Zakon prelamanja svetlosti. Apsolutni i relativni indeksi (koeficijenti) refrakcije. Totalna unutrašnja refleksija

Zakon prelamanja svetlosti ustanovljeno je empirijski u 17. veku. Kada svjetlost prelazi iz jednog prozirnog medija u drugi, smjer svjetlosti se može promijeniti. Promjena smjera svjetlosti na granici različitih medija naziva se lom svjetlosti. Sveznanje prelamanja je prividna promjena oblika objekta. (primjer: kašika u čaši vode). Zakon prelamanja svetlosti: Na granici dva medija, prelomljeni snop leži u ravni upada i formira, sa normalom na interfejs obnovljenu u tački upada, ugao prelamanja takav da je: = n 1- pad, 2 refleksije, n indeks loma (f. Snelius) - relativni indikator Indeks prelamanja zraka koji pada na medij iz bezzračnog prostora naziva se njegov apsolutni indeks prelamanja. Upadni ugao pod kojim prelomljeni snop počinje kliziti duž granice između dva medija bez prijelaza u optički gušći medij - granični ugao ukupne unutrašnje refleksije. Totalna unutrašnja refleksija- unutrašnja refleksija, pod uslovom da upadni ugao prelazi određeni kritični ugao. U ovom slučaju, upadni val se potpuno reflektira, a vrijednost koeficijenta refleksije prelazi njegove najveće vrijednosti za polirane površine. Koeficijent refleksije za ukupnu unutrašnju refleksiju ne zavisi od talasne dužine. U optici, ovaj fenomen se opaža za širok spektar elektromagnetnog zračenja, uključujući i rendgenski opseg. U geometrijskoj optici, fenomen se objašnjava u smislu Snelovog zakona. S obzirom da ugao prelamanja ne može biti veći od 90°, dobijamo da pri upadnom uglu čiji je sinus veći od omjera manjeg indeksa prelamanja prema većem, elektromagnetski talas treba da se potpuno reflektuje u prvi medij. Primer: Sjaj sjaj mnogih prirodnih kristala, a posebno fasetiranog dragog i poludragog kamenja, objašnjava se totalnom unutrašnjom refleksijom, usled čega svaki zrak koji uđe u kristal formira veliki broj prilično svetlih zraka koji izlaze, obojeni kao rezultat disperzije.

DO PREDAVANJA №24

"INSTRUMENTALNE METODE ANALIZE"

REFRAKTOMETRIJA.

književnost:

1. V.D. Ponomarjov "Analitička hemija" 1983 246-251

2. AA. Ishchenko "Analitička hemija" 2004, str. 181-184

REFRAKTOMETRIJA.

Refraktometrija je jedna od najjednostavnijih fizičkih metoda analize, koja zahtijeva minimalnu količinu analita i izvodi se u vrlo kratkom vremenu.

Refraktometrija- metoda zasnovana na fenomenu refrakcije ili refrakcije tj. promjena smjera širenja svjetlosti pri prelasku iz jednog medija u drugi.

Refrakcija, kao i apsorpcija svetlosti, posledica je njene interakcije sa medijumom. Reč refraktometrija znači dimenzija prelamanje svjetlosti, koje se procjenjuje vrijednošću indeksa prelamanja.

Vrijednost indeksa loma n zavisi

1) o sastavu supstanci i sistema,

2) od u kojoj koncentraciji i koje molekule svjetlosni snop susreće na svom putu, jer Pod djelovanjem svjetlosti, molekule različitih tvari polariziraju se na različite načine. Refraktometrijska metoda je zasnovana na ovoj zavisnosti.

Ova metoda ima niz prednosti, zbog čega je našla široku primjenu kako u kemijskim istraživanjima tako i u kontroli tehnoloških procesa.

1) Mjerenje indeksa prelamanja je vrlo jednostavan proces koji se izvodi precizno i ​​uz minimalno ulaganje vremena i količine tvari.

2) Tipično, refraktometri daju do 10% tačnosti u određivanju indeksa loma svjetlosti i sadržaja analita

Metoda refraktometrije koristi se za kontrolu autentičnosti i čistoće, za identifikaciju pojedinačnih supstanci, za određivanje strukture organskih i neorganskih jedinjenja u proučavanju rastvora. Refraktometrija se koristi za određivanje sastava dvokomponentnih rastvora i za ternarne sisteme.

Fizička osnova metode

INDIKATOR REFRAKCIJE.

Odstupanje svjetlosnog snopa od prvobitnog smjera kada prelazi iz jednog medija u drugi je to veće, što je veća razlika u brzinama prostiranja svjetlosti u dva

ovim okruženjima.

Razmotrimo prelamanje svjetlosnog snopa na granici bilo koje dvije prozirne sredine I i II (vidi sliku). Složimo se da medij II ima veću moć prelamanja i, prema tome, n 1 i n 2- prikazuje prelamanje odgovarajućeg medija. Ako medij I nije ni vakuum ni zrak, tada će omjer sin upadnog ugla svjetlosnog zraka prema sin ugla prelamanja dati vrijednost relativnog indeksa prelamanja n rel. Vrijednost n rel. također se može definirati kao omjer indeksa prelamanja medija koji se razmatra.

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

Vrijednost indeksa prelamanja ovisi o

1) priroda supstanci

Priroda supstance u ovom slučaju određena je stepenom deformabilnosti njenih molekula pod dejstvom svetlosti - stepenom polarizabilnosti. Što je polarizacija intenzivnija, to je jače prelamanje svjetlosti.

2)talasna dužina upadne svetlosti

Merenje indeksa prelamanja vrši se na talasnoj dužini svetlosti od 589,3 nm (linija D natrijumovog spektra).

Ovisnost indeksa loma o talasnoj dužini svjetlosti naziva se disperzija. Što je talasna dužina kraća, to je veća refrakcija. Zbog toga se zraci različitih talasnih dužina različito lome.

3)temperatura na kojoj se vrši merenje. Preduvjet za određivanje indeksa loma je usklađenost s temperaturnim režimom. Obično se određivanje vrši na 20±0,3 0 S.

Kako temperatura raste, indeks loma se smanjuje, a kako temperatura opada, raste..

Korekcija temperature se izračunava pomoću sljedeće formule:

n t \u003d n 20 + (20-t) 0,0002, gdje je

n t -ćao indeks loma na datoj temperaturi,

n 20 - indeks prelamanja na 20 0 S

Utjecaj temperature na vrijednosti indeksa loma plinova i tekućina povezan je s vrijednostima njihovih koeficijenata zapreminskog širenja. Volumen svih plinova i tekućina se povećava kada se zagrijavaju, gustoća se smanjuje i, posljedično, indikator se smanjuje

Indeks loma, izmjeren na 20 0 C i talasnoj dužini svjetlosti od 589,3 nm, označen je indeksom n D 20

Zavisnost indeksa prelamanja homogenog dvokomponentnog sistema od njegovog stanja utvrđuje se eksperimentalno određivanjem indeksa prelamanja za veći broj standardnih sistema (npr. rastvora), čiji je sadržaj komponenti poznat.

4) koncentracija supstance u rastvoru.

Za mnoge vodene otopine tvari pouzdano su izmjereni indeksi loma pri različitim koncentracijama i temperaturama iu tim slučajevima se mogu koristiti referentni podaci. refraktometrijske tablice. Praksa pokazuje da kada sadržaj otopljene supstance ne prelazi 10-20%, uz grafičku metodu, u velikom broju slučajeva moguće je koristiti linearna jednačina kao:

n=n o +FC,

n- indeks loma otopine,

br je indeks loma čistog rastvarača,

C- koncentracija rastvorene supstance,%

F-empirijski koeficijent čija se vrijednost nalazi

određivanjem indeksa loma otopina poznate koncentracije.

REFRAKTOMETRI.

Refraktometri su uređaji koji se koriste za mjerenje indeksa prelamanja. Postoje 2 tipa ovih instrumenata: refraktometar tipa Abbe i tip Pulfrich. I kod njih i kod drugih mjerenja se zasnivaju na određivanju veličine graničnog ugla prelamanja. U praksi se koriste refraktometri različitih sistema: laboratorijski-RL, univerzalni RLU itd.

Indeks loma destilovane vode n 0 = 1,33299, u praksi ovaj indikator uzima kao referencu n 0 =1,333.

Princip rada refraktometara zasniva se na određivanju indeksa prelamanja metodom graničnog ugla (ugao ukupne refleksije svetlosti).

Ručni refraktometar

Refraktometar Abbe

Procesi koji su povezani sa svjetlom su važna komponenta fizike i okružuju nas svuda u našem svakodnevnom životu. Najvažniji u ovoj situaciji su zakoni refleksije i prelamanja svjetlosti, na kojima se temelji moderna optika. Prelamanje svjetlosti je važan dio moderne nauke.

Efekat distorzije

Ovaj članak će vam reći šta je fenomen prelamanja svetlosti, kao i kako izgleda zakon refrakcije i šta iz njega sledi.

Osnove fizičkog fenomena

Kada snop padne na površinu koju razdvajaju dvije prozirne tvari različite optičke gustoće (na primjer, različita stakla ili u vodi), dio zraka će se reflektirati, a dio će prodrijeti u drugu strukturu (npr. će se razmnožavati u vodi ili staklu). Prilikom prelaska iz jednog medija u drugi, snop karakterizira promjena smjera. Ovo je fenomen prelamanja svjetlosti.
Refleksija i prelamanje svjetlosti može se posebno dobro vidjeti u vodi.

efekat izobličenja vode

Gledajući stvari u vodi, izgledaju iskrivljene. To je posebno vidljivo na granici između zraka i vode. Vizuelno se čini da su podvodni objekti malo odmaknuti. Opisani fizički fenomen je upravo razlog zašto svi objekti izgledaju izobličeni u vodi. Kada zraci udare u staklo, ovaj efekat je manje primetan.
Refrakcija svjetlosti je fizička pojava, koju karakterizira promjena smjera sunčevog snopa u trenutku prelaska iz jednog medija (strukture) u drugi.
Da biste poboljšali razumijevanje ovog procesa, razmotrite primjer snopa koji pada iz zraka u vodu (slično za staklo). Povlačenjem okomice duž interfejsa može se izmeriti ugao prelamanja i povratka svetlosnog snopa. Ovaj indikator (ugao prelamanja) će se promeniti kada tok prodre u vodu (unutar stakla).
Bilješka! Ovaj parametar se podrazumijeva kao ugao koji formira okomicu povučenu na razdvajanje dviju tvari kada snop prodire iz prve strukture u drugu.

Prolaz zraka

Isti indikator je tipičan i za druga okruženja. Utvrđeno je da ovaj pokazatelj ovisi o gustoći tvari. Ako snop pada sa manje guste na gustu strukturu, tada će ugao stvorenog izobličenja biti veći. A ako je obrnuto, onda manje.
Istovremeno, promjena nagiba pada također će utjecati na ovaj pokazatelj. Ali odnos između njih ne ostaje konstantan. U isto vrijeme, omjer njihovih sinusa će ostati konstantan, što se prikazuje sljedećom formulom: sinα / sinγ = n, gdje je:

• n je konstantna vrijednost koja je opisana za svaku specifičnu supstancu (vazduh, staklo, voda, itd.). Dakle, kolika će biti ova vrijednost može se odrediti iz posebnih tabela;
• α je upadni ugao;
• γ je ugao prelamanja.

Da bi se odredio ovaj fizički fenomen, stvoren je zakon refrakcije.

fizički zakon

Zakon loma svjetlosnih tokova omogućava vam da odredite karakteristike prozirnih tvari. Sam zakon se sastoji od dvije odredbe:

• Prvi dio. Zraka (upadna, promijenjena) i okomica, koja je obnovljena u tački upada na granici, na primjer, zrak i voda (staklo, itd.), nalazit će se u istoj ravni;
• Drugi dio. Indikator omjera sinusa upadnog ugla i sinusa istog ugla formiranog prilikom prelaska granice bit će konstantna vrijednost.

Opis zakona

U tom slučaju, u trenutku kada snop izlazi iz druge strukture u prvu (na primjer, kada svjetlosni tok prođe iz zraka, kroz staklo i natrag u zrak), također će se pojaviti efekat izobličenja.

Važan parametar za različite objekte

Glavni pokazatelj u ovoj situaciji je omjer sinusa upadnog ugla prema sličnom parametru, ali za izobličenje. Kao što slijedi iz gore opisanog zakona, ovaj pokazatelj je konstantna vrijednost.
Istovremeno, kada se vrijednost nagiba pada promijeni, ista situacija će biti tipična za sličan indikator. Ovaj parametar je od velike važnosti, jer je sastavna karakteristika prozirnih supstanci.

Indikatori za različite objekte

Zahvaljujući ovom parametru, možete prilično efikasno razlikovati vrste stakla, kao i različito drago kamenje. Važan je i za određivanje brzine svjetlosti u različitim medijima.

Bilješka! Najveća brzina svjetlosnog toka je u vakuumu.

Prilikom prelaska s jedne tvari na drugu, njegova brzina će se smanjiti. Na primjer, dijamant, koji ima najveći indeks loma, imat će brzinu širenja fotona 2,42 puta brže od zraka. U vodi će se širiti 1,33 puta sporije. Za različite vrste stakla, ovaj parametar se kreće od 1,4 do 2,2.

Bilješka! Neke naočale imaju indeks prelamanja 2,2, što je vrlo blizu dijamantu (2,4). Stoga nije uvijek moguće razlikovati komad stakla od pravog dijamanta.

Optička gustina supstanci

Svjetlost može prodrijeti kroz različite tvari, koje karakterizira različita optička gustoća. Kao što smo ranije rekli, pomoću ovog zakona možete odrediti karakteristiku gustine medija (strukture). Što je gušće, to će se brzina svjetlosti u njemu širiti sporije. Na primjer, staklo ili voda će biti optički gušći od zraka.
Pored činjenice da je ovaj parametar konstantna vrijednost, on također odražava omjer brzine svjetlosti u dvije supstance. Fizičko značenje može se prikazati kao sljedeća formula:

Ovaj indikator govori kako se mijenja brzina širenja fotona pri prelasku s jedne tvari na drugu.

Još jedan važan pokazatelj

Prilikom kretanja svjetlosnog toka kroz prozirne objekte, moguća je njegova polarizacija. Uočava se prilikom prolaska svjetlosnog toka iz dielektričnih izotropnih medija. Polarizacija nastaje kada fotoni prolaze kroz staklo.

efekat polarizacije

Djelomična polarizacija se opaža kada se kut upada svjetlosnog toka na granici dva dielektrika razlikuje od nule. Stepen polarizacije zavisi od upadnih uglova (Brusterov zakon).

Potpuna unutrašnja refleksija

Završavajući našu kratku digresiju, još uvijek je potrebno uzeti u obzir takav učinak kao punopravnu unutrašnju refleksiju.

Fenomen punog prikaza

Da bi se ovaj efekat pojavio, potrebno je povećati ugao upada svjetlosnog toka u trenutku njegovog prijelaza iz gušćeg u manje gustu sredinu na granici između tvari. U situaciji kada ovaj parametar premašuje određenu graničnu vrijednost, tada će se fotoni koji upadaju na granicu ovog odjeljka u potpunosti odraziti. Zapravo, ovo će biti naš željeni fenomen. Bez toga je bilo nemoguće napraviti optička vlakna.

Zaključak

Praktična primjena karakteristika ponašanja svjetlosnog toka dala je mnogo, stvarajući niz tehničkih uređaja za poboljšanje naših života. Istovremeno, svjetlost nije otvorila sve svoje mogućnosti čovječanstvu, a njen praktični potencijal još nije u potpunosti ostvaren.

Kako napraviti lampu od papira vlastitim rukama Kako provjeriti performanse LED trake

Refrakcija svjetlosti- pojava u kojoj snop svjetlosti, prelazeći iz jednog medija u drugi, mijenja smjer na granici ovih medija.

Prelamanje svjetlosti odvija se prema sljedećem zakonu:
Upadne i prelomljene zrake i okomica povučena na granicu između dva medija u tački upada zraka leže u istoj ravni. Omjer sinusa upadnog ugla i sinusa ugla prelamanja je konstantna vrijednost za dva medija:
,
gdje α - upadni ugao,
β - ugao prelamanja
n - konstantna vrijednost nezavisna od upadnog ugla.

Kada se upadni ugao promeni, menja se i ugao prelamanja. Što je veći upadni ugao, veći je i ugao prelamanja.
Ako svjetlost prelazi iz optički manje guste sredine u gustu sredinu, tada je ugao prelamanja uvijek manji od upadnog ugla: β < α.
Snop svjetlosti usmjeren okomito na međuprostor između dva medija prelazi iz jednog medija u drugi bez lomljenja.

apsolutni indeks prelamanja supstance- vrijednost jednaka omjeru faznih brzina svjetlosti (elektromagnetnih valova) u vakuumu i datom mediju n=c/v
Vrijednost n uključena u zakon refrakcije naziva se relativni indeks loma za par medija.

Vrijednost n je relativni indeks prelamanja medija B u odnosu na medij A, a n" = 1/n je relativni indeks prelamanja medija A u odnosu na medij B.
Ova vrijednost, ceteris paribus, veća je od jedinice kada snop prelazi iz gušćeg medija u manje gust medij, i manja od jedinice kada snop prelazi iz manje gustog medija u gušći medij (na primjer, iz plina ili iz vakuum u tečnost ili čvrstu supstancu). Postoje izuzeci od ovog pravila, pa je uobičajeno da se medij naziva optički više ili manje gustim od drugog.
Snop koji pada iz bezzračnog prostora na površinu nekog medija B prelama se jače nego kada na njega pada iz drugog medija A; Indeks prelamanja zraka koji upada na medij iz bezzračnog prostora naziva se njegov apsolutni indeks loma.

(Apsolutno - u odnosu na vakuum.
Relativno - u odnosu na bilo koju drugu tvar (isti zrak, na primjer).
Relativni indeks dvije supstance je omjer njihovih apsolutnih indeksa.)

Totalna unutrašnja refleksija- unutrašnja refleksija, pod uslovom da upadni ugao prelazi određeni kritični ugao. U ovom slučaju, upadni val se potpuno reflektira, a vrijednost koeficijenta refleksije prelazi njegove najveće vrijednosti za polirane površine. Koeficijent refleksije za ukupnu unutrašnju refleksiju ne zavisi od talasne dužine.

U optici, ovaj fenomen se opaža za širok spektar elektromagnetnog zračenja, uključujući i rendgenski opseg.

U geometrijskoj optici, fenomen se objašnjava u smislu Snelovog zakona. S obzirom da ugao prelamanja ne može biti veći od 90°, dobijamo da se pri upadnom uglu čiji je sinus veći od omjera manjeg indeksa prelamanja i većeg indeksa, elektromagnetski talas treba potpuno reflektovati u prvi medij.

U skladu s valovnom teorijom fenomena, elektromagnetski val ipak prodire u drugi medij - tamo se širi takozvani "neujednačeni val", koji se eksponencijalno raspada i ne odnosi energiju sa sobom. Karakteristična dubina prodiranja nehomogenog talasa u drugu sredinu je reda talasne dužine.

Zakoni prelamanja svjetlosti.

Iz svega rečenog zaključujemo:
1 . Na granici između dva medija različite optičke gustoće, snop svjetlosti mijenja svoj smjer kada prelazi iz jednog medija u drugi.
2. Kada svjetlosni snop prođe u medij sa većom optičkom gustinom, ugao prelamanja je manji od upadnog ugla; kada svjetlosni snop prelazi iz optički gušće sredine u medij manje guste, ugao prelamanja je veći od upadnog ugla.
Prelamanje svjetlosti je praćeno refleksijom, a sa povećanjem upadnog ugla povećava se sjaj reflektovanog zraka, dok prelomljenog slabi. To se može vidjeti izvođenjem eksperimenta prikazanog na slici. Posljedično, reflektirani snop sa sobom nosi što više svjetlosne energije, što je veći upadni ugao.

Neka MN- sučelje između dva prozirna medija, na primjer, zraka i vode, JSC- greda koja pada OV- prelomljeni snop, - upadni ugao, - ugao prelamanja, - brzina prostiranja svetlosti u prvoj sredini, - brzina prostiranja svetlosti u drugoj sredini.

Svjetlost se, po svojoj prirodi, širi u različitim medijima različitim brzinama. Što je medij gušći, to je manja brzina širenja svjetlosti u njemu. Uspostavljena je odgovarajuća mjera koja se odnosi i na gustinu materijala i na brzinu širenja svjetlosti u tom materijalu. Ova mjera se naziva indeks prelamanja. Za bilo koji materijal, indeks prelamanja se mjeri u odnosu na brzinu svjetlosti u vakuumu (vakuum se često naziva slobodnim prostorom). Sljedeća formula opisuje ovaj odnos.

Što je veći indeks loma materijala, to je gušći. Kada snop svjetlosti prelazi iz jednog materijala u drugi (s različitim indeksom prelamanja), ugao prelamanja bit će različit od upadnog ugla. Snop svjetlosti koji prodire u medij sa nižim indeksom prelamanja izaći će pod uglom većim od upadnog ugla. Snop svjetlosti koji prodire u medij s visokim indeksom prelamanja izaći će pod uglom manjim od upadnog ugla. Ovo je prikazano na sl. 3.5.

Rice. 3.5.a. Snop koji prelazi iz srednjeg sa visokim N 1 u medij sa niskim N 2

Rice. 3.5.b. Snop koji prelazi iz srednjeg sa niskim N 1 u medij sa visokim N 2

U ovom slučaju, θ 1 je upadni ugao, a θ 2 je ugao prelamanja. Neki tipični indeksi prelamanja su navedeni u nastavku.

Zanimljivo je primijetiti da je za rendgenske zrake indeks prelamanja stakla uvijek manji nego za zrak, stoga, pri prelasku iz zraka u staklo, odstupaju od okomice, a ne prema okomici, poput svjetlosnih zraka.