Disperzija svjetla je ovisnost indeksa loma n tvari na valnoj duljini svjetlosti (u vakuumu)

ili, što je isto, ovisnost fazne brzine svjetlosnih valova o frekvenciji:

disperzija tvari naziva se izvedenica od n Po

Disperzija - ovisnost indeksa loma tvari o frekvenciji vala - očituje se posebno jasno i lijepo zajedno s učinkom dvostrukog loma (vidi video 6.6 u prethodnom odlomku), koji se opaža kada svjetlost prolazi kroz anizotropne tvari. Činjenica je da indeksi loma običnih i izvanrednih valova različito ovise o frekvenciji vala. Kao rezultat toga, boja (frekvencija) svjetlosti koja prolazi kroz anizotropnu tvar smještenu između dva polarizatora ovisi i o debljini sloja te tvari i o kutu između ravnina prijenosa polarizatora.

Za sve prozirne bezbojne tvari u vidljivom dijelu spektra sa smanjenjem valne duljine raste indeks loma, odnosno disperzija tvari je negativna:. (sl. 6.7, područja 1-2, 3-4)

Ako tvar apsorbira svjetlost u određenom rasponu valnih duljina (frekvencija), tada u području apsorpcije disperzija

pokazuje se pozitivnim i zove se anomalan (Slika 6.7, područje 2-3).

Riža. 6.7. Ovisnost kvadrata indeksa loma (puna krivulja) i koeficijenta apsorpcije svjetlosti tvari
(isprekidana krivulja) na valnoj duljinilu blizini jedne od apsorpcijskih traka()

Newton je također proučavao normalnu disperziju. Rastavljanje bijele svjetlosti na spektar pri prolasku kroz prizmu posljedica je disperzije svjetlosti. Kada snop bijele svjetlosti prolazi kroz staklenu prizmu, a šareni spektar (Slika 6.8).

Riža. 6.8. Prolaz bijele svjetlosti kroz prizmu: zbog razlike u indeksu loma stakla za različite
valna duljina, zraka se rastavlja na monokromatske komponente - na ekranu se pojavljuje spektar

Crveno svjetlo ima najveću valnu duljinu i najmanji indeks loma, pa prizma odbija crvene zrake manje od drugih. Uz njih će biti zrake narančaste, zatim žute, zelene, plave, plave i na kraju ljubičaste svjetlosti. Kompleksna bijela svjetlost koja je upala na prizmu rastavljena je na monokromatske komponente (spektar).

Glavni primjer disperzije je duga. Duga se opaža ako je sunce iza promatrača. Crvene i ljubičaste zrake se lome na sfernim kapljicama vode i odbijaju se od njihove unutarnje površine. Crvene zrake se manje lome i padaju u oko promatrača iz kapljica s veće visine. Stoga, gornji pojas duge uvijek ispada crven (slika 26.8).

Riža. 6.9. Pojava duge

Koristeći zakone refleksije i loma svjetlosti, moguće je izračunati put svjetlosnih zraka s potpunom refleksijom i disperzijom u kišnim kapima. Ispostavilo se da se zrake raspršuju s najvećim intenzitetom u smjeru koji sa smjerom sunčevih zraka čini kut od oko 42 ° (slika 6.10).

Riža. 6.10. dugin položaj

Geografsko mjesto takvih točaka je kružnica sa središtem u točki 0. Dio toga je skriven od promatrača R ispod horizonta, luk iznad horizonta je vidljiva duga. Također je moguća dvostruka refleksija zraka u kišnim kapima, što rezultira dugom drugog reda, čija je svjetlina, naravno, manja od svjetline glavne duge. Za nju, teorija daje kut 51 °, odnosno duga drugog reda leži izvan glavne. U njemu je redoslijed boja obrnut: vanjski luk je obojen ljubičasto, a donji luk crveno. Rijetko se opažaju duge trećeg i višeg reda.

Elementarna teorija disperzije. Ovisnost indeksa loma tvari o duljini elektromagnetskog vala (frekvenciji) objašnjava se na temelju teorije prisilnih oscilacija. Strogo govoreći, gibanje elektrona u atomu (molekuli) pokorava se zakonima kvantne mehanike. Međutim, za kvalitativno razumijevanje optičkih fenomena, može se ograničiti na koncept elektrona vezanih u atomu (molekuli) elastičnom silom. Pri odstupanju od ravnotežnog položaja takvi elektroni počinju oscilirati, postupno gubeći energiju na zračenje elektromagnetskih valova ili prenoseći svoju energiju na čvorove rešetke i zagrijavajući tvar. Kao rezultat toga, oscilacije će biti prigušene.

Prilikom prolaska kroz materiju, elektromagnetski val djeluje na svaki elektron Lorentzovom silom:

Gdje v- brzina oscilirajućeg elektrona. U elektromagnetskom valu omjer jakosti magnetskog i električnog polja je

Stoga nije teško procijeniti omjer električnih i magnetskih sila koje djeluju na elektron:

Elektroni u materiji gibaju se brzinama mnogo manjim od brzine svjetlosti u vakuumu:

Gdje - amplituda jakosti električnog polja u svjetlosnom valu, - faza vala, određena položajem razmatranog elektrona. Da bismo pojednostavili izračun, zanemarimo prigušenje i napišemo jednadžbu gibanja elektrona u obliku

gdje je prirodna frekvencija oscilacija elektrona u atomu. Već smo ranije razmatrali rješenje takve diferencijalne nehomogene jednadžbe i dobili

Stoga je pomak elektrona iz ravnotežnog položaja proporcionalan jakosti električnog polja. Pomaci jezgri iz ravnotežnog položaja mogu se zanemariti, jer su mase jezgri vrlo velike u usporedbi s masom elektrona.

Atom s pomaknutim elektronom dobiva dipolni moment

(radi jednostavnosti, pretpostavimo za sada da postoji samo jedan "optički" elektron u atomu, čiji pomak daje odlučujući doprinos polarizaciji). Ako jedinični volumen sadrži N atoma, tada se polarizacija medija (dipolni moment po jedinici volumena) može napisati kao

U realnim medijima moguće su različite vrste oscilacija naboja (skupine elektrona ili iona) koje pridonose polarizaciji. Ove vrste vibracija mogu imati različite količine naboja e i i mase t i , kao i razne prirodne frekvencije (označit ćemo ih indeksom k), broj atoma po jedinici volumena s danom vrstom vibracije N k proporcionalna koncentraciji atoma N:

Bezdimenzionalni faktor proporcionalnosti f k karakterizira učinkovit doprinos svake vrste oscilacija ukupnoj vrijednosti polarizacije medija:

S druge strane, kao što je poznato,

gdje je dielektrična osjetljivost tvari, koja je povezana s dielektričnom konstantom e omjer

Kao rezultat toga dobivamo izraz za kvadrat indeksa loma tvari:

U blizini svake vlastite frekvencije, funkcija definirana formulom (6.24) trpi diskontinuitet. Ovakvo ponašanje indeksa loma posljedica je činjenice da smo zanemarili slabljenje. Slično, kao što smo vidjeli ranije, zanemarivanje prigušenja dovodi do beskonačnog povećanja amplitude prisilnih oscilacija pri rezonanciji. Dopuštenje za prigušenje spašava nas od beskonačnosti, a funkcija ima oblik prikazan na sl. 6.11.

Riža. 6.11. Ovisnost dielektrične konstante medijana frekvenciji elektromagnetskog vala

Razmatranje odnosa frekvencije s duljinom elektromagnetskog vala u vakuumu

možete dobiti ovisnost indeksa loma tvari P na valnoj duljini u području normalne disperzije (presjeci 1–2 I 3–4 na sl. 6.7):

Valne duljine koje odgovaraju vlastitim frekvencijama titranja su konstantni koeficijenti.

U području anomalne disperzije () frekvencija vanjskog elektromagnetskog polja je blizu jedne od vlastitih frekvencija oscilacija molekularnih dipola, odnosno dolazi do rezonancije. Upravo u tim područjima (na primjer, odjeljak 2–3 na slici 6.7) opaža se značajna apsorpcija elektromagnetskih valova; koeficijent apsorpcije svjetlosti od tvari prikazan je isprekidanom linijom na sl. 6.7.

Pojam grupne brzine. Pojam grupne brzine usko je povezan s fenomenom disperzije. Kod širenja u mediju s disperzijom stvarnih elektromagnetskih impulsa, na primjer, poznatih nam nizova valova koje emitiraju pojedini atomski emiteri, dolazi do njihovog "širenja" - širenja opsega u prostoru i trajanja u vremenu. To je zbog činjenice da takvi impulsi nisu monokromatski sinusoidni val, već takozvani valni paket, ili skupina valova - skup harmonijskih komponenti s različitim frekvencijama i različitim amplitudama, od kojih se svaka širi u mediju s vlastitu faznu brzinu (6.13).

Kad bi se valni paket širio u vakuumu, tada bi njegov oblik i prostorno-vremenska proširenost ostali nepromijenjeni, a brzina širenja takvog niza valova bila bi fazna brzina svjetlosti u vakuumu

Zbog prisutnosti disperzije, ovisnost frekvencije elektromagnetskog vala o valnom broju k postaje nelinearna, a brzina širenja niza valova u mediju, odnosno brzina prijenosa energije određena je derivacijom

gdje je valni broj za "centralni" val u nizu (koji ima najveću amplitudu).

Ovu formulu nećemo izvoditi u općenitom obliku, već ćemo njezino fizičko značenje objasniti na konkretnom primjeru. Kao model valnog paketa uzet ćemo signal koji se sastoji od dva ravna vala koji se šire u istom smjeru s istim amplitudama i početnim fazama, ali se razlikuju u frekvencijama pomaknutim u odnosu na "središnju" frekvenciju za mali iznos. Odgovarajući valni brojevi pomaknuti su u odnosu na "središnji" valni broj malom količinom . Ti se valovi opisuju izrazima.

Svjetlo i boja.

Proučavajući zvučne fenomene, upoznali smo se s pojmom interferencije, koji se sastoji u činjenici da kada se dva koherentna vala superponiraju (dakle, valovi iste frekvencije i konstantne razlike faza), nastaje tzv. interferencijski uzorak, odnosno slika raspodjele amplituda oscilacija u prostoru koja se ne mijenja s vremenom.

Godine 1802. Thomas Young otkrio je svjetlosne smetnje kao rezultat pokusa zbrajanja snopova svjetlosti iz dvaju izvora. Budući da je pojava interferencije svojstvena samo valnim procesima, Youngovo iskustvo bilo je neoboriv dokaz da svjetlost ima valna svojstva.

Jung ne samo da je dokazao da je svjetlost val, već je i izmjerio valnu duljinu. Pokazalo se da svjetlost različitih boja odgovara različitim intervalima valova. Najveće valne duljine za crvenu svjetlost: od do. Sljedeće u silaznom redoslijedu su: narančasta, žuta, zelena, plava, plava i ljubičasta. Najkraću valnu duljinu ima ljubičasta svjetlost: od do

Budući da između valne duljine i frekvencije titranja u njemu postoji obrnuto proporcionalan odnos, najdulja valna duljina odgovara najnižoj frekvenciji titranja, a najkraća valna duljina odgovara najvišoj frekvenciji titranja. Za crveno svjetlo, frekvencija osciliranja je u rasponu od do. Valovi ljubičaste svjetlosti odgovaraju frekvencijama od do .

Budući da u vrijeme Junga još nisu poznavali druge valove osim mehaničkih, svjetlost su počeli zamišljati kao mehanički elastični val, za čije širenje je potreban medij. Ali svjetlost Sunca i zvijezda dopire do nas kroz svemir, gdje nema materije. Stoga se pojavila hipoteza o postojanju posebnog medija - luminifernog etera. Kada je krajem drugog desetljeća XIX. pokazalo se da su svjetlosni valovi transverzalni (a transverzalni elastični valovi šire se samo u krutim tijelima), pokazalo se da luminiferni eter mora biti čvrst, odnosno da se zvijezde i planeti kreću u krutom luminifernom eteru ne nailazeći na otpor.

Pojava Maxwellove teorije o postojanju elektromagnetskih valova koji se mogu širiti i u vakuumu, Maxwellov teorijski opravdan zaključak o općoj prirodi svjetlosti i elektromagnetskih valova (elektromagnetski valovi su, kao i svjetlosni valovi, transverzalni valovi čija je brzina u vakuumu jednaka brzina svjetlosti u vakuumu) stati na kraj razgovoru o "svjetlonosnom eteru". Daljnji razvoj fizike potvrdio je Maxwellovu pretpostavku da je svjetlost posebna manifestacija elektromagnetskih valova. Vidljiva svjetlost samo je mali raspon elektromagnetskih valova s ​​valnim duljinama od do ili frekvencijama od do. Ponovimo tablicu iz teme o elektromagnetskim valovima kako bismo mogli vizualizirati taj raspon.

Valna teorija omogućuje vam da objasnite fenomen loma svjetlosti, poznat vam od osmog razreda, koji je otkrio nizozemski znanstvenik Willebord Sinellius davne 1621. godine.

Nakon otkrića Sinelliusa, nekoliko znanstvenika iznijelo je hipotezu da je lom svjetlosti posljedica promjene njezine brzine kada prolazi kroz granicu dva medija. Valjanost te hipoteze teorijski su dokazali francuski pravnik i matematičar Pierre Fermat (1662.) i, neovisno o njemu, nizozemski fizičar Christian Huygens (1690.). Različitim putovima došli su do istog rezultata, što omogućuje formuliranje Zakon loma svjetlosti onako kako znaš:

Upadna, lomljena i okomita zraka povučena na granicu između dva medija u točki upadanja zrake leže u istoj ravnini. Omjer sinusa upadnog kuta i sinusa kuta loma konstantna je vrijednost za ova dva medija, jednaka omjeru brzina svjetlosti u tim medijima:

- Ovo relativni indeks loma drugog medija u odnosu na prvi kada zraka prelazi iz prvog medija u drugi, koji ima optičku gustoću različitu od optičke gustoće prvog medija.

Ako svjetlost prelazi iz vakuuma u bilo koji medij, tada imamo posla s apsolutni indeks loma određenog medija(), jednaka omjeru brzine svjetlosti u vakuumu i brzine svjetlosti u određenom mediju:

Vrijednost apsolutnog indeksa loma bilo koje tvari veća je od jedan, kao što se može vidjeti iz donje tablice.

Razlog smanjenja brzine svjetlosti pri prijelazu iz vakuuma u materiju leži u međudjelovanju svjetlosnog vala s atomima i molekulama materije. Što je međudjelovanje jače, veća je optička gustoća medija, a brzina svjetlosti u tom mediju manja. Odnosno, brzina svjetlosti u mediju i apsolutni indeks loma medija određeni su svojstvima ovog medija.

Da biste razumjeli kako promjena brzine svjetlosti na granici dvaju medija utječe na lom svjetlosne zrake, razmotrite sliku. Svjetlosni val na slici prelazi iz optičkog medija manje gustoće, poput zraka, u gušći optički medij, poput vode.

Brzina svjetlosti u zraku odgovara valnoj duljini (kao što znate, frekvencija vala ostaje nepromijenjena, a odnos između brzine vala, njegove duljine i frekvencije izražava se formulom ). Brzina svjetlosti u vodi je , a odgovarajuća valna duljina je .

Svjetlosni val pada na granicu između dva medija pod kutom.

Točka vala prva doseže sučelje dva medija. Kroz određeno vrijeme, točka će, krećući se u zraku istom brzinom, doći do točke. Za to vrijeme točka , krećući se u vodi brzinom , prijeći će kraću udaljenost, doseći samo točku . U tom će se slučaju takozvana valna fronta u vodi okrenuti pod određenim kutom u odnosu na frontu u zraku, a vektor brzine, koji je uvijek okomit na valnu frontu i podudara se sa smjerom njezina širenja, zakrenut će , približavajući se okomici podignutoj na granicu između dva medija. Zbog toga će kut loma biti manji od kuta upada.

Kao što znamo, pri prolasku kroz trokutastu staklenu prizmu bijela svjetlost ne samo da se lomi, skrećući na širi dio prizme, već se rastavlja u spektar, s istim rasporedom boja za sve slučajeve: crvena, narančasta, žuta , zelena, plava, plava, ljubičasta, s crvenim snopom najbližim vrhu prizme, a ljubičastim najbližim dnu prizme. U osmom razredu govorili smo da je bijela svjetlost složena, a obojene zrake koje emitira bijeli snop pri prolasku kroz prizmu su jednostavne (monokromatske), budući da pri prolasku kroz prizmu bilo koje od obojenih zraka dobivenih razgradnjom, zračenje u boji prođe kroz prizmu. boja takve zrake se ne mijenja. Također smo rekli da razlaganje snopa bijele svjetlosti na spektar znači da zrake različitih boja imaju različit indeks loma na granici dva prozirna medija. Ispada da indeks loma ne ovisi samo o svojstvima medija, već io frekvenciji (boji) svjetlosnog vala. Podsjećajući da je najniža frekvencija crvenog vala polovica najviše frekvencije ljubičastog vala, te uspoređujući to s dobivenim uzorkom loma zrake razloženim u spektar, možemo zaključiti da je indeks loma za valove s višom frekvencijom veći nego za valove s nižom frekvencijom. A kako je indeks loma omjer brzine svjetlosti u prvom mediju i brzine svjetlosti u drugom, nameće se zaključak da brzina svjetlosti u mediju ovisi i o frekvenciji svjetlosnog vala. Stoga ćemo malo pojasniti definiciju disperzije svjetlosti danu u osmom razredu:

Ovisnost indeksa loma tvari i brzine svjetlosti u njoj o frekvenciji svjetlosnog vala naziva se disperzija svjetlosti.

Dopunimo znanje koje imamo iz osmog razreda o boji predmeta jednim iskustvom. Propustimo snop bijele svjetlosti kroz prozirnu staklenu trokutastu prizmu tako da se slika spektra pojavi na bijelom ekranu. Zatvorimo desnu stranu spektra trakom od zelenog papira. Boja trake će ostati svijetlo zelena i neće promijeniti nijansu samo tamo gdje zelene zrake padaju na nju. U žutom dijelu spektra zelena papirna traka će promijeniti nijansu u žućkasto zelenu, au ostalim dijelovima spektra postat će tamna. To znači da boja koja pokriva traku ima sposobnost reflektirati samo zelenu svjetlost i apsorbirati svjetlost svih ostalih boja.

Trenutno se za dobivanje jasnih i svijetlih spektara koriste posebni optički instrumenti: spektrografi i spektroskopi. Spektrograf omogućuje snimanje fotografije spektra - spektrogram, a spektroskop - promatranje spektra dobivenog na mat staklu okom, povećavajući sliku lećom.

Spektroskop je 1815. konstruirao njemački fizičar Josef Fraunhofer za proučavanje fenomena disperzije.

Kada se bijeli svjetlosni snop razloži kroz prozirnu staklenu prizmu, dobije se spektar u obliku kontinuiranog pojasa u kojem su zastupljene sve boje (odnosno valovi svih frekvencija od
do ), glatko prelazeći jedan u drugi. Takav spektar nazivamo kontinuiranim i kontinuiranim.

Kontinuirani spektar tipičan je za čvrsta i tekuća zračeća tijela koja imaju temperaturu reda veličine nekoliko tisuća stupnjeva Celzijusa. Svjetleći plinovi i pare također daju kontinuirani spektar ako su pod vrlo visokim tlakom (to jest, ako su sile međudjelovanja između njihovih molekula dovoljno velike). Na primjer, kontinuirani spektar može se vidjeti usmjeravanjem spektroskopa na svjetlost vruće žarne niti električne svjetiljke ( ), svjetleća površina rastaljenog metala, plamen svijeće. U plamenu svijeće svjetlost emitiraju najsitnije vruće čvrste čestice, od kojih se svaka sastoji od ogromnog broja atoma koji međusobno djeluju.

Ako kao izvor svjetlosti koristimo svjetleće plinove niske gustoće, koji se sastoje od atoma čija je interakcija zanemariva, imaju temperaturu i više, spektar će izgledati drugačije. Na primjer, unese li se u plamen plinskog plamenika komad kuhinjske soli, plamen će požutjeti, a u spektru promatranom spektroskopom vidjet će se dvije usko razmaknute žute linije koje su karakteristične za spektar natrijeve pare (pod utjecajem visoke temperature molekule NaCl razgradile su se na atome natrija i klora, ali je luminiscenciju atoma klora mnogo teže izazvati nego luminescenciju atoma natrija).

Ostali kemijski elementi daju različite skupove pojedinačnih linija određenih valnih duljina. Takvi se spektri nazivaju vladao.

Spektri (i kontinuirani i linijski) dobiveni kada svjetlost emitira tvar sa žarnom niti nazivaju se spektri emisije.

Osim emisijskih spektara postoje i apsorpcijski spektri. Apsorpcijski spektri također mogu biti obrubljeni.

Linijski apsorpcijski spektri daju plinove niske gustoće, koji se sastoje od izoliranih atoma, kada svjetlost prolazi kroz njih iz svjetlijeg i toplijeg (u usporedbi s temperaturom samih plinova) izvora, dajući kontinuirani spektar.

Na primjer, ako se svjetlost iz žarulje sa žarnom niti propušta kroz posudu koja sadrži natrijeve pare, čija je temperatura niža od temperature žarne niti žarulje sa žarnom niti, dvije uske crne linije pojavit će se u kontinuiranom spektru od svjetlosti žarulje u mjesto gdje se nalaze žute linije u emisijskom spektru natrija. Ovo će biti linijski apsorpcijski spektar natrija. To jest, apsorpcijske linije natrijevih atoma točno odgovaraju njegovim emisijskim linijama.

Podudarnost emisijskih i apsorpcijskih linija također se može uočiti u spektrima drugih elemenata.

Godine 1859. njemački fizičar Gustav Kirchhoff ustanovio je zakon o zračenju(nemojte brkati Kirchhoffov zakon o zračenju s Kirchhoffovim pravilima za proračun električnih krugova i Kirchhoffovim kemijskim zakonom), prema kojem atomi danog elementa apsorbiraju svjetlosne valove istih frekvencija na kojima emitiraju.

Spektar atoma svakog kemijskog elementa je jedinstven, zahvaljujući čemu se pojavila metoda spektralne analize koju su 1859. razvili Gustav Kirchhoff i Robert Bunsen.

Spektralna analiza naziva se metoda za određivanje kemijskog sastava neke tvari njezinim linijskim spektrom.

Da bi se provela spektralna analiza, tvar koja se proučava dovodi se u stanje atomskog plina (atomizira) i istovremeno se atomi pobuđuju, odnosno dobivaju dodatnu energiju. Za atomizaciju i ekscitaciju koriste se visokotemperaturni izvori svjetlosti: plamen ili električna pražnjenja. Stavljaju uzorak ispitivane tvari u obliku praha ili aerosola (tj. najmanjih kapljica otopine raspršene u zraku). Zatim se pomoću spektrografa dobije fotografija spektra atoma elemenata koji čine zadanu tvar. Trenutno postoje tablice spektara svih kemijskih elemenata. Pronašavši u tablici točno iste spektre koji su dobiveni tijekom analize uzorka koji se proučava, saznaju koji su kemijski elementi uključeni u njegov sastav.

Spektralna analiza koristi se u metalurgiji, strojarstvu, nuklearnoj industriji, geologiji, arheologiji, forenzici i astronomiji. U astronomiji se metodom spektralne analize utvrđuje kemijski sastav atmosfere planeta i zvijezda, temperatura zvijezda i magnetska indukcija njihovih polja. Iz pomaka spektralnih linija u spektrima galaksija određena je njihova brzina, što je omogućilo zaključak o širenju Svemira.

Zašto atomi svakog kemijskog elementa imaju svoj vlastiti strogo individualni skup spektralnih linija? Zašto se emisijska i apsorpcijska linija podudaraju u spektru određenog elementa? Što uzrokuje razlike u spektrima atoma različitih elemenata? Odgovore na ova pitanja dala je kvantna mehanika, nastala u 20. stoljeću, čiji je jedan od utemeljitelja bio danski fizičar Niels Bohr.

Niels Bohr je došao do zaključka da svjetlost emitiraju atomi materije, na temelju čega je 1913. formulirao dva postulata:

Atom može biti samo u posebnim, stacionarnim stanjima. Svakom stanju odgovara određena vrijednost energije – razina energije. Budući da je u stacionarnom stanju, atom ne emitira i ne apsorbira.

Stacionarna stanja odgovaraju stacionarnim orbitama duž kojih se kreću elektroni. Brojevi stacionarnih orbita i energetskih razina (počevši od prve) općenito se označavaju latiničnim slovima: , itd. Polumjeri orbita, kao i energije stacionarnih stanja, mogu poprimiti ne bilo koje, već određene diskretne vrijednosti. Prva orbita je najbliža jezgri.

ja volim

3

Snop svjetlosti, kada prelazi iz jednog medija u drugi, mijenja svoj smjer, što je povezano s promjenom brzine širenja svjetlosti u različitim medijima. Kada prolazi u zraku i kroz planparalelnu staklenu ploču (slika 1.5), upadna zraka formira određene kutove s normalom na sučelje medija u točki upada. Ako zraka ide od zraka do stakla, tada će kut a biti upadni kut, a kut b kut loma. Na sl. kut a je veći od kuta b, jer je brzina širenja svjetlosnih valova u zraku veća nego u staklu.

Riža. Prolaz svjetlosnog snopa kroz planparalelnu staklenu ploču.

U ovom slučaju zrak je optički manje gusto sredstvo od stakla. Indeks loma se može odrediti iz odnosa

n = sin a / sin b

Indeks loma medija ne ovisi o kutu upada zrake na površinu medija, već ovisi o svojstvima samog medija i valnoj duljini upadne svjetlosti. Što je duža valna duljina upadne svjetlosti, to je niži indeks loma, pa se snop bijele (mješovite) svjetlosti, ulazeći u staklo pod kutom u odnosu na površinu, dijeli na snop zraka divergentne boje, tj. izloženi disperzija.

Riža. Rastavljanje bijelog spektra prizmom (a) i niz boja u vidljivom dijelu spektra (b).

Ako paralelna zraka bijele svjetlosti, ograničena uskim prorezom, padne na staklenu prizmu, tada se na ekranu koji se nalazi iza prizme nalazi uzorak različitih boja, koji se naziva spektar (slika a). U spektru se opaža strogi slijed ovih boja, prelazeći iz jedne u drugu, počevši od ljubičaste i završavajući crvenom (slika b). Razlog razgradnje svjetlosti je ovisnost indeksa loma o valnoj duljini. Što je valna duljina kraća, to je kut loma manji, pa se ljubičaste zrake više lome od crvenih. Razlika između indeksa loma za plavu F-liniju kratke valne duljine i crvenu dugovalnu C-liniju naziva se prosječna disperzija, tj. dn = nF – nC.

Koeficijent disperzije određuje se formulom:

n = (n - 1) / dn.

Indeks loma i disperzija jako ovise o sastavu stakla. Indeks loma povećavaju PbO, BaO, CaO, ZnO, Sb 2 O 3, alkalni oksidi. Dodatak SiO 2 smanjuje indeks loma. Disperzija se zamjetno povećava uvođenjem PbO i Sb 2 O 3 . BaO i CaO imaju jači učinak na indeks loma nego na disperziju. Indeks loma i koeficijent disperzije najvažnija su svojstva optičkih stakala. Široka paleta stakala s različitim vrijednostima ovih svojstava omogućuje formiranje raznih vrsta slika objekata, stvaranje raznih instrumenata i opreme, od mikroskopskog mikroobjektiva do multimetarskog teleskopskog zrcala. Za izradu visokoumjetničkog kućanskog posuđa podvrgnutog dekorativnom brušenju koristi se uglavnom staklo koje sadrži do 30% PbO. Takva stakla daju dobru "igru svjetla" u fasetama zbog snažnog utjecaja PbO kako na indeks loma tako i na disperziju. Ovisnost indeksa loma o sadržaju PbO kada se uvodi umjesto SiO 2 u industrijske sastave kristala može se smatrati izravno proporcionalnom.

Koeficijent refleksije- omjer svjetlosnog toka koji reflektira staklo i svjetlosnog toka koji pada na njega. Količina svjetlosti koju reflektira staklo je veća što je upadni kut veći. Količina reflektirane svjetlosti od staklene površine je oko 4%. Koeficijent refleksije ovisi o stanju površine i prisutnosti raznih tvari na njoj.

Fenomen raspršenja svjetlosti odnosi se na neprozirna stakla. U običnom prozirnom staklu raspršenje svjetlosti praktički se ne događa. Snop svjetlosnih zraka usmjeren na mat površinu, s druge strane, izlazi razlomljen u više smjerova zbog neravnomjernog loma pojedinih zraka na neravnoj (mat) staklenoj površini. Prigušena stakla sadrže kutne ili sferne prigušne čestice koje se razlikuju po indeksu loma od mase stakla. Zrake svjetlosti koje padaju na staklo višestruko se lome i odbijaju, što uzrokuje raspršenje svjetlosti. Veličine čestica prigušivača u staklu su 0,2-10 µm. Kako se veličina čestica povećava, raspršenje svjetlosti na staklu se povećava. Relativna prozirnost ili transmisija T stakla vidljive svjetlosti i nevidljivih zraka (infracrvenih, ultraljubičastih, x-zraka, g-zraka) pokorava se općem Bouguer-Lambert-Beerovom zakonu.

T \u003d I / I 0 \u003d e -Kl \u003d 10 -kl

I je intenzitet zračenja koje je prošlo kroz uzorak;

I0 je intenzitet zračenja koje ulazi u uzorak;

e je baza prirodnih logaritama;

K - stopa prirodne apsorpcije;

l je debljina uzorka;

k je decimalni indeks apsorpcije (k = 0,434 K).

Relativna apsorpcija ili apsorpcija zraka povezana je s prijenosom ovisnošću A \u003d 1 - T. Relativni prijenos T ili apsorpcija A obično se izražava kao postotak. Optička gustoća D također može poslužiti kao mjera sposobnosti stakla da apsorbira zračenje: D \u003d log 1 / T \u003d -lgT \u003d 0,434 Kl \u003d kl.

Za obojena stakla stupanj apsorpcije svjetlosti izravno je proporcionalan koncentraciji C bojila i koeficijentu e, koji karakterizira specifičnu apsorpciju ove boje; k \u003d e C. Kako biste izrazili selektivnu apsorpciju obojenih stakala, nacrtajte krivulje za T, A, K i k u odnosu na valnu duljinu (slika). Bilo koja od ovih ovisnosti može poslužiti kao spektralna kvantitativna karakteristika obojenih stakala. Vrijednosti T i A često se nazivaju jedinicama debljine stakla (T/l i A/l). Transmisija i krivulja optičke gustoće su inverzne, ali u isto vrijeme nisu točna zrcalna slika jedna druge.

Riža. Ovisnost transmisije svjetlosti T i optičke gustoće D smeđeg ambalažnog stakla o valnoj duljini.

Transmisija i apsorpcija stakala ocjenjuju se na spektrofotometrima pomoću planparalelnih staklenih uzoraka. Ova procjena je neophodna u proizvodnji stakla u boji. Pokazatelji transmisije (apsorpcije) u vidljivom području spektra važni su za ocjenu boje kućanskih, signalnih i drugih stakala u boji. Indikatori transmisije (apsorpcije) u infracrvenom području spektra važni su za taljenje stakla i proizvoda za oblikovanje (toplinska prozirnost stakla), au ultraljubičastom području spektra - za radna svojstva stakla (Uviol stakleni proizvodi moraju propuštati ultraljubičaste zrake , a staklene posude moraju ih zadržati radi sigurnosti sadržaja spremnika proizvoda). S neravnomjernim hlađenjem ili zagrijavanjem, u staklu nastaju unutarnja naprezanja koja uzrokuju dvolom. Staklo se uspoređuje s dvolomnim kristalima, poput kvarca, liskuna, gipsa itd. Zraka koja ulazi u stakleni uzorak razlaže se na dvije zrake - obične i izvanredne. Ravnine polarizacije ovih zraka su međusobno okomite, a brzine širenja u staklastom mediju su različite. Dvolomnost se mjeri razlikom u putanji obične i izvanredne zrake (nm, po 1 cm putanje zrake u staklu). Za kontrolu dvoloma u uzorcima bilo kojeg oblika najprikladniji su polariskopi PKS-250 i PKS-125. Princip rada uređaja temelji se na opažanju dvoloma u ispitnom uzorku tijekom interferencije zraka.

5. Korištenje refraktometrije za identifikaciju otoka i kontrolu kvalitete.

6. Phys. Osnove polarimetrijske metode.

7. Ovisnost kuta zakreta ravnine polarizacije o strukturi otoka.

10. Phys. Osnove nefelometrije i turbidimetrije.

11. Instrumenti za nefelometrijsku analizu.

12. Primjena nefelometrije i turbidimetrije.

13. Glavne karakteristike elektromagnetskog zračenja. Klasifikacija metoda spektralne analize.

14.Fiz. Osnove spektralne analize.

15. Vrste i karakter elektroničkih prijelaza.

16. Ovisnost broja dodatne energije. S pozicije u tablici.

17. Klasifikacija. Khim.elementov na sposobnost uzbuđivanja. I jonis.

18. Sheme energetskih prijelaza u atomima.

20. Ovisnost valnih duljina res.Spekt.linija o položaju U tablici.

22. Čimbenici koji utječu na intenzitet spektra.Linije u spektru atomske emisije.

23. Širina spektralne linije. razloge proširenja.

24. Sheme energetskih prijelaza u molekulama.

26*. Uvjeti i mehanizam atomizacije i ekscitacije tvari u plamenoj atomskoj emisijskoj spektroskopiji.

27. Uvjeti i mehanizam atomizacije i ekscitacije tvari u atomskoj emisijskoj spektroskopiji luka i iskre.

25. Blok dijagram i funkcije glavnih komponenti atomskog emisijskog spektrometra. Glavne karakteristike atomskih emisijskih spektrometara.

28. Dizajn i princip rada trocijevne plazma baklje za analizu atomske emisije s induktivno spregnutom plazmom.

29. Metode izdvajanja analitičkih spektralnih linija elemenata iz polikromatskog zračenja analiziranog uzorka. Shema i princip rada monokromatora disperzijskog tipa.

30. Vrste detektora atomskih emisijskih spektrometra. Princip njihovog djelovanja.

33. Prednosti i nedostaci fotografskog snimanja atomskih emisijskih spektara.

31. Osnove kvalitativne analize atomske emisije. Određivanje valnih duljina karakterističnih spektralnih linija elemenata.

33. Određivanje intenziteta spektralne linije elementa tijekom fotografske registracije spektra.

34. Poluboj. Metoda usporedbe u analizi atomske emisije.

35. Semikvantitativna metoda homolognih parova u analizi atomske emisije.

36. Polukvantitativna metoda za pojavu i pojačanje spektralnih linija u analizi atomske emisije.

32. Lomakin-Sheibeova jednadžba.

37. Metode za točnu kvantitativnu analizu atomske emisije korištenjem standarda.

38-39 (prikaz, ostalo). Opće odredbe teorije aas.

41. Plamena atomizacija u atomskoj apsorpcijskoj analizi: uvjeti, mehanizam

29. Monokromatori

39. Dizajn i princip rada bezelektrodne žarulje s izbojem u plinu.

30. Detektori

26. Priprema uzoraka za analizu optičkom atomskom spektroskopijom

45. Fizičke osnove spektralne analize X-zraka.

46. ​​​​Shema pobude i emisije spektralnih linija X-zraka. Kritični rub apsorpcije.

47. Uređaji za raspršivanje i detekciju rendgenskih spektrometra.

48. Osnove kvalitete i kvantitete rendgenske spektralne analize

49. Shema izvođenja, prednosti i nedostaci rendgenske emisije.

50. Shema izvođenja, prednosti i nedostaci rendgenske fluorescentne analize.

3. Disperzija indeksa loma. Ovisnost indeksa loma o temperaturi, tlaku. Molarna refrakcija.

Maxwellova elektromagnetska teorija za prozirne medije povezuje indeks loma n i dielektričnu konstantu  jednadžbom: =n 2 (1). Polarizacija P molekule povezana je s dielektričnom konstantom medija: P = P def + P op = (-1) / ( + 2) (M / d) = 4/3 N A , (2 ) gdje je P def polarizacija deformacije ; P op - orijentacijska polarizacija; M je molekulska težina tvari; d je gustoća tvari; N A -Avagadrov broj;  je polarizabilnost molekule. Zamjenom u jednadžbi (2) n 2 umjesto  i  el, umjesto , dobivamo (n 2 - 1) / (n 2 + 2) (M / d) \u003d 4/3 N A  el \u003d R el \u003d R M ( 3) Ova formula se naziva Lorentz-Lorentzova formula, vrijednost R M u njoj je molarna refrakcija. Iz ove formule slijedi da vrijednost R M , određena u smislu indeksa loma tvari, služi kao mjera elektroničke polarizacije njezinih molekula. U fizikalnim i kemijskim istraživanjima koristi se i specifična refrakcija: r = R M / M = (n 2 -1) / (n 2 + 2) (1 / d) (4)

Molarna refrakcija ima dimenziju volumena po 1 molu tvari (cm 3 /mol), specifična refrakcija ima dimenziju volumena po 1 gramu (cm 3 /g). Promatrajući molekulu aproksimativno kao kuglu polumjera r m s vodljivom površinom, pokazuje se da je  el = r M 3 . U ovom slučaju je R M = 4/3  N A g 3 (5), tj. molarna refrakcija jednaka je vlastitom volumenu molekula 1 mola tvari. Za nepolarne tvari RM =P, za polarne tvari RM je manji od P za vrijednost orijentacijske polarizacije.

Kao što slijedi iz jednadžbe (3), vrijednost molarne refrakcije određena je samo polarizabilnosti i ne ovisi o temperaturi i agregatnom stanju tvari, tj. je karakteristična konstanta tvari.

Refrakcija je mjera polarizabilnosti molekularne elektronske ljuske. Elektronsku ljusku molekule čine ljuske atoma koji tvore danu molekulu. Prema tome, ako se određenim atomima ili ionima dodijele određene vrijednosti loma, tada će lom molekule biti jednak zbroju loma atoma i iona. Pri izračunavanju refrakcije molekule kroz refrakcije njezinih sastavnih čestica, potrebno je uzeti u obzir valentna stanja atoma, značajke njihovog rasporeda, za koje se uvode posebni pojmovi - prirast višestrukih (dvostruki i trostruki ugljik- ugljik) i druge veze, kao i korekcije za poseban položaj pojedinačnih atoma i skupina u molekuli: Rm= Ra+Ri, (6), gdje su R A i Ri atomski lomi odnosno prirast višestrukih veza, koji dati su u referentnim knjigama.

Jednadžba (6) izražava pravilo aditivnosti za molarni lom. Fizički je opravdanija metoda izračunavanja molarne refrakcije kao zbroja refrakcija ne atoma, već veza (S-N, O-N, N-H itd.), budući da su valentni elektroni ti koji su polarizirani svjetlošću , stvarajući kemijsku vezu.

Molarna refrakcija spojeva građenih od iona izračunava se kao zbroj ionskih refrakcija.

Pravilo aditivnosti (6) može se koristiti za određivanje strukture molekula: Rm se uspoređuje, dobiven iz eksperimentalnih podataka pomoću jednadžbe (3), s onim izračunatim pomoću jednadžbe (6) za predloženu strukturu molekule.

U nekim slučajevima dolazi do tzv. egzaltacija refrakcije, koja se sastoji od značajnog viška eksperimentalne vrijednosti R M no u usporedbi s onom izračunatom jednadžbom (6). Eksaltacija refrakcije ukazuje na prisutnost konjugiranih višestrukih veza u molekuli. Povećanje loma u molekulama s takvim vezama posljedica je činjenice da -elektroni u njima pripadaju svim atomima koji tvore sustav konjugacije i mogu se slobodno kretati duž tog sustava, tj. imaju visoku mobilnost i, posljedično, povećanu polarizabilnost u elektromagnetskom polju.

Aditivnost postoji i kod loma tekućih smjesa i otopina - lom smjese jednak je zbroju loma komponenata prema njihovim udjelima u smjesi. Za molarnu lomnost binarne smjese, u skladu s pravilom aditivnosti, može se napisati: R=N 1 R 1 +(1 N 1)R 2 , (7)

za specifični lom r = f 1 r 1 + (lf 1)r 2 (8), gdje su N 1 i f 1 molni i težinski udjeli prve komponente.

Ove formule mogu se koristiti za određivanje sastava smjesa i loma komponenti. Osim kemijske strukture tvari, vrijednost njezina indeksa loma određena je valnom duljinom upadne svjetlosti i temperaturom mjerenja. U pravilu, s povećanjem valne duljine, indeks loma se smanjuje, ali za neke kristalne tvari opaža se anomalan tijek ove ovisnosti. Najčešće se prikazuju refrakcije za valne duljine (žuta linija Na-linija D-589nm, crvena linija vodika-linija C-656nm, plava linija vodika-linija F-486nm).

Ovisnost loma ili indeksa loma svjetlosti o valnoj duljini naziva se disperzija. Mjera disperzije može biti razlika između vrijednosti indeksa loma izmjerenih na različitim valnim duljinama, tzv. prosječna varijanca. Mjera disperzije - relativna disperzija: F , C , D =(n f - n C)/(n D -l)]10 3 (9), gdje su n f , n C , n D - indeksi loma izmjereni za linije F i C vodik i D linije natrija. Relativna disperzija  F , C , D vrlo je osjetljiva na prisutnost i položaj dvostrukih veza u molekuli.

Vrijednost indeksa loma tvari također ovisi o temperaturi mjerenja. Kako se temperatura smanjuje, tvar postaje optički gušća, tj. povećava se indeks loma. Stoga je pri provođenju refraktometrijskih mjerenja potrebno provesti kontrolu temperature refraktometra. Kod plinova indeks loma također ovisi o tlaku. Opća ovisnost indeksa loma plina o temperaturi i tlaku izražava se formulom: n-1 \u003d (n 0 -1) (P / 760) [(1 +  P) / (1 + t) (10 ), gdje je n indeks loma pri tlaku P i temperaturi t° C; n 0 - indeks loma u normalnim uvjetima; P - tlak do mm Hg. Umjetnost.;  i  - koeficijenti ovisni o prirodi plina .

Ovisnost indeksa loma o temperaturi. Indeks loma prema koncentraciji Refraktometri

iz "Laboratorijske tehnike"

Indeks loma n naziva se i omjer brzine širenja svjetlosti u zraku i brzine širenja svjetlosti u ispitivanoj tvari (otopini). Ovo je važna konstanta koja vam omogućuje razjašnjavanje kemijske prirode tvari, određivanje njezinog stupnja čistoće i određivanje koncentracije otopina.
Refraktometrija je skup metoda za fizičko i kemijsko proučavanje tekućina, minerala i otopina na temelju mjerenja njihovih indeksa loma. Glavne prednosti refraktometrije su brzina mjerenja, mala potrošnja tvari i visoka točnost (oko 0,01%).
Instrumenti koji se koriste za mjerenje indeksa loma zovu se refraktometri.
Budući da je sin 90° \u003d 1, tada je /r1 \u003d P2 31Pf. Ako je poznat indeks loma jednog medija 2, tada je za određivanje indeksa loma analiziranog medija n dovoljno izmjeriti granični kut φ.
Važan dio refraktometra koji se temelji na određivanju graničnog kuta je mjerna prizma izrađena od optičkog stakla s točno poznatim indeksom loma. Stoga je svaki refraktometar prikladan za mjerenje indeksa loma samo u određenom području njihovih vrijednosti.
Pri ispitivanju zraka koje su izašle iz mjerne prizme i koje su blizu granične, vidno polje cijevi dijeli se na osvijetljeni i tamni dio, čija granica odgovara graničnom snopu.
Indeks loma ovisi o valnoj duljini zračenja. Zrake različitih valnih duljina različito se lome. Ovisnost indeksa loma svjetlosti u tvari o valnoj duljini svjetlosti naziva se disperzija svjetlosti ili disperzija loma.
Kao mjera disperzije uzeta je razlika u indeksima loma za spektralne linije vodika C (656,3 nm) i F (486,1 nm), koje pokrivaju srednji dio vidljivog spektra, nazvana prosječna disperzija pr - Ps.
Učinak temperature na indeks loma određuju dva čimbenika: promjena broja čestica tvari po jedinici volumena i ovisnost polarizabilnosti o temperaturi.
Za većinu tekućina, indeks loma se smanjuje za oko 0,00015 za svaki porast temperature od 1°C. Stoga, da bi se mogla vršiti mjerenja s točnošću do četvrte decimale, tekući uzorci moraju biti termostatirani s točnošću od 0,2 °C. Indeks loma ima dva indeksa, gornji, koji označava temperaturu, i donji, valnu duljinu. Na primjer, znači da je mjerenje izvršeno na 20 °C i valnoj duljini žute D linije natrijeva spektra (589,3 nm).
U mnogim slučajevima, indeks loma binarnih otopina varira linearno sa sastavom otopine. Ovisnost indeksa loma otopina o koncentraciji utvrđuje se empirijski za svaku pojedinu tvar, konstruiranjem kalibracijske krivulje. Pripravi se niz otopina poznatih koncentracija, izmjere im se indeksi loma i iscrta kalibracijski graf u koordinatama koncentracija - indeks loma.
Ako je razlika u indeksima loma sastavnih komponenti otopine približno 0,1, tada točnost određivanja koncentracije može biti stotinke postotka.
Refraktometri se razlikuju po mjernim područjima i izvorima svjetlosti. Ako se za osvjetljenje koristi bijelo svjetlo, instrument često uključuje i prizme za kompenzaciju razlike u valnoj duljini. To omogućuje određivanje indeksa loma na valnoj duljini žute linije D spektra natrija mjerenjem pri dnevnom svjetlu ili svjetlu sa žarnom niti.
Od mnogih vrsta refraktometara namijenjenih izravnom mjerenju indeksa loma tekućih i čvrstih tvari pomoću graničnog kuta loma ili potpunog unutarnjeg odraza, njihove prosječne disperzije i za određivanje koncentracije otopina, smatrat ćemo dva glavna domaća Abbea. refraktometri tipa - refraktometar URL i refraktometar IRF-22.
U MLIJEČNIM PROIZVODIMA s visokim (do 38%) udjelom suhe tvari.
Granica dopuštene pogreške mjerenja na Po skali je 0,0001, na ostalim skalama 0,1%.
Na sl. 188 prikazana je optička shema refraktometra. Ispitna otopina se postavlja između ravnina dviju prizmi - osvjetljavajuće 4 i mjerne 5. Iz izvora svjetlosti 1, kondenzatori 2, 3 usmjeravaju svjetlosnu zraku na ulaznu površinu osvjetljavajuće prizme, a zatim prolaze kroz tanki sloj testa. tvari i ravnine mjerne prizme.
ograničavajući se i lomeći pod različitim kutovima, a zatim napuštajući mjernu prizmu kroz njezino drugo lice, prolazeći kroz prizme kompenzatora disperzije 6 i lomne prizme 7, fokusira se lećom S teleskopa u svom vidnom polju, tvoreći svjetlost i tamni dijelovi polja, odvojeni ravnom granicom. Rub osvjetljavajuće prizme je matiran, raspršena svjetlost na njemu prolazi u tekućinu pod različitim kutovima (od 0 do 90°). Ako je indeks loma tekućine manji od indeksa loma materijala prizme, tada se zrake lome pod kutovima od nule do granice. U okularu teleskopa 11 promatra se granica svjetla i sjene, nitni križ mreže 9 i skala 10. Položaj ove granice chiaroscura ovisi o vrijednosti graničnog kuta loma φ, koji pak ovisi o indeksu loma ispitne tekućine. To omogućuje kalibraciju ljestvica refraktometra prema indeksima loma, odnosno prema koncentraciji otopine.
Očitavanje na ljestvici vrši se nakon što se eliminira spektralna boja obruba kjaroskura na mjestu gdje obrub kjaroskura prelazi središte preklapanja mreže.
Strukturno, URL refraktometar (slika 189) sastoji se od dva glavna dijela, gornjeg - tijela 1 i donjeg - baze. Gornja i donja kamera pričvršćene su na tijelo. Donja komora, u kojoj se nalazi mjerna prizma, kruto je pričvršćena na tijelo; gornja komora, u kojoj se nalazi osvjetljavajuća prizma b, zglobno je pričvršćena na donju i može se okretati u odnosu na nju.