figurën 275), ndërsa në rrezen e përthyer mbizotërojnë dridhjet paralele me rrafshin e rënies (të paraqitur me shigjeta).

Shkalla e polarizimit (shkalla në të cilën valët e dritës ndahen me një orientim të caktuar të vektorit elektrik (dhe magnetik)) varet nga këndi i rënies së rrezeve dhe indeksi i thyerjes. fizikan skocez D. Brewster(1781-1868) themeluar ligji, sipas të cilit në këndin e rënies i B (këndi Brewster), i përcaktuar nga relacioni

(n 21 - indeksi i thyerjes së mediumit të dytë në lidhje me të parën), rrezja e reflektuar është e polarizuar në rrafsh(përmban vetëm dridhje pingul me rrafshin e rënies) (Fig. 276). Rrezja e përthyer në këndin e rëniesi B polarizuar në maksimum, por jo plotësisht.

Nëse drita godet një ndërfaqe në këndin Brewster, atëherë rrezet e reflektuara dhe të përthyera pingul reciprokisht(tg i B = mëkat i B/cos i B, n 21 = mëkat i B / mëkat i 2 (i 2 - këndi i thyerjes), prej nga cos i B=mëkat i 2). Prandaj, i B + i 2 =  /2, por i’ B= i B (ligji i reflektimit), pra i’ B+ i 2 =  /2.

Shkalla e polarizimit të dritës së reflektuar dhe të thyer në kënde të ndryshme të incidencës mund të llogaritet nga ekuacionet e Maxwell-it, nëse marrim parasysh kushtet kufitare për fushën elektromagnetike në ndërfaqen midis dy dielektrikëve izotropikë (të ashtuquajturat formulat Fresnel).

Shkalla e polarizimit të dritës së thyer mund të rritet ndjeshëm (me përthyerje të shumëfishtë, me kusht që drita të bjerë çdo herë në ndërfaqen në këndin Brewster). Nëse, për shembull, për xhami ( n= 1.53) shkalla e polarizimit të rrezes së thyer është 15%, pastaj pas thyerjes në 8-10 pllaka qelqi të mbivendosura mbi njëra-tjetrën, drita që del nga një sistem i tillë do të polarizohet pothuajse plotësisht. Një koleksion i tillë pllakash quhet këmbë. Këmba mund të përdoret për të analizuar dritën e polarizuar si gjatë reflektimit ashtu edhe gjatë përthyerjes së saj.

Bileta 79 (për Spur)

Siç tregon përvoja, gjatë përthyerjes dhe reflektimit të dritës, drita e përthyer dhe e reflektuar rezulton të jetë e polarizuar, dhe reflektimi. drita mund të polarizohet plotësisht në një kënd të caktuar incidence, por rastësisht. Drita është gjithmonë pjesërisht e polarizuar Bazuar në formulat e Frinell-it, mund të tregohet se reflektimi. Drita polarizohet në një rrafsh pingul me rrafshin e incidencës dhe përthyhet. drita polarizohet në një rrafsh paralel me rrafshin e incidencës.

Këndi i rënies në të cilin reflektimi Drita është plotësisht e polarizuar quhet këndi i Brewster-it. Këndi i Brewster-it përcaktohet nga ligji i Brewster-it. dhe përthyerja. rrezet do të jenë të barabarta Për një sistem qelqi me ajër, këndi i Brewster-it është i barabartë. , gjatë thyerjes së dritës, përdoren shumë sipërfaqe të ngrënshme, të cilat quhen Stoletov's Stop.

Bileta 80.

Përvoja tregon se kur drita ndërvepron me materien, efekti kryesor (fiziologjik, fotokimik, fotoelektrik, etj.) shkaktohet nga lëkundjet e vektorit, i cili në këtë drejtim nganjëherë quhet edhe vektori i dritës. Prandaj, për të përshkruar modelet e polarizimit të dritës, monitorohet sjellja e vektorit.

Rrafshi i formuar nga vektorët dhe quhet rrafshi i polarizimit.

Nëse luhatjet vektoriale ndodhin në një plan fiks, atëherë drita e tillë (rrezja) quhet e polarizuar në mënyrë lineare. Konvencionalisht është caktuar si më poshtë. Nëse rrezja është e polarizuar në një rrafsh pingul (në rrafsh xoz, shih fig. 2 në leksionin e dytë), më pas caktohet.

Drita natyrore (nga burimet e zakonshme, dielli) përbëhet nga valë që kanë plane të ndryshme polarizimi të shpërndara në mënyrë kaotike (shih Fig. 3).

Drita natyrore nganjëherë përcaktohet si e tillë në mënyrë konvencionale. Quhet gjithashtu jo i polarizuar.

Nëse, ndërsa vala përhapet, vektori rrotullohet dhe fundi i vektorit përshkruan një rreth, atëherë drita e tillë quhet e polarizuar në mënyrë rrethore, dhe polarizimi quhet rrethor ose rrethor (djathtas ose majtas). Ekziston edhe polarizim eliptik.

Ka pajisje optike (filma, pllaka, etj.) - polarizues, të cilat nxjerrin dritë të polarizuar në mënyrë lineare ose dritë të polarizuar pjesërisht nga drita natyrale.

Polarizuesit që përdoren për të analizuar polarizimin e dritës quhen analizues.

Rrafshi i polarizuesit (ose analizuesit) është rrafshi i polarizimit të dritës së transmetuar nga polarizuesi (ose analizuesi).

Lëreni dritën e polarizuar në mënyrë lineare me amplitudë të bjerë mbi një polarizues (ose analizues) E 0 . Amplituda e dritës së transmetuar do të jetë e barabartë me E=E 0 kosto j, dhe intensiteti I=I 0 me 2 j.

Kjo formulë shpreh Ligji i Malusit:

Intensiteti i dritës së polarizuar në mënyrë lineare që kalon nëpër analizues është proporcional me katrorin e kosinusit të këndit j ndërmjet rrafshit të lëkundjes së dritës rënëse dhe rrafshit të analizatorit.

Bileta 80 (për nxitje)

Polarizuesit janë pajisje që mundësojnë marrjen e dritës së polarizuar polarizues, nëse drita është natyrale -th, atëherë të gjitha drejtimet e vektorit E janë njëlloj të mundshme. Secili vektor mund të zbërthehet në dy komponentë reciprokisht pingul: njëri prej të cilëve është paralel me rrafshin e polarizimit të polarizuesit dhe tjetri është pingul me. atë.

Natyrisht, intensiteti i dritës që del nga polarizuesi do të jetë i barabartë me (nëse një analizues vendoset në shtegun e dritës së polarizuar). një kënd me rrafshin kryesor të polarizuesit, atëherë intensiteti i dritës që del nga analizuesi përcaktohet me ligj.

Bileta 81.

Ndërsa studionte shkëlqimin e një zgjidhjeje të kripërave të uraniumit nën ndikimin e rrezeve të radiumit, fizikani sovjetik P. A. Cherenkov tërhoqi vëmendjen për faktin se vetë uji shkëlqen gjithashtu, në të cilin nuk ka kripëra uraniumi. Doli se kur rrezet (shih rrezatimi gama) kalojnë nëpër lëngje të pastra, të gjitha fillojnë të shkëlqejnë. S. I. Vavilov, nën udhëheqjen e të cilit punoi P. A. Cherenkov, hipotezoi se shkëlqimi shoqërohej me lëvizjen e elektroneve të rrëzuara nga atomet nga kuantet e radiumit. Në të vërtetë, shkëlqimi varej fuqimisht nga drejtimi i fushës magnetike në lëng (kjo sugjeronte se ishte shkaktuar nga lëvizja e elektroneve).

Por pse elektronet që lëvizin në një lëng lëshojnë dritë? Përgjigja e saktë për këtë pyetje u dha në vitin 1937 nga fizikanët sovjetikë I.E Tamm dhe I.M. Frank.

Një elektron, duke lëvizur në një substancë, ndërvepron me atomet që e rrethojnë atë. Nën ndikimin e fushës së saj elektrike, elektronet dhe bërthamat atomike zhvendosen në drejtime të kundërta - mediumi është i polarizuar. Të polarizuar dhe më pas duke u kthyer në gjendjen e tyre origjinale, atomet e mediumit të vendosur përgjatë trajektores së elektroneve lëshojnë valë drite elektromagnetike. Nëse shpejtësia e elektronit v është më e vogël se shpejtësia e përhapjes së dritës në mjedis (indeksi i thyerjes), atëherë fusha elektromagnetike do të kapërcejë elektronin dhe substanca do të ketë kohë të polarizohet në hapësirë ​​përpara elektronit. Polarizimi i mediumit para elektronit dhe pas tij është i kundërt në drejtim, dhe rrezatimi i atomeve të polarizuar në mënyrë të kundërt, "të shtuar", "shuar" njëri-tjetrin. Kur atomet që nuk janë arritur ende nga një elektron nuk kanë kohë të polarizohen, dhe rrezatimi shfaqet i drejtuar përgjatë një shtrese të ngushtë konike me një kulm që përkon me elektronin në lëvizje dhe një kënd në kulmin c. Shfaqja e "konit" të dritës dhe gjendja e rrezatimit mund të merren nga parimet e përgjithshme të përhapjes së valës.

Oriz. 1. Mekanizmi i formimit të ballit valor

Lëreni elektronin të lëvizë përgjatë boshtit OE (shih Fig. 1) të një kanali bosh shumë të ngushtë në një substancë homogjene transparente me një indeks thyes (kanali bosh është i nevojshëm në mënyrë që përplasjet e elektronit me atomet të mos merren parasysh në konsideratë teorike). Çdo pikë në vijën OE e zënë në mënyrë të njëpasnjëshme nga një elektron do të jetë qendra e emetimit të dritës. Valët që dalin nga pikat e njëpasnjëshme O, D, E ndërhyjnë me njëra-tjetrën dhe përforcohen nëse diferenca e fazës ndërmjet tyre është zero (shiko Interferenca). Ky kusht është i kënaqur për një drejtim që bën një kënd prej 0 me trajektoren e elektronit. Këndi 0 përcaktohet nga relacioni:.

Në të vërtetë, le të shqyrtojmë dy valë të emetuara në një drejtim në një kënd prej 0 me shpejtësinë e elektronit nga dy pika të trajektores - pika O dhe pika D, të ndara nga një distancë. Në pikën B, e shtrirë në vijën BE, pingul me OB, vala e parë në - pas kohës Në pikën F, e shtrirë në vijën BE, një valë e emetuar nga pika do të arrijë në momentin e kohës pasi vala të lëshohet nga pika O Këto dy valë do të jenë në fazë, d.m.th., vija e drejtë do të jetë një ballë valore nëse këto kohë janë të barabarta:. Që jep kushtin e barazisë së kohërave. Në të gjitha drejtimet për të cilat, drita do të shuhet për shkak të ndërhyrjes së valëve të emetuara nga seksionet e trajektores të ndara nga një distancë D. Vlera e D përcaktohet nga ekuacioni i dukshëm, ku T është periudha e lëkundjeve të dritës. Ky ekuacion ka gjithmonë një zgjidhje nëse.

Nëse , atëherë drejtimi në të cilin valët e emetuara, kur ndërhyjnë, përforcohen, nuk ekziston dhe nuk mund të jetë më i madh se 1.

Oriz. 2. Shpërndarja e valëve të zërit dhe formimi i valës goditëse gjatë lëvizjes së trupit

Rrezatimi vërehet vetëm nëse .

Eksperimentalisht, elektronet fluturojnë në një kënd të kufizuar të ngurtë, me një farë përhapje në shpejtësi, dhe si rezultat, rrezatimi përhapet në një shtresë konike afër drejtimit kryesor të përcaktuar nga këndi.

Në shqyrtimin tonë, ne neglizhuam ngadalësimin e elektroneve. Kjo është mjaft e pranueshme, pasi humbjet për shkak të rrezatimit Vavilov-Cerenkov janë të vogla dhe, në një përafrim të parë, mund të supozojmë se energjia e humbur nga elektroni nuk ndikon në shpejtësinë e tij dhe ai lëviz në mënyrë uniforme. Ky është ndryshimi themelor dhe pazakonta e rrezatimit Vavilov-Cherenkov. Në mënyrë tipike, ngarkesat lëshojnë ndërsa përjetojnë përshpejtim të konsiderueshëm.

Një elektron që tejkalon dritën e tij është i ngjashëm me një aeroplan që fluturon me një shpejtësi më të madhe se shpejtësia e zërit. Në këtë rast, një valë zanore konike e goditjes përhapet gjithashtu përpara avionit (shih Fig. 2).

PËR LEKTORËN Nr.24

"METODA INSTRUMENTALE TË ANALIZËS"

REFRAKTOMETRIA.

Literatura:

1. V.D. Ponomarev "Kimi analitike" 1983 246-251

2. A.A. Ishchenko "Kimi analitike" 2004 f. 181-184

REFRAKTOMETRIA.

Refraktometria është një nga metodat fizike më të thjeshta të analizës duke përdorur një sasi minimale të analitit dhe kryhet në një kohë shumë të shkurtër.

Refraktometria- një metodë e bazuar në fenomenin e përthyerjes ose të përthyerjes d.m.th. ndryshimi i drejtimit të përhapjes së dritës kur kalon nga një mjedis në tjetrin.

Përthyerja, si dhe thithja e dritës, është pasojë e ndërveprimit të saj me mediumin. Fjala refraktometri do të thotë matje thyerja e dritës, e cila vlerësohet nga vlera e indeksit të thyerjes.

Vlera e indeksit të thyerjes n varet

1) për përbërjen e substancave dhe sistemeve,

2) nga fakti në çfarë përqendrimi dhe çfarë molekula ndesh rrezja e dritës në rrugën e saj, sepse Nën ndikimin e dritës, molekulat e substancave të ndryshme polarizohen ndryshe. Në këtë varësi bazohet metoda refraktometrike.

Kjo metodë ka një sërë përparësish, si rezultat i të cilave ka gjetur aplikim të gjerë si në kërkimin kimik, ashtu edhe në kontrollin e proceseve teknologjike.

1) Matja e indekseve të thyerjes është një proces shumë i thjeshtë që kryhet me saktësi dhe me kohë dhe sasi minimale të substancës.

2) Në mënyrë tipike, refraktometrat ofrojnë një saktësi deri në 10% në përcaktimin e indeksit të thyerjes së dritës dhe përmbajtjes së analitit

Metoda e refraktometrisë përdoret për të kontrolluar autenticitetin dhe pastërtinë, për të identifikuar substancat individuale dhe për të përcaktuar strukturën e përbërjeve organike dhe inorganike gjatë studimit të tretësirave. Refraktometria përdoret për të përcaktuar përbërjen e tretësirave me dy komponentë dhe për sistemet treshe.

Baza fizike e metodës

INDEKSI PRAKTIV.

Sa më i madh të jetë ndryshimi në shpejtësinë e përhapjes së dritës në të dy, aq më i madh është devijimi i një rreze drite nga drejtimi i saj origjinal kur kalon nga një mjedis në tjetrin.

këto mjedise.

Le të shqyrtojmë thyerjen e një rreze drite në kufirin e çdo dy media transparente I dhe II (Shih Fig.). Le të biem dakord që mediumi II ka një fuqi refraktive më të madhe dhe, për rrjedhojë, n 1 Dhe n 2- tregon thyerjen e mediumit përkatës. Nëse mediumi I nuk është vakum ose ajër, atëherë raporti i këndit mëkat të rënies së rrezes së dritës me këndin mëkat të thyerjes do të japë vlerën e indeksit relativ të thyerjes n rel. Vlera n rel. mund të përkufizohet edhe si raport i indekseve refraktive të mediumit në shqyrtim.

n rel. = ----- = ---

Vlera e indeksit të thyerjes varet nga

1) natyra e substancave

Natyra e një substance në këtë rast përcaktohet nga shkalla e deformueshmërisë së molekulave të saj nën ndikimin e dritës - shkalla e polarizimit. Sa më intensiv të jetë polarizimi, aq më i fortë është thyerja e dritës.

2)gjatësia e valës së dritës rënëse

Matja e indeksit të thyerjes kryhet në një gjatësi vale të dritës prej 589.3 nm (linja D e spektrit të natriumit).

Varësia e indeksit të thyerjes nga gjatësia valore e dritës quhet dispersion. Sa më e shkurtër të jetë gjatësia e valës, aq më i madh është thyerja. Prandaj, rrezet me gjatësi vale të ndryshme përthyhen ndryshe.

3)temperatura , në të cilën kryhet matja. Një parakusht për përcaktimin e indeksit të thyerjes është pajtueshmëria me regjimin e temperaturës. Zakonisht përcaktimi kryhet në 20±0,3 0 C.

Me rritjen e temperaturës, indeksi i thyerjes zvogëlohet me uljen e temperaturës;.

Korrigjimi për efektet e temperaturës llogaritet duke përdorur formulën e mëposhtme:

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

n t - Mirupafshim indeksi i thyerjes në një temperaturë të caktuar,

n 20 - indeksi i thyerjes në 20 0 C

Ndikimi i temperaturës në vlerat e indekseve të thyerjes së gazeve dhe lëngjeve shoqërohet me vlerat e koeficientëve të tyre të zgjerimit vëllimor. Vëllimi i të gjitha gazeve dhe lëngjeve rritet kur nxehet, densiteti zvogëlohet dhe, rrjedhimisht, treguesi zvogëlohet

Indeksi i thyerjes i matur në 20 0 C dhe një gjatësi vale e dritës prej 589.3 nm përcaktohet nga indeksi n D 20

Varësia e indeksit të thyerjes së një sistemi homogjen me dy komponentë nga gjendja e tij përcaktohet eksperimentalisht duke përcaktuar indeksin e thyerjes për një numër sistemesh standarde (për shembull, zgjidhje), përmbajtja e përbërësve në të cilët dihet.

4) përqendrimi i substancës në tretësirë.

Për shumë solucione ujore të substancave, indekset e thyerjes në përqendrime dhe temperatura të ndryshme maten në mënyrë të besueshme dhe në këto raste mund të përdoren libra referimi. tabela refraktometrike. Praktika tregon se kur përmbajtja e substancës së tretur nuk kalon 10-20%, së bashku me metodën grafike, në shumë raste është e mundur të përdoret ekuacion linear si:

n=n o +FC,

n- indeksi i thyerjes së tretësirës,

nr- indeksi i thyerjes së një tretësi të pastër,

C- përqendrimi i lëndës së tretur,%

F-koeficienti empirik, vlera e të cilit gjendet

duke përcaktuar indeksin e thyerjes së tretësirave me përqendrim të njohur.

REFRAKTOMETRA.

Refraktometrat janë instrumente që përdoren për të matur indeksin e thyerjes. Ekzistojnë 2 lloje të këtyre pajisjeve: refraktometri i tipit Abbe dhe refraktometri i tipit Pulfrich. Në të dyja rastet, matjet bazohen në përcaktimin e këndit maksimal të thyerjes. Në praktikë përdoren refraktometra të sistemeve të ndryshme: laboratori-RL, RL universal, etj.

Indeksi i thyerjes së ujit të distiluar është n 0 = 1,33299, por praktikisht ky tregues merret si referencë si n 0 =1,333.

Parimi i funksionimit të refraktometrave bazohet në përcaktimin e indeksit të thyerjes me metodën e këndit kufizues (këndi i reflektimit total të dritës).

Refraktometër dore

Refraktometri Abbe

Përthyerja e dritës- një fenomen në të cilin një rreze drite, duke kaluar nga një medium në tjetrin, ndryshon drejtimin në kufirin e këtyre mediave.

Përthyerja e dritës ndodh sipas ligjit të mëposhtëm:
Rrezet rënëse dhe ato të përthyera dhe pingulja e tërhequr në ndërfaqen ndërmjet dy mediave në pikën e rënies së rrezes shtrihen në të njëjtin rrafsh. Raporti i sinusit të këndit të rënies me sinusin e këndit të thyerjes është një vlerë konstante për dy media:
,
Ku α - këndi i rënies,
β - këndi i thyerjes,
n - një vlerë konstante e pavarur nga këndi i rënies.

Kur ndryshon këndi i rënies, ndryshon edhe këndi i thyerjes. Sa më i madh të jetë këndi i rënies, aq më i madh është këndi i thyerjes.
Nëse drita vjen nga një mjedis optikisht më pak i dendur në një mjedis më të dendur, atëherë këndi i thyerjes është gjithmonë më i vogël se këndi i rënies: β < α.
Një rreze drite e drejtuar pingul me ndërfaqen midis dy mediave kalon nga një medium në tjetrin pa thyerje.

indeksi absolut i thyerjes së një substance- një vlerë e barabartë me raportin e shpejtësive fazore të dritës (valët elektromagnetike) në vakum dhe në një mjedis të caktuar n=c/v
Sasia n e përfshirë në ligjin e thyerjes quhet indeksi relativ i thyerjes për një palë media.

Vlera n është indeksi relativ i thyerjes së mediumit B në lidhje me mjedisin A, dhe n" = 1/n është indeksi relativ i thyerjes së mediumit A në lidhje me mjedisin B.
Kjo vlerë, duke qenë se gjërat e tjera janë të barabarta, është më e madhe se uniteti kur rrezja kalon nga një mjedis më i dendur në një mjedis më pak të dendur dhe më i vogël se njësia kur rrezja kalon nga një mjedis më pak i dendur në një mjedis më të dendur (për shembull, nga një gaz ose nga një vakum në një lëng ose të ngurtë). Ekzistojnë përjashtime nga ky rregull, dhe për këtë arsye është zakon të quajmë një medium optikisht pak a shumë të dendur se një tjetër.
Një rreze që bie nga hapësira pa ajër në sipërfaqen e ndonjë mediumi B thyhet më fort sesa kur bie mbi të nga një mjedis tjetër A; Indeksi i thyerjes së një rrezeje që përplaset në një mjedis nga hapësira pa ajër quhet indeksi i saj i thyerjes absolute.

(Absolute - në lidhje me vakum.
Relative - në lidhje me çdo substancë tjetër (i njëjti ajër, për shembull).
Treguesi relativ i dy substancave është raporti i treguesve të tyre absolut.)

Reflektimi total i brendshëm- reflektimi i brendshëm, me kusht që këndi i rënies të kalojë një kënd të caktuar kritik. Në këtë rast, vala e përplasjes reflektohet plotësisht, dhe vlera e koeficientit të reflektimit tejkalon vlerat e saj më të larta për sipërfaqet e lëmuara. Reflektimi i reflektimit total të brendshëm është i pavarur nga gjatësia e valës.

Në optikë, ky fenomen vërehet për një gamë të gjerë të rrezatimit elektromagnetik, duke përfshirë gamën e rrezeve X.

Në optikën gjeometrike, fenomeni shpjegohet brenda kornizës së ligjit të Snell-it. Duke marrë parasysh që këndi i përthyerjes nuk mund të kalojë 90°, gjejmë se në një kënd incidence, sinusi i të cilit është më i madh se raporti i indeksit të thyerjes më të ulët me indeksin më të madh, vala elektromagnetike duhet të reflektohet plotësisht në mjedisin e parë.

Në përputhje me teorinë e valës së fenomenit, vala elektromagnetike ende depërton në mediumin e dytë - e ashtuquajtura "valë jo uniforme" përhapet atje, e cila kalbet në mënyrë eksponenciale dhe nuk mbart energji me vete. Thellësia karakteristike e depërtimit të një valë johomogjene në mjedisin e dytë është e rendit të gjatësisë së valës.

Ligjet e përthyerjes së dritës.

Nga e gjithë kjo që u tha, arrijmë në përfundimin:
1 . Në ndërfaqen midis dy mediave me densitet të ndryshme optike, një rreze drite ndryshon drejtimin e saj kur kalon nga një medium në tjetrin.
2. Kur një rreze drite kalon në një mjedis me një densitet optik më të lartë, këndi i thyerjes është më i vogël se këndi i rënies; Kur një rreze drite kalon nga një mjedis optikisht më i dendur në një mjedis më pak të dendur, këndi i thyerjes është më i madh se këndi i rënies.
Përthyerja e dritës shoqërohet me reflektim, dhe me një rritje të këndit të rënies, shkëlqimi i rrezes së reflektuar rritet dhe rrezja e përthyer dobësohet. Kjo mund të shihet duke kryer eksperimentin e treguar në figurë. Rrjedhimisht, rrezja e reflektuar mbart me vete më shumë energji drite, aq më i madh është këndi i rënies.

Le MN- ndërfaqja midis dy mediave transparente, për shembull, ajri dhe uji, SHA- rreze e incidentit, OB- rreze e thyer, - këndi i rënies, - këndi i thyerjes, - shpejtësia e përhapjes së dritës në mjedisin e parë, - shpejtësia e përhapjes së dritës në mjedisin e dytë.

Ligji i përthyerjes së dritës. Indekset refraktive absolute dhe relative (koeficientët). Reflektimi total i brendshëm

Ligji i përthyerjes së dritës u krijua eksperimentalisht në shekullin e 17-të. Ndërsa drita kalon nga një medium transparent në tjetrin, drejtimi i dritës mund të ndryshojë. Ndryshimi në drejtimin e dritës në kufirin e mediave të ndryshme quhet thyerje e dritës. Si rezultat i përthyerjes, ndodh një ndryshim i dukshëm në formën e objektit. (shembull: lugë në një gotë me ujë). Ligji i përthyerjes së dritës: Në kufirin e dy mediave, rrezja e përthyer shtrihet në rrafshin e incidencës dhe formon, me normalen e ndërfaqes të rivendosur në pikën e rënies, një kënd thyerjeje të tillë që: =n 1-incidencë, 2-reflektim, n-indeks thyes (f. Snelius) - tregues relativ Indeksi i përthyerjes së një rreze që përplaset në një mjedis nga hapësira pa ajër quhet i tij indeksi absolut i thyerjes. Këndi i incidencës në të cilin rrezja e përthyer fillon të rrëshqasë përgjatë ndërfaqes midis dy mediave pa kaluar në një mjedis optikisht më të dendur - këndi kufizues i reflektimit total të brendshëm. Reflektimi total i brendshëm- reflektimi i brendshëm, me kusht që këndi i rënies të kalojë një kënd të caktuar kritik. Në këtë rast, vala e përplasjes reflektohet plotësisht, dhe vlera e koeficientit të reflektimit tejkalon vlerat e saj më të larta për sipërfaqet e lëmuara. Reflektimi i reflektimit total të brendshëm është i pavarur nga gjatësia e valës. Në optikë, ky fenomen vërehet për një gamë të gjerë të rrezatimit elektromagnetik, duke përfshirë gamën e rrezeve X. Në optikën gjeometrike, fenomeni shpjegohet brenda kornizës së ligjit të Snell-it. Duke marrë parasysh që këndi i përthyerjes nuk mund të kalojë 90°, gjejmë se në një kënd incidence, sinusi i të cilit është më i madh se raporti i indeksit më të vogël të thyerjes me indeksin më të madh, vala elektromagnetike duhet të reflektohet plotësisht në mjedisin e parë. Shembull: Shkëlqimi i ndritshëm i shumë kristaleve natyrore, dhe veçanërisht i gurëve të çmuar dhe gjysëm të çmuar të prerë, shpjegohet me reflektimin total të brendshëm, si rezultat i të cilit çdo rreze që hyn në kristal formon një numër të madh rrezesh mjaft të shndritshme që dalin, të ngjyrosura si rezultat i dispersionit.