Optik, fiziğin eski dallarından biridir. Antik Yunan zamanlarından bu yana pek çok filozof, ışığın su, cam, elmas ve hava gibi çeşitli şeffaf malzemelerdeki hareketi ve yayılmasının yasalarıyla ilgilenmektedir. Bu makale, havanın kırılma indisine odaklanarak ışığın kırılması olgusunu incelemektedir.

Işık ışınının kırılma etkisi

Hayatında herkes, bir su deposunun dibine veya içine bir nesne yerleştirilmiş bir bardak suya baktığında bu etkinin tezahürüyle yüzlerce kez karşılaşmıştır. Aynı zamanda gölet gerçekte olduğu kadar derin görünmüyordu ve su bardağındaki nesneler deforme olmuş veya kırılmış görünüyordu.

Kırılma olgusu, iki şeffaf malzemenin ara yüzeyiyle kesiştiğinde düz yolunda bir kırılma meydana gelir. Hollandalı Willebrord Snell, 17. yüzyılın başında büyük miktarda deneysel veriyi özetleyerek bu fenomeni doğru bir şekilde tanımlayan matematiksel bir ifade elde etti. Bu ifade genellikle aşağıdaki biçimde yazılır:

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

Burada n 1, n 2, karşılık gelen malzemedeki ışığın mutlak kırılma indisleridir, θ 1 ve θ 2, gelen ve kırılan ışınlar arasındaki açılardır ve ışının kesişme noktasından çizilen arayüz düzlemine diktir. ve bu uçak.

Bu formüle Snell yasası veya Snell-Descartes yasası denir (bunu sunulan biçimde yazan Fransızdı, Hollandalı ise sinüs yerine uzunluk birimini kullanmıştı).

Bu formüle ek olarak kırılma olgusu geometrik nitelikteki başka bir yasayla açıklanmaktadır. Düzleme dik işaretli ve iki ışının (kırılan ve gelen) aynı düzlemde yer alması gerçeğinden oluşur.

Mutlak kırılma indisi

Bu miktar Snell formülüne dahil edilmiştir ve değeri önemli bir rol oynamaktadır. Matematiksel olarak kırılma indisi n aşağıdaki formüle karşılık gelir:

C sembolü, elektromanyetik dalgaların boşluktaki hızıdır. Yaklaşık 3*10 8 m/s'dir. V değeri ortamda hareket eden ışığın hızıdır. Böylece kırılma indisi, havasız alana göre bir ortamdaki ışığın gecikme miktarını yansıtır.

Yukarıdaki formülden iki önemli sonuç çıkmaktadır:

• n'nin değeri her zaman 1'den büyüktür (vakum için birliğe eşittir);
• boyutsuz bir miktardır.

Örneğin havanın kırılma indisi 1,00029, suyun ise 1,33'tür.

Kırılma indisi belirli bir ortam için sabit bir değer değildir. Sıcaklığa bağlıdır. Üstelik bir elektromanyetik dalganın her frekansının kendi anlamı vardır. Dolayısıyla yukarıdaki rakamlar 20 o C sıcaklığa ve görünür spektrumun sarı kısmına (dalga boyu - yaklaşık 580-590 nm) karşılık gelir.

N'nin ışığın frekansına bağımlılığı, beyaz ışığın bir prizma tarafından çeşitli renklere ayrışmasında ve ayrıca şiddetli yağmur sırasında gökyüzünde bir gökkuşağının oluşmasında kendini gösterir.

Havadaki ışığın kırılma indisi

Değeri yukarıda zaten verilmişti (1.00029). Havanın kırılma indisi sıfırdan yalnızca dördüncü ondalık basamakta farklı olduğundan, pratik problemlerin çözümü için bire eşit olduğu düşünülebilir. Hava için n'de birlikten hafif bir fark, ışığın pratikte hava molekülleri tarafından yavaşlatılmadığını gösterir; bu da nispeten düşük yoğunluğundan kaynaklanmaktadır. Böylece ortalama hava yoğunluğu 1.225 kg/m3 olup, tatlı sudan 800 kat daha hafiftir.

Hava optik olarak zayıf bir ortamdır. Bir malzemedeki ışığın hızını yavaşlatma işlemi kuantum niteliğindedir ve fotonların maddenin atomları tarafından emilmesi ve yayılması eylemleriyle ilişkilidir.

Havanın bileşimindeki değişiklikler (örneğin içindeki su buharı içeriğindeki artış) ve sıcaklıktaki değişiklikler kırılma indeksinde önemli değişikliklere yol açar. Çarpıcı bir örnek, farklı sıcaklıklardaki hava katmanlarının kırılma indislerindeki farklılıklar nedeniyle ortaya çıkan çöldeki serap etkisidir.

Cam-hava arayüzü

Cam havadan çok daha yoğun bir ortamdır. Mutlak kırılma indisi camın türüne bağlı olarak 1,5 ila 1,66 arasında değişir. Ortalama 1,55 değerini alırsak, ışının hava-cam arayüzündeki kırılması aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:

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

N 21 değerine hava camının bağıl kırılma indeksi denir. Kiriş camdan havaya çıkarsa aşağıdaki formül kullanılmalıdır:

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

İkinci durumda kırılan ışının açısı 90 o'ya eşitse, buna karşılık gelene kritik denir. Cam-hava sınırı için şuna eşittir:

θ 1 = arcsin(0,645) = 40,17o.

Işın, cam-hava sınırına 40,17o'den daha büyük açılarla düşerse tamamen cama geri yansıyacaktır. Bu olguya “toplam iç yansıma” denir.

Kritik açı yalnızca ışın yoğun bir ortamdan (camdan havaya, ancak tersi) hareket ettiğinde ortaya çıkar.

Bilet 75.

Işık Yansıma Yasası: gelen ve yansıyan ışınların yanı sıra, ışının geliş noktasında yeniden oluşturulan iki ortam arasındaki arayüze dik olan aynı düzlemde (geliş düzlemi) bulunur. Yansıma açısı γ, geliş açısı α'ya eşittir.

Işığın kırılma kanunu: Gelen ve kırılan ışınlar ile ışının geliş noktasında yeniden oluşturulan iki ortam arasındaki arayüze dik aynı düzlemde bulunur. Geliş açısı α'nın sinüsünün kırılma açısı β'nın sinüsüne oranı, belirli iki ortam için sabit bir değerdir:

Yansıma ve kırılma yasaları dalga fiziğinde açıklanmaktadır. Dalga kavramlarına göre kırılma, dalgaların bir ortamdan diğerine geçerken yayılma hızındaki değişikliklerin bir sonucudur. Kırılma indeksinin fiziksel anlamı dalgaların birinci ortamdaki (υ 1) yayılma hızının ikinci ortamdaki (υ 2) yayılma hızına oranıdır:

Şekil 3.1.1 ışığın yansıma ve kırılma yasalarını göstermektedir.

Mutlak kırılma indisi daha düşük olan bir ortama optik olarak daha az yoğun denir.

Işık optik olarak daha yoğun bir ortamdan optik olarak daha az yoğun bir ortama geçtiğinde n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать toplam yansıma olgusu yani kırılan ışının ortadan kaybolması. Bu fenomen, belirli bir kritik açı olan α pr'yi aşan geliş açılarında gözlenir. toplam iç yansımanın sınır açısı(bkz. Şekil 3.1.2).

Gelme açısı için α = α pr sin β = 1; değer sin α pr = n 2 / n 1< 1.

İkinci ortam hava ise (n 2 ≈ 1), formülü şu şekilde yeniden yazmak uygundur:

Toplam iç yansıma olgusu birçok optik cihazda kullanılmaktadır. En ilginç ve pratik olarak önemli uygulama, optik olarak şeffaf malzemeden (cam, kuvars) yapılmış ince (birkaç mikrometreden milimetreye kadar) keyfi olarak kavisli ipliklerden oluşan optik fiberlerin oluşturulmasıdır. Işık kılavuzunun ucuna gelen ışık, yan yüzeylerden gelen toplam iç yansıma nedeniyle uzun mesafeler boyunca ilerleyebilir (Şekil 3.1.3). Optik ışık kılavuzlarının geliştirilmesi ve uygulanmasıyla ilgili bilimsel ve teknik yöne fiber optik denir.

Işığın dağılımı (ışığın ayrışması)- bu, bir maddenin mutlak kırılma indisinin ışığın frekansına (veya dalga boyuna) (frekans dağılımı) bağımlılığından veya aynı şey, bir maddedeki ışığın faz hızının ışığın frekansına bağımlılığından kaynaklanan bir olgudur. dalga boyu (veya frekans). Teorik olarak çok daha sonra oldukça iyi bir şekilde açıklanmasına rağmen, 1672 civarında Newton tarafından deneysel olarak keşfedildi.

Uzaysal dağılım ortamın dielektrik sabiti tensörünün dalga vektörüne bağımlılığı denir. Bu bağımlılık, uzaysal kutuplaşma etkileri adı verilen bir dizi olguya neden olur.

Dağılımın en açık örneklerinden biri - beyaz ışık ayrışması bir prizmadan geçerken (Newton deneyi). Dağılma olgusunun özü, farklı dalga boylarındaki ışık ışınlarının şeffaf bir maddede - optik bir ortamda yayılma hızındaki farktır (boşlukta ışığın hızı, dalga boyundan ve dolayısıyla renkten bağımsız olarak her zaman aynıdır) . Tipik olarak, bir ışık dalgasının frekansı ne kadar yüksek olursa, ortamın kırılma indisi de o kadar yüksek olur ve ortamdaki dalganın hızı o kadar düşük olur:

Newton'un deneyleri Beyaz ışığın bir spektruma ayrışması üzerine deney: Newton, güneş ışığını küçük bir delikten cam prizmaya yönlendirdi. Prizmaya çarptığında ışın kırıldı ve karşı duvarda gökkuşağı renk değişimi olan uzun bir görüntü - bir spektrum - verdi. Monokromatik ışığın prizmadan geçişi üzerine deney yapın: Newton, güneş ışınının yoluna kırmızı cam yerleştirdi, arkasından tek renkli ışık (kırmızı), ardından bir prizma aldı ve ekranda yalnızca ışık ışınından gelen kırmızı noktayı gözlemledi. Beyaz ışığın sentezinde (üretiminde) deneyim:İlk olarak Newton güneş ışınını bir prizmaya yönlendirdi. Daha sonra prizmadan çıkan renkli ışınları bir toplama merceği kullanarak toplayan Newton, renkli bir şerit yerine beyaz bir duvardaki bir deliğin beyaz görüntüsünü elde etti. Newton'un sonuçları:- prizma ışığı değiştirmez, yalnızca onu bileşenlerine ayırır - rengi farklı olan ışık ışınlarının kırılma derecesi farklıdır; Mor ışınlar en güçlü şekilde kırılır, kırmızı olanlar daha az güçlüdür - daha az kırılan kırmızı ışık en yüksek hıza sahiptir ve mor en az hıza sahiptir, bu nedenle prizma ışığı ayrıştırır. Işığın kırılma indisinin rengine bağımlılığına dağılım denir.

Sonuçlar:- prizma ışığı ayrıştırır - beyaz ışık karmaşıktır (bileşik) - mor ışınlar kırmızı ışınlardan daha güçlü bir şekilde kırılır. Bir ışık ışınının rengi titreşim frekansına göre belirlenir. Bir ortamdan diğerine geçerken ışığın hızı ve dalga boyu değişir ancak rengi belirleyen frekans sabit kalır. Beyaz ışığın ve bileşenlerinin aralıklarının sınırları genellikle vakumdaki dalga boylarıyla karakterize edilir. Beyaz ışık, uzunlukları 380 ila 760 nm arasında olan dalgaların bir koleksiyonudur.

Bilet 77.

Işığın emilmesi. Bouguer yasası

Işığın bir maddede emilmesi, dalganın elektromanyetik alanının enerjisinin maddenin termal enerjisine (veya ikincil fotolüminesans radyasyonun enerjisine) dönüştürülmesiyle ilişkilidir. Işığın soğurulması yasası (Bouguer yasası) şu şekildedir:

ben=ben 0 deneyim(- X),(1)

Nerede BEN 0 , BEN-girişteki ışık yoğunluğu (x=0) ve orta kalınlıkta bir tabaka bırakarak X, - absorpsiyon katsayısı şunlara bağlıdır: .

Dielektrikler için  =10 -1  10 -5 M -1 , metaller için =10 5  10 7 M -1 , Bu nedenle metaller ışığı geçirmez.

Bağımlılık  ( ) Emici cisimlerin rengini açıklar. Örneğin, kırmızı ışığı zayıf şekilde emen bir cam, beyaz ışıkla aydınlatıldığında kırmızı görünecektir.

Işığın saçılması. Rayleigh yasası

Işığın kırınımı, optik olarak homojen olmayan bir ortamda, örneğin bulanık bir ortamda (duman, sis, tozlu hava vb.) meydana gelebilir. Işık dalgaları, ortamın homojen olmayan durumlarına göre kırınıma uğrayarak, tüm yönlerde oldukça düzgün bir yoğunluk dağılımı ile karakterize edilen bir kırınım modeli oluşturur.

Küçük homojensizliklerden kaynaklanan bu kırınıma denir. ışığın saçılması.

Bu olay, dar bir güneş ışığı ışınının tozlu havadan geçmesi, toz parçacıklarının üzerine saçılması ve görünür hale gelmesiyle gözlemlenir.

Homojensizliklerin boyutları dalga boyuna göre küçükse (en fazla değil) 0,1  ), o zaman saçılan ışığın yoğunluğunun dalga boyunun dördüncü kuvvetiyle ters orantılı olduğu ortaya çıkar, yani.

BEN muhalif olmak ~ 1/  4 , (2)

bu bağımlılığa Rayleigh yasası denir.

Yabancı parçacık içermeyen temiz ortamlarda da ışık saçılımı gözlemlenir. Örneğin yoğunluk, anizotropi veya konsantrasyondaki dalgalanmalarda (rastgele sapmalarda) ortaya çıkabilir. Bu tür saçılmaya moleküler saçılma denir. Mesela gökyüzünün mavi rengini açıklıyor. Aslında (2)'ye göre mavi ve mavi ışınlar kırmızı ve sarı ışınlardan daha kuvvetli saçılır, çünkü dalga boyu daha kısa olduğundan gökyüzünün mavi rengine neden olur.

Bilet 78.

Işığın polarizasyonu- elektromanyetik ışık dalgalarının enine doğasının ortaya çıktığı bir dizi dalga optiği olgusu. Enine dalga- ortamın parçacıkları dalganın yayılma yönüne dik yönlerde salınır ( Şekil 1).

Şekil 1 Enine dalga

Elektromanyetik ışık dalgası düzlem polarize(doğrusal polarizasyon), eğer E ve B vektörlerinin salınım yönleri kesinlikle sabitse ve belirli düzlemlerde yer alıyorsa ( Şekil 1). Düzlem polarize ışık dalgasına denir düzlem polarize(doğrusal polarize) ışık. Polarize olmayan(doğal) dalga - bu dalgadaki E ve B vektörlerinin salınım yönlerinin v hız vektörüne dik herhangi bir düzlemde bulunabileceği bir elektromanyetik ışık dalgası. Polarize olmayan ışık- E ve B vektörlerinin salınım yönlerinin kaotik bir şekilde değiştiği ışık dalgaları, böylece dalga yayılma ışınına dik düzlemlerdeki tüm salınım yönleri eşit derecede olasıdır ( Şekil 2).

Şekil 2 Polarize olmayan ışık

Polarize dalgalar- E ve B vektörlerinin yönlerinin uzayda değişmeden kaldığı veya belirli bir yasaya göre değiştiği. E vektörünün yönünün düzensiz değiştiği radyasyon - polarize olmayan. Bu tür radyasyonun bir örneği termal radyasyondur (kaotik olarak dağılmış atomlar ve elektronlar). Polarizasyon düzlemi- bu, E vektörünün salınım yönüne dik bir düzlemdir. Polarize radyasyonun ortaya çıkmasının ana mekanizması, radyasyonun elektronlar, atomlar, moleküller ve toz parçacıkları tarafından saçılmasıdır.

1.2. Polarizasyon türleriÜç tür polarizasyon vardır. Onlara tanımları verelim. 1. Doğrusal Elektrik vektörü E uzaydaki konumunu korursa oluşur. E vektörünün salındığı düzlemi vurguluyor gibi görünüyor. 2. Dairesel Bu, elektrik vektörü E, mutlak değerini korurken, dalganın açısal frekansına eşit bir açısal hızla dalganın yayılma yönü etrafında döndüğünde meydana gelen polarizasyondur. Bu polarizasyon, E vektörünün görüş hattına dik bir düzlemde dönme yönünü karakterize eder. Bir örnek siklotron radyasyonudur (manyetik bir alanda dönen elektronlardan oluşan bir sistem). 3. Eliptik Elektrik vektörü E'nin büyüklüğü bir elips (E vektörünün dönüşü) tanımlayacak şekilde değiştiğinde meydana gelir. Eliptik ve dairesel polarizasyon sağa (E vektörü, yayılan dalgaya doğru bakıldığında saat yönünde döner) ve sola (E vektörü, yayılan dalgaya doğru bakıldığında saat yönünün tersine döner) olabilir.

Gerçekte, en sık meydana gelir kısmi polarizasyon (kısmen polarize elektromanyetik dalgalar). Kantitatif olarak, adı verilen belirli bir miktarla karakterize edilir. polarizasyon derecesi Rşu şekilde tanımlanır: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Nerede Imaks,yakında- analizördeki elektromanyetik enerji akışının en yüksek ve en düşük yoğunluğu (Polaroid, Nicolas prizması...). Uygulamada, radyasyon polarizasyonu genellikle Stokes parametreleriyle tanımlanır (belirli bir polarizasyon yönü ile radyasyon akılarını belirlerler).

Bilet 79.

İki dielektrik (örneğin hava ve cam) arasındaki arayüze doğal ışık düşerse, bir kısmı yansıtılır ve bir kısmı kırılır ve ikinci ortamda yayılır. Yansıyan ve kırılan ışınların yoluna bir analizör (örneğin turmalin) yerleştirerek, yansıyan ve kırılan ışınların kısmen polarize olmasını sağlıyoruz: analizör ışınların etrafında döndürüldüğünde, ışık yoğunluğu periyodik olarak artar ve zayıflar ( tam söndürme gözlenmedi!). Daha ileri çalışmalar, yansıyan ışında, geliş düzlemine dik titreşimlerin baskın olduğunu (bunlar Şekil 275'te noktalarla gösterilmiştir), kırılan ışında ise geliş düzlemine paralel titreşimlerin (oklarla gösterilen) baskın olduğunu göstermiştir.

Polarizasyon derecesi (ışık dalgalarının elektrik (ve manyetik) vektörünün belirli bir yönelimiyle ayrılma derecesi), ışınların geliş açısına ve kırılma indisine bağlıdır. İskoç fizikçi D.Brewster(1781-1868) yüklü kanun buna göre geliş açısında Ben B (Brewster açısı), ilişkiyle belirlenir

(N 21 - ikinci ortamın birinciye göre kırılma indisi), yansıyan ışın düzlem polarizedir(yalnızca geliş düzlemine dik titreşimleri içerir) (Şekil 276). Gelme açısında kırılan ışınBen B maksimuma kadar polarize olmuş, ancak tamamen değil.

Işık Brewster açısında bir arayüze çarparsa, yansıyan ve kırılan ışınlar karşılıklı olarak dik(tg Ben B = günah Ben B/çünkü Ben B, N 21 = günah Ben B / günah Ben 2 (Ben 2 - kırılma açısı), dolayısıyla Ben B=günah Ben 2). Buradan, Ben B + Ben 2 =  /2, ancak Ben’ B= Ben B (yansıma yasası), dolayısıyla Ben’ B+ Ben 2 =  /2.

Yansıyan ve kırılan ışığın farklı geliş açılarında polarizasyon derecesi, iki izotropik dielektrik (sözde) arasındaki arayüzdeki elektromanyetik alanın sınır koşullarını hesaba katarsak, Maxwell denklemlerinden hesaplanabilir. Fresnel formülleri).

Kırılan ışığın polarizasyon derecesi önemli ölçüde arttırılabilir (ışığın her seferinde arayüze Brewster açısında gelmesi şartıyla çoklu kırılma yoluyla). Örneğin, cam için ( n= 1.53) kırılan ışının polarizasyon derecesi %15 ise, üst üste bindirilmiş 8-10 cam plakaya kırıldıktan sonra böyle bir sistemden çıkan ışık neredeyse tamamen polarize olacaktır. Böyle bir plaka koleksiyonuna denir ayak. Ayak, polarize ışığın hem yansıması hem de kırılması sırasında analiz etmek için kullanılabilir.

Bilet 79 (Spur için)

Deneyimlerin gösterdiği gibi, ışığın kırılması ve yansıması sırasında kırılan ve yansıyan ışık polarize olur ve yansıma meydana gelir. ışık belirli bir geliş açısında tamamen polarize edilebilir, ancak tesadüfen. ışık her zaman kısmen polarize olur. Frinell'in formüllerine göre bu yansıma gösterilebilir. Işık, geliş düzlemine dik bir düzlemde polarize olur ve kırılır. ışık geliş düzlemine paralel bir düzlemde polarize olur.

Yansımanın gelme açısı ışığın tamamen polarize olması Brewster açısı olarak adlandırılır. Brewster açısı Brewster yasasından belirlenir: - Bu durumda yansımalar arasındaki açı. ve kırılma. ışınlar eşit olacaktır. Hava camı sistemi için Brewster açısı eşittir. Işığı kırarken Stoletov Durağı adı verilen birçok yenilebilir yüzey kullanılır.

Bilet 80.

Deneyimler, ışık madde ile etkileşime girdiğinde ana etkinin (fizyolojik, fotokimyasal, fotoelektrik vb.), bu bağlamda bazen ışık vektörü olarak adlandırılan vektörün salınımlarından kaynaklandığını göstermektedir. Bu nedenle ışık polarizasyon modellerini tanımlamak için vektörün davranışı izlenir.

Vektörlerin oluşturduğu düzleme polarizasyon düzlemi denir.

Vektör salınımları sabit bir düzlemde meydana gelirse, bu tür ışığa (ışın) doğrusal polarize denir. Geleneksel olarak aşağıdaki şekilde belirlenir. Işın dik bir düzlemde polarize edilmişse (düzlemde) xoz, bkz. Şek. İkinci derste 2), daha sonra belirlenir.

Doğal ışık (sıradan kaynaklardan, güneşten) farklı, kaotik olarak dağılmış polarizasyon düzlemlerine sahip dalgalardan oluşur (bkz. Şekil 3).

Doğal ışık bazen geleneksel olarak bu şekilde tanımlanır. Aynı zamanda polarize olmayan olarak da adlandırılır.

Dalga ilerledikçe vektör dönüyorsa ve vektörün ucu bir daireyi tanımlıyorsa, bu tür ışığa dairesel polarize denir ve polarizasyona dairesel veya dairesel (sağ veya sol) denir. Eliptik polarizasyon da vardır.

Optik cihazlar var (filmler, plakalar vb.) - polarizörler doğal ışıktan doğrusal polarize ışık veya kısmen polarize ışık çıkarır.

Işığın polarizasyonunu analiz etmek için kullanılan polarizörlere denir. analizörler.

Polarizörün (veya analizörün) düzlemi, polarizörün (veya analizörün) aktardığı ışığın polarizasyon düzlemidir.

Genliği olan doğrusal polarize ışığın bir polarizöre (veya analizöre) düşmesine izin verin e 0. İletilen ışığın genliği şuna eşit olacaktır: E=E 0 çünkü J ve yoğunluk ben=ben 0 çünkü 2 J.

Bu formül ifade eder Malus yasası:

Analizörden geçen doğrusal polarize ışığın yoğunluğu, açının kosinüsünün karesi ile orantılıdır. J Gelen ışığın salınım düzlemi ile analizörün düzlemi arasında.

Bilet 80 (mahmuz için)

Polarizörler, polarize ışık elde etmeyi mümkün kılan cihazlardır. Analizörler, ışığın polarize olup olmadığını analiz etmek için kullanılabilen cihazlardır. Yapısal olarak polarizör ve analizör, ışığın üzerine düşmesine izin veren cihazlardır. polarizör, eğer ışık doğal ise, o zaman E vektörünün tüm yönleri eşit derecede olasıdır. Her vektör, biri polarizörün polarizasyon düzlemine paralel, diğeri ise birbirine dik olan iki bileşene ayrılabilir. BT.

Açıkçası, polarizörden çıkan ışığın şiddeti eşit olacaktır. Polarizörden çıkan ışığın şiddetini () ile gösterelim. Eğer ana düzlemi polarize olan ışığın yolu üzerine bir analizör yerleştirilirse. Polarizörün ana düzlemi ile bir açı yapıldıktan sonra analizörden çıkan ışığın şiddeti kanunla belirlenir.

Bilet 81.

Sovyet fizikçi P. A. Cherenkov, radyum ışınlarının etkisi altındaki bir uranyum tuzu çözeltisinin parıltısını incelerken, içinde uranyum tuzu bulunmayan suyun kendisinin de parladığına dikkat çekti. Işınların (bkz. Gama radyasyonu) saf sıvılardan geçtiğinde hepsinin parlamaya başladığı ortaya çıktı. P. A. Cherenkov'un liderliği altında çalıştığı S. I. Vavilov, parıltının radyum kuantumu tarafından atomlardan ayrılan elektronların hareketiyle ilişkili olduğunu varsaydı. Gerçekten de parıltı, sıvıdaki manyetik alanın yönüne büyük ölçüde bağlıydı (bu, bunun elektronların hareketinden kaynaklandığını gösteriyordu).

Peki bir sıvı içinde hareket eden elektronlar neden ışık yayar? Bu sorunun doğru cevabı 1937'de Sovyet fizikçileri I. E. Tamm ve I. M. Frank tarafından verildi.

Bir madde içinde hareket eden bir elektron, onu çevreleyen atomlarla etkileşime girer. Elektrik alanının etkisi altında atomik elektronlar ve çekirdekler zıt yönlerde kaydırılır - ortam polarize olur. Polarize olan ve daha sonra orijinal durumuna dönen ortamın elektron yörüngesi boyunca yer alan atomları, elektromanyetik ışık dalgaları yayar. Elektronun v hızı, ortamdaki ışığın yayılma hızından (kırılma indisi) daha düşükse, o zaman elektromanyetik alan elektronu geçecek ve maddenin, elektronun önünde uzayda polarize olmak için zamanı olacaktır. Elektronun önündeki ve arkasındaki ortamın polarizasyonu ters yöndedir ve zıt polarize atomların radyasyonu "eklenir", birbirini "söndürür". Henüz bir elektronun ulaşmadığı atomların polarize olmak için zamanı olmadığında ve radyasyon, tepe noktası hareketli elektronla çakışan ve tepe noktası c'deki bir açıyla dar bir konik katman boyunca yönlendirilmiş olarak göründüğünde. Işık "konisinin" görünümü ve radyasyonun durumu, dalga yayılımının genel prensiplerinden elde edilebilir.

Pirinç. 1. Dalga cephesi oluşum mekanizması

Elektronun, kırılma indeksi olan homojen şeffaf bir madde içindeki çok dar bir boş kanalın OE ekseni (bkz. Şekil 1) boyunca hareket etmesine izin verin (boş kanala ihtiyaç vardır, böylece elektronun atomlarla çarpışmaları dikkate alınmaz. teorik değerlendirme). OE çizgisi üzerinde art arda bir elektron tarafından işgal edilen herhangi bir nokta, ışık emisyonunun merkezi olacaktır. Ardışık O, D, E noktalarından yayılan dalgalar birbirine müdahale eder ve aralarındaki faz farkı sıfırsa güçlendirilir (bkz. Girişim). Bu koşul, elektronun yörüngesiyle 0 açı yapan bir yön için sağlanır. Açı 0 şu ilişkiyle belirlenir:.

Aslında, yörüngenin iki noktasından (O noktası ve D noktası) birbirinden mesafeyle ayrılan iki noktadan elektron hızına 0 açı yapacak yönde yayılan iki dalgayı ele alalım. BE çizgisi üzerinde uzanan, OB'ye dik olan B noktasında, -sonraki zamanda ilk dalga BE çizgisi üzerinde yer alan F noktasına, noktadan yayılan bir dalga, dalga O noktasından yayınlandıktan sonraki zamanda ulaşacaktır. Bu iki dalga aynı fazda olacaktır, yani bu süreler eşitse düz çizgi bir dalga cephesi olacaktır:. Bu, zamanların eşitliği koşulunu verir. Yörüngenin D mesafesiyle ayrılmış bölümlerinden yayılan dalgaların girişimi nedeniyle ışığın söneceği tüm yönlerde. D'nin değeri, T'nin ışık salınımlarının periyodu olduğu açık denklemle belirlenir. Bu denklemin her zaman bir çözümü vardır.

Eğer ise, o zaman yayılan dalgaların müdahale sırasında yükseltildiği yön mevcut değildir ve 1'den büyük olamaz.

Pirinç. 2. Vücut hareketi sırasında ses dalgalarının dağılımı ve şok dalgasının oluşması

Radyasyon yalnızca şu durumlarda gözlenir:

Deneysel olarak, elektronlar sonlu bir katı açıda, bir miktar hızda uçarlar ve sonuç olarak radyasyon, açıyla belirlenen ana yöne yakın konik bir katmanda yayılır.

Düşüncemizde elektron yavaşlamasını ihmal ettik. Vavilov-Cerenkov radyasyonundan kaynaklanan kayıplar küçük olduğundan ve ilk yaklaşıma göre elektronun kaybettiği enerjinin onun hızını etkilemediğini ve düzgün bir şekilde hareket ettiğini varsayabileceğimiz için bu oldukça kabul edilebilir. Vavilov-Çerenkov radyasyonunun temel farkı ve olağandışılığı budur. Tipik olarak yükler, önemli bir hızlanma yaşanırken yayılır.

Işığını aşan bir elektron, ses hızından daha yüksek bir hızla uçan bir uçağa benzer. Bu durumda konik bir şok ses dalgası da uçağın önünde yayılır (bkz. Şekil 2).

24 No'lu DERS İÇİN

"ARAÇLI ANALİZ YÖNTEMLERİ"

REFRAKTOMETRİ.

Edebiyat:

1. V.D. Ponomarev “Analitik Kimya” 1983 246-251

2. A.A. Ishchenko “Analitik Kimya” 2004 s. 181-184

REFRAKTOMETRİ.

Refraktometri, minimum miktarda analit kullanılarak yapılan en basit fiziksel analiz yöntemlerinden biridir ve çok kısa sürede gerçekleştirilir.

Refraktometri- kırılma veya kırılma olgusuna dayalı bir yöntem; Bir ortamdan diğerine geçerken ışığın yayılma yönünün değiştirilmesi.

Kırılma ve ışığın emilmesi, ortamla etkileşiminin bir sonucudur. Refraktometri kelimesi şu anlama gelir: ölçüm kırılma indisinin değeri ile tahmin edilen ışığın kırılması.

Kırılma indeksi değeri N bağlı olmak

1) maddelerin ve sistemlerin bileşimi hakkında,

2) gerçekte hangi konsantrasyonda ve ışık ışınının yolu üzerinde hangi moleküllerle karşılaştığını, çünkü Işığın etkisi altında farklı maddelerin molekülleri farklı şekilde polarize olur. Refraktometrik yöntemin temeli bu bağımlılığa dayanmaktadır.

Bu yöntemin bir takım avantajları vardır ve bunun sonucunda hem kimyasal araştırmalarda hem de teknolojik süreçlerin kontrolünde geniş uygulama alanı bulmuştur.

1) Kırılma indekslerinin ölçülmesi, doğru bir şekilde ve minimum zaman ve malzeme miktarıyla gerçekleştirilen çok basit bir işlemdir.

2) Tipik olarak refraktometreler, ışığın kırılma indisini ve analitin içeriğini belirlemede %10'a kadar doğruluk sağlar

Refraktometri yöntemi özgünlüğü ve saflığı kontrol etmek, tek tek maddeleri tanımlamak ve çözeltiler incelenirken organik ve inorganik bileşiklerin yapısını belirlemek için kullanılır. Refraktometri, iki bileşenli çözeltilerin ve üçlü sistemlerin bileşimini belirlemek için kullanılır.

Yöntemin fiziksel temeli

KIRILMA ENDEKSİ.

İkisinde ışığın yayılma hızı arasındaki fark ne kadar büyük olursa, bir ışık ışınının bir ortamdan diğerine geçerken orijinal yönünden sapması da o kadar büyük olur.

bu ortamlar.

Herhangi iki şeffaf ortam I ve II'nin sınırında bir ışık ışınının kırılmasını ele alalım (Bkz. Şekil). Ortam II'nin daha büyük bir kırılma gücüne sahip olduğu konusunda hemfikir olalım ve bu nedenle, n 1 Ve n 2- ilgili ortamın kırılmasını gösterir. Ortam I bir vakum veya hava değilse, ışık ışınının geliş açısının günah kırılma açısına oranı, bağıl kırılma indeksi nrel'in değerini verecektir. Değer n bağıl. aynı zamanda söz konusu ortamın kırılma indislerinin oranı olarak da tanımlanabilir.

n göreceli. = ----- = ---

Kırılma indisinin değeri şunlara bağlıdır:

1) maddelerin doğası

Bu durumda bir maddenin doğası, moleküllerinin ışığın etkisi altında deforme olabilirlik derecesi - polarize edilebilirlik derecesi ile belirlenir. Polarizasyon ne kadar yoğun olursa ışığın kırılması da o kadar güçlü olur.

2)gelen ışığın dalga boyu

Kırılma indisi ölçümü, 589,3 nm ışık dalga boyunda (sodyum spektrumunun D çizgisi) gerçekleştirilir.

Kırılma indisinin ışığın dalga boyuna bağımlılığına dağılım denir. Dalga boyu ne kadar kısa olursa kırılma o kadar büyük olur. Bu nedenle farklı dalga boylarındaki ışınlar farklı şekilde kırılır.

3)sıcaklık ölçümün yapıldığı yer. Kırılma indeksini belirlemenin ön koşulu sıcaklık rejimine uygunluktur. Genellikle belirleme 20±0,3 0 C'de yapılır.

Sıcaklık arttıkça kırılma indisi azalır; sıcaklık azaldıkça artar..

Sıcaklık etkilerinin düzeltilmesi aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır:

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

hayır – Güle güle Belirli bir sıcaklıkta kırılma indisi,

n 20 - 20 0 C'de kırılma indisi

Sıcaklığın gazların ve sıvıların kırılma indekslerinin değerleri üzerindeki etkisi, hacimsel genleşme katsayılarının değerleriyle ilişkilidir. Isıtıldığında tüm gazların ve sıvıların hacmi artar, yoğunluk azalır ve sonuç olarak gösterge azalır

20 0 C'de ölçülen kırılma indisi ve 589,3 nm ışık dalga boyu, indeks ile belirtilir. n D 20

Homojen iki bileşenli bir sistemin kırılma indeksinin durumuna bağımlılığı, bileşenlerin içeriği bilinen bir dizi standart sistem (örneğin çözümler) için kırılma indeksinin belirlenmesiyle deneysel olarak belirlenir.

4) maddenin çözelti içindeki konsantrasyonu.

Birçok sulu madde çözeltisi için, farklı konsantrasyonlarda ve sıcaklıklarda kırılma indisleri güvenilir bir şekilde ölçülür ve bu durumlarda referans kitapları kullanılabilir. refraktometrik tablolar. Uygulama, çözünmüş madde içeriğinin% 10-20'yi geçmediği durumlarda grafiksel yöntemle birlikte birçok durumda kullanmanın mümkün olduğunu göstermektedir. aşağıdaki gibi doğrusal denklem:

n=n veya +FC,

N-çözeltinin kırılma indisi,

HAYIR- saf bir çözücünün kırılma indisi,

C- çözünen konsantrasyonu,%

F-değeri bulunan ampirik katsayı

Bilinen konsantrasyondaki çözeltilerin kırılma indeksini belirleyerek.

REFRAKTOMETRELER.

Refraktometreler kırılma indeksini ölçmek için kullanılan aletlerdir. Bu cihazların 2 tipi vardır: Abbe tipi ve Pulfrich tipi refraktometre. Her iki durumda da ölçümler maksimum kırılma açısının belirlenmesine dayanmaktadır. Uygulamada çeşitli sistemlerin refraktometreleri kullanılır: laboratuvar-RL, evrensel RL, vb.

Damıtılmış suyun kırılma indisi n 0 = 1,33299'dur ancak pratikte bu gösterge n 0 olarak referans olarak alınır. =1,333.

Refraktometrelerin çalışma prensibi, sınırlayıcı açı yöntemi (ışığın toplam yansıma açısı) ile kırılma indisinin belirlenmesine dayanmaktadır.

El tipi refraktometre

Abbe refraktometre

Işığın kırılması- Bir ortamdan diğerine geçen ışık ışınının, bu ortamların sınırında yön değiştirmesi olgusu.

Işığın kırılması aşağıdaki yasaya göre gerçekleşir:
Gelen ve kırılan ışınlar ve ışının geliş noktasında iki ortam arasındaki arayüze çizilen dik aynı düzlemde yer alır. Geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı iki ortam için sabit bir değerdir:
,
Nerede α - geliş açısı,
β - kırılma açısı,
N - geliş açısından bağımsız olarak sabit bir değer.

Gelme açısı değiştiğinde kırılma açısı da değişir. Gelme açısı ne kadar büyük olursa kırılma açısı da o kadar büyük olur.
Işık optik olarak daha az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama geliyorsa, kırılma açısı her zaman gelme açısından küçüktür: β < α.
İki ortam arasındaki arayüze dik olarak yönlendirilen ışık ışını bir ortamdan diğerine geçer kırılma olmadan.

Bir maddenin mutlak kırılma indisi- ışığın (elektromanyetik dalgalar) boşluktaki ve belirli bir ortamdaki faz hızlarının oranına eşit bir değer n=c/v
Kırılma yasasında yer alan n miktarına, bir ortam çifti için bağıl kırılma indisi denir.

n değeri, B ortamının A ortamına göre bağıl kırılma indisidir ve n" = 1/n, A ortamının B ortamına göre bağıl kırılma indisidir.
Bu değer, diğer şeyler eşit olmak üzere, ışın daha yoğun bir ortamdan daha az yoğun bir ortama geçerken birden büyüktür ve ışın daha az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama (örneğin, bir gazdan) geçerken birden küçüktür. veya vakumdan sıvıya veya katıya). Bu kuralın istisnaları vardır ve bu nedenle optik olarak diğerinden daha fazla veya daha az yoğun bir ortamı çağırmak gelenekseldir.
Havasız uzaydan bir B ortamının yüzeyine düşen bir ışın, başka bir A ortamından üzerine düştüğünden daha güçlü bir şekilde kırılır; Havasız uzaydan bir ortama gelen ışının kırılma indisine mutlak kırılma indisi denir.

(Mutlak - boşluğa göre.
Bağıl - başka herhangi bir maddeye göre (örneğin aynı hava).
İki maddenin göreceli göstergesi mutlak göstergelerinin oranıdır.)

Toplam iç yansıma- geliş açısının belirli bir kritik açıyı aşması koşuluyla iç yansıma. Bu durumda gelen dalga tamamen yansıtılır ve yansıma katsayısının değeri cilalı yüzeyler için en yüksek değerleri aşar. Toplam iç yansımanın yansıması dalga boyundan bağımsızdır.

Optikte bu olay, X-ışını aralığı da dahil olmak üzere geniş bir elektromanyetik radyasyon aralığı için gözlemlenir.

Geometrik optikte olay Snell yasası çerçevesinde açıklanır. Kırılma açısının 90°'yi geçemeyeceği göz önüne alındığında, sinüsü düşük kırılma indisinin daha büyük indise oranından daha büyük olan bir gelme açısında, elektromanyetik dalganın birinci ortama tamamen yansıması gerektiğini bulduk.

Olayın dalga teorisine uygun olarak, elektromanyetik dalga hala ikinci ortama nüfuz ediyor - "tekdüze olmayan dalga" olarak adlandırılan, üstel olarak bozunan ve kendisiyle birlikte enerji taşımayan orada yayılır. Homojen olmayan bir dalganın ikinci ortama karakteristik nüfuz derinliği, dalga boyu düzeyindedir.

Işığın kırılma kanunları.

Bütün söylenenlerden şu sonuca varıyoruz:
1 . Farklı optik yoğunluklara sahip iki ortam arasındaki arayüzde, bir ışık ışını bir ortamdan diğerine geçerken yönünü değiştirir.
2. Bir ışık demeti daha yüksek optik yoğunluğa sahip bir ortama geçtiğinde, kırılma açısı geliş açısından daha küçüktür; Bir ışık ışını optik olarak daha yoğun bir ortamdan daha az yoğun bir ortama geçtiğinde kırılma açısı geliş açısından daha büyüktür.
Işığın kırılmasına yansıma eşlik eder ve geliş açısının artmasıyla yansıyan ışının parlaklığı artar ve kırılan ışın zayıflar. Bu, şekilde gösterilen deneyi yaparak görülebilir. Sonuç olarak, yansıyan ışın, geliş açısı ne kadar büyük olursa, beraberinde daha fazla ışık enerjisi taşır.

İzin vermek MN- hava ve su gibi iki şeffaf ortam arasındaki arayüz, JSC- olay ışını, doğum günü- kırılan ışın, - geliş açısı, - kırılma açısı, - ışığın birinci ortamdaki yayılma hızı, - ışığın ikinci ortamdaki yayılma hızı.

Işığın kırılma kanunu. Mutlak ve bağıl kırılma indisleri (katsayılar). Toplam iç yansıma

Işığın kırılma kanunu 17. yüzyılda deneysel olarak kuruldu. Işık bir şeffaf ortamdan diğerine geçerken ışığın yönü değişebilir. Farklı ortamların sınırında ışığın yönünün değişmesine ışığın kırılması denir. Kırılma sonucunda cismin şeklinde belirgin bir değişiklik meydana gelir. (örnek: bir bardak suya kaşık). Işık kırılması kanunu: İki ortamın sınırında, kırılan ışın geliş düzleminde bulunur ve geliş noktasında ara yüzeyin normali düzeltilerek, şöyle bir kırılma açısı oluşur: =n 1-geliş, 2-yansıma, n-kırılma indisi (f. Snelius) - bağıl gösterge Havasız uzaydan bir ortama gelen ışının kırılma indisine denir. mutlak kırılma indisi. Kırılan ışının optik olarak daha yoğun bir ortama geçmeden iki ortam arasındaki arayüz boyunca kaymaya başladığı geliş açısı - toplam iç yansımanın sınır açısı. Toplam iç yansıma- geliş açısının belirli bir kritik açıyı aşması koşuluyla iç yansıma. Bu durumda gelen dalga tamamen yansıtılır ve yansıma katsayısının değeri cilalı yüzeyler için en yüksek değerleri aşar. Toplam iç yansımanın yansıması dalga boyundan bağımsızdır. Optikte bu olay, X-ışını aralığı da dahil olmak üzere geniş bir elektromanyetik radyasyon aralığı için gözlemlenir. Geometrik optikte olay Snell yasası çerçevesinde açıklanır. Kırılma açısının 90°'yi geçemeyeceği göz önüne alındığında, sinüsü küçük kırılma indisinin büyük indise oranından daha büyük olan bir gelme açısında, elektromanyetik dalganın birinci ortama tamamen yansıması gerektiğini bulduk. Örnek: Pek çok doğal kristalin ve özellikle kesilmiş değerli ve yarı değerli taşların parlak parlaklığı, toplam iç yansımayla açıklanır; bunun sonucunda kristale giren her ışın, ortaya çıkan çok sayıda oldukça parlak ışın oluşturur. dağılmanın bir sonucudur.