Hukum pembiasan cahaya. Indeks mutlak dan relatif (pekali) pembiasan. Jumlah refleksi dalaman

Hukum pembiasan cahaya telah ditubuhkan secara empirik pada abad ke-17. Apabila cahaya melalui satu medium lutsinar ke medium lain, arah cahaya boleh berubah. Menukar arah cahaya pada sempadan media yang berbeza dipanggil pembiasan cahaya. Kemahatahuan pembiasan ialah perubahan ketara dalam bentuk objek. (contoh: sudu dalam segelas air). Hukum pembiasan cahaya: Pada sempadan dua media, pancaran terbias terletak pada satah tuju dan bentuk, dengan normal pada antara muka dipulihkan pada titik tuju, sudut biasan seperti: = n 1- jatuh, 2 pantulan, indeks biasan n (f. Snelius) - penunjuk relatif Indeks biasan bagi kejadian rasuk pada medium dari ruang tanpa udara dipanggilnya indeks biasan mutlak. Sudut tuju di mana rasuk terbias mula menggelongsor di sepanjang antara muka antara dua media tanpa peralihan kepada medium optik yang lebih tumpat - mengehadkan sudut jumlah pantulan dalam. Jumlah refleksi dalaman- pantulan dalaman, dengan syarat sudut tuju melebihi sudut genting tertentu. Dalam kes ini, gelombang kejadian dipantulkan sepenuhnya, dan nilai pekali pantulan melebihi nilai tertingginya untuk permukaan yang digilap. Pekali pantulan untuk jumlah pantulan dalaman tidak bergantung pada panjang gelombang. Dalam optik, fenomena ini diperhatikan untuk spektrum luas sinaran elektromagnet, termasuk julat sinar-X. Dalam optik geometri, fenomena ini dijelaskan dari segi undang-undang Snell. Memandangkan sudut biasan tidak boleh melebihi 90°, kita memperoleh bahawa pada sudut tuju yang sinusnya lebih besar daripada nisbah indeks biasan yang lebih kecil kepada yang lebih besar, gelombang elektromagnet harus dipantulkan sepenuhnya ke dalam medium pertama. Contoh: Kecemerlangan terang dari banyak kristal semula jadi, dan terutamanya batu permata dan separa berharga, dijelaskan oleh pantulan dalaman total, akibatnya setiap sinar yang memasuki kristal membentuk sejumlah besar sinar yang agak terang yang keluar, berwarna sebagai hasil daripada penyebaran.

UNTUK KULIAH №24

"KAEDAH INSTRUMEN ANALISIS"

REFRAKTOMETRI.

kesusasteraan:

1. V.D. Ponomarev "Kimia Analitik" 1983 246-251

2. A.A. Ishchenko "Kimia Analitik" 2004 ms 181-184

REFRAKTOMETRI.

Refraktometri adalah salah satu kaedah analisis fizikal yang paling mudah, memerlukan jumlah minimum analit dan dijalankan dalam masa yang sangat singkat.

Refraktometri- kaedah berdasarkan fenomena biasan atau biasan i.e. perubahan arah perambatan cahaya apabila melalui satu medium ke medium lain.

Pembiasan, serta penyerapan cahaya, adalah akibat daripada interaksinya dengan medium. Perkataan refraktometri bermaksud pengukuran pembiasan cahaya, yang dianggarkan oleh nilai indeks biasan.

Nilai indeks biasan n bergantung

1) mengenai komposisi bahan dan sistem,

2) daripada pada kepekatan apa dan molekul apakah yang ditemui oleh pancaran cahaya dalam perjalanannya, kerana Di bawah tindakan cahaya, molekul bahan yang berbeza dipolarisasi dengan cara yang berbeza. Atas pergantungan inilah kaedah refraktometri adalah berdasarkan.

Kaedah ini mempunyai beberapa kelebihan, akibatnya ia telah menemui aplikasi yang luas dalam penyelidikan kimia dan dalam kawalan proses teknologi.

1) Pengukuran indeks biasan adalah proses yang sangat mudah yang dijalankan dengan tepat dan dengan pelaburan minimum masa dan jumlah bahan.

2) Biasanya, refraktometer memberikan ketepatan sehingga 10% dalam menentukan indeks biasan cahaya dan kandungan analit

Kaedah refraktometri digunakan untuk mengawal ketulenan dan ketulenan, untuk mengenal pasti bahan individu, untuk menentukan struktur sebatian organik dan bukan organik dalam kajian penyelesaian. Refraktometri digunakan untuk menentukan komposisi penyelesaian dua komponen dan untuk sistem terner.

Asas fizikal kaedah

PETUNJUK BIAS.

Sisihan pancaran cahaya dari arah asalnya apabila ia melalui satu medium ke medium lain adalah lebih besar, lebih besar perbezaan dalam kelajuan perambatan cahaya dalam dua.

persekitaran ini.

Pertimbangkan pembiasan pancaran cahaya di sempadan mana-mana dua media lutsinar I dan II (Lihat Rajah). Marilah kita bersetuju bahawa medium II mempunyai kuasa biasan yang lebih besar dan, oleh itu, n 1 dan n 2- menunjukkan pembiasan media yang sepadan. Jika medium I bukan vakum mahupun udara, maka nisbah sin sudut tuju pancaran cahaya kepada sin sudut biasan akan memberikan nilai indeks biasan relatif n rel. Nilai n rel. juga boleh ditakrifkan sebagai nisbah indeks biasan media yang sedang dipertimbangkan.

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

Nilai indeks biasan bergantung kepada

1) sifat bahan

Sifat bahan dalam kes ini ditentukan oleh tahap kebolehubah bentuk molekulnya di bawah tindakan cahaya - tahap kebolehpolaran. Lebih kuat kebolehpolaran, lebih kuat pembiasan cahaya.

2)panjang gelombang cahaya kejadian

Pengukuran indeks biasan dilakukan pada panjang gelombang cahaya 589.3 nm (garisan D spektrum natrium).

Kebergantungan indeks biasan pada panjang gelombang cahaya dipanggil penyebaran. Semakin pendek panjang gelombang, semakin besar pembiasan. Oleh itu, sinaran dengan panjang gelombang yang berbeza dibiaskan secara berbeza.

3)suhu di mana pengukuran diambil. Prasyarat untuk menentukan indeks biasan ialah pematuhan dengan rejim suhu. Biasanya penentuan dilakukan pada 20±0.3 0 С.

Apabila suhu meningkat, indeks biasan berkurangan, dan apabila suhu menurun, ia meningkat..

Pembetulan suhu dikira menggunakan formula berikut:

n t \u003d n 20 + (20-t) 0.0002, di mana

n t - selamat tinggal indeks biasan pada suhu tertentu,

n 20 - indeks biasan pada 20 0 C

Pengaruh suhu pada nilai indeks biasan gas dan cecair adalah berkaitan dengan nilai pekali pengembangan isipadunya. Isipadu semua gas dan cecair bertambah apabila dipanaskan, ketumpatan berkurangan dan, akibatnya, penunjuk berkurangan

Indeks biasan, diukur pada 20 0 C dan panjang gelombang cahaya 589.3 nm, ditunjukkan oleh indeks n D 20

Kebergantungan indeks biasan sistem dua komponen homogen pada keadaannya ditentukan secara eksperimen dengan menentukan indeks biasan untuk beberapa sistem piawai (contohnya, penyelesaian), kandungan komponen yang diketahui.

4) kepekatan bahan dalam larutan.

Bagi kebanyakan larutan akueus bahan, indeks biasan pada pelbagai kepekatan dan suhu telah diukur dengan pasti, dan dalam kes ini, data rujukan boleh digunakan. jadual refraktometri. Amalan menunjukkan bahawa apabila kandungan bahan terlarut tidak melebihi 10-20%, bersama-sama dengan kaedah grafik, dalam banyak kes adalah mungkin untuk menggunakan persamaan linear seperti:

n=n o +FC,

n- indeks biasan larutan,

tidak ialah indeks biasan bagi pelarut tulen,

C- kepekatan bahan terlarut,%

F-pekali empirikal, nilai yang dijumpai

dengan menentukan indeks biasan larutan yang diketahui kepekatannya.

REFRACTOMETER.

Refractometers ialah peranti yang digunakan untuk mengukur indeks biasan. Terdapat 2 jenis instrumen ini: Refractometer jenis Abbe dan jenis Pulfrich. Kedua-duanya dan dalam yang lain, pengukuran adalah berdasarkan penentuan magnitud sudut biasan yang mengehadkan. Dalam amalan, refraktometer pelbagai sistem digunakan: makmal-RL, RLU universal, dll.

Indeks biasan air suling n 0 \u003d 1.33299, dalam amalan, penunjuk ini mengambil rujukan sebagai n 0 =1,333.

Prinsip operasi pada refraktometer adalah berdasarkan penentuan indeks biasan dengan kaedah sudut mengehad (sudut jumlah pantulan cahaya).

Refraktometer tangan

Refractometer Abbe

Proses yang dikaitkan dengan cahaya adalah komponen fizik yang penting dan mengelilingi kita di mana-mana dalam kehidupan seharian kita. Yang paling penting dalam situasi ini ialah undang-undang pantulan dan pembiasan cahaya, di mana optik moden didasarkan. Pembiasan cahaya adalah bahagian penting dalam sains moden.

Kesan herotan

Artikel ini akan memberitahu anda apakah fenomena pembiasan cahaya, serta bagaimana rupa hukum pembiasan dan apa yang berikut daripadanya.

Asas fenomena fizikal

Apabila rasuk jatuh pada permukaan yang dipisahkan oleh dua bahan lutsinar yang mempunyai ketumpatan optik yang berbeza (contohnya, cermin mata yang berbeza atau dalam air), sesetengah sinar akan dipantulkan, dan sebahagian lagi akan menembusi ke dalam struktur kedua (contohnya, ia akan merambat dalam air atau gelas). Apabila melalui satu medium ke medium lain, rasuk dicirikan oleh perubahan arahnya. Ini adalah fenomena biasan cahaya.
Pantulan dan pembiasan cahaya boleh dilihat terutamanya di dalam air.

kesan herotan air

Melihat benda-benda di dalam air, ia kelihatan herot. Ini amat ketara di sempadan antara udara dan air. Secara visual nampaknya objek bawah air sedikit terpesong. Fenomena fizikal yang diterangkan adalah tepat sebab mengapa semua objek kelihatan herot di dalam air. Apabila sinaran terkena kaca, kesan ini kurang ketara.
Pembiasan cahaya adalah fenomena fizikal, yang dicirikan oleh perubahan arah pancaran suria pada saat bergerak dari satu medium (struktur) ke yang lain.
Untuk meningkatkan pemahaman proses ini, pertimbangkan contoh rasuk jatuh dari udara ke dalam air (begitu juga untuk kaca). Dengan melukis serenjang di sepanjang antara muka, sudut biasan dan kembalinya pancaran cahaya boleh diukur. Penunjuk ini (sudut biasan) akan berubah apabila aliran menembusi ke dalam air (di dalam kaca).
Catatan! Parameter ini difahami sebagai sudut yang membentuk serenjang yang dilukis pada pemisahan dua bahan apabila rasuk menembusi dari struktur pertama ke yang kedua.

Laluan rasuk

Penunjuk yang sama adalah tipikal untuk persekitaran lain. Adalah ditubuhkan bahawa penunjuk ini bergantung pada ketumpatan bahan. Jika rasuk adalah kejadian daripada struktur yang kurang tumpat kepada struktur yang lebih tumpat, maka sudut herotan yang dicipta akan menjadi lebih besar. Dan jika sebaliknya, maka kurang.
Pada masa yang sama, perubahan dalam cerun kejatuhan juga akan menjejaskan penunjuk ini. Tetapi hubungan antara mereka tidak kekal. Pada masa yang sama, nisbah sinus mereka akan kekal malar, yang dipaparkan dengan formula berikut: sinα / sinγ = n, di mana:

• n ialah nilai tetap yang diterangkan untuk setiap bahan tertentu (udara, kaca, air, dll.). Oleh itu, apakah nilai ini boleh ditentukan daripada jadual khas;
• α ialah sudut tuju;
• γ ialah sudut biasan.

Untuk menentukan fenomena fizikal ini, undang-undang pembiasan dicipta.

undang-undang fizikal

Undang-undang pembiasan fluks cahaya membolehkan anda menentukan ciri-ciri bahan telus. Undang-undang itu sendiri terdiri daripada dua peruntukan:

• Bahagian pertama. Rasuk (insiden, berubah) dan serenjang, yang telah dipulihkan pada titik kejadian di sempadan, sebagai contoh, udara dan air (kaca, dsb.), akan ditempatkan dalam satah yang sama;
• bahagian kedua daripada. Penunjuk nisbah sinus sudut tuju kepada sinus sudut yang sama yang terbentuk apabila melintasi sempadan akan menjadi nilai malar.

Penerangan undang-undang

Dalam kes ini, pada masa rasuk keluar dari struktur kedua ke yang pertama (contohnya, apabila fluks cahaya melepasi udara, melalui kaca dan kembali ke udara), kesan herotan juga akan berlaku.

Parameter penting untuk objek yang berbeza

Penunjuk utama dalam keadaan ini ialah nisbah sinus sudut tuju kepada parameter yang sama, tetapi untuk herotan. Seperti berikut dari undang-undang yang diterangkan di atas, penunjuk ini adalah nilai malar.
Pada masa yang sama, apabila nilai cerun kejatuhan berubah, keadaan yang sama akan menjadi tipikal untuk penunjuk yang sama. Parameter ini sangat penting, kerana ia merupakan ciri penting bagi bahan lutsinar.

Penunjuk untuk objek yang berbeza

Terima kasih kepada parameter ini, anda boleh membezakan dengan berkesan antara jenis kaca, serta pelbagai batu berharga. Ia juga penting untuk menentukan kelajuan cahaya dalam pelbagai media.

Catatan! Kelajuan tertinggi fluks cahaya adalah dalam vakum.

Apabila bergerak dari satu bahan ke bahan lain, kelajuannya akan berkurangan. Sebagai contoh, berlian, yang mempunyai indeks biasan tertinggi, akan mempunyai kelajuan perambatan foton 2.42 kali lebih cepat daripada udara. Di dalam air, mereka akan merebak 1.33 kali lebih perlahan. Untuk pelbagai jenis kaca, parameter ini berjulat dari 1.4 hingga 2.2.

Catatan! Sesetengah cermin mata mempunyai indeks biasan 2.2, yang sangat hampir dengan berlian (2.4). Oleh itu, tidak selalu mungkin untuk membezakan sekeping kaca daripada berlian sebenar.

Ketumpatan optik bahan

Cahaya boleh menembusi melalui bahan yang berbeza, yang dicirikan oleh ketumpatan optik yang berbeza. Seperti yang kita katakan sebelum ini, menggunakan undang-undang ini, anda boleh menentukan ciri ketumpatan medium (struktur). Semakin padat, semakin perlahan kelajuan cahaya akan merambat di dalamnya. Sebagai contoh, kaca atau air akan lebih tumpat secara optik daripada udara.
Sebagai tambahan kepada fakta bahawa parameter ini adalah nilai malar, ia juga mencerminkan nisbah kelajuan cahaya dalam dua bahan. Makna fizikal boleh dipaparkan seperti formula berikut:

Penunjuk ini memberitahu bagaimana kelajuan perambatan foton berubah apabila berpindah dari satu bahan ke bahan lain.

Satu lagi penunjuk penting

Apabila menggerakkan fluks cahaya melalui objek lutsinar, polarisasinya adalah mungkin. Ia diperhatikan semasa laluan fluks cahaya daripada media isotropik dielektrik. Polarisasi berlaku apabila foton melalui kaca.

kesan polarisasi

Polarisasi separa diperhatikan apabila sudut tuju fluks cahaya pada sempadan dua dielektrik berbeza daripada sifar. Tahap polarisasi bergantung pada sudut tuju (undang-undang Brewster).

Refleksi dalaman penuh

Menyimpulkan penyimpangan singkat kami, masih perlu untuk mempertimbangkan kesan sedemikian sebagai refleksi dalaman sepenuhnya.

Fenomena Paparan Penuh

Untuk kesan ini muncul, adalah perlu untuk meningkatkan sudut kejadian fluks cahaya pada saat peralihannya daripada medium lebih tumpat kepada medium kurang tumpat pada antara muka antara bahan. Dalam keadaan di mana parameter ini melebihi nilai had tertentu, maka kejadian foton pada sempadan bahagian ini akan dipantulkan sepenuhnya. Sebenarnya, ini akan menjadi fenomena yang kita inginkan. Tanpa itu, adalah mustahil untuk membuat gentian optik.

Kesimpulan

Aplikasi praktikal ciri gelagat fluks cahaya memberi banyak manfaat, mencipta pelbagai peranti teknikal untuk memperbaiki kehidupan kita. Pada masa yang sama, cahaya belum membuka semua kemungkinannya kepada manusia, dan potensi praktikalnya masih belum direalisasikan sepenuhnya.

Cara membuat lampu kertas dengan tangan anda sendiri Bagaimana untuk menyemak prestasi jalur LED

Pembiasan cahaya- fenomena di mana pancaran cahaya, melalui satu medium ke medium lain, menukar arah di sempadan media ini.

Pembiasan cahaya berlaku mengikut hukum berikut:
Kejadian dan sinar terbias dan serenjang yang dilukis ke antara muka antara dua media pada titik kejadian rasuk terletak pada satah yang sama. Nisbah sinus sudut tuju kepada sinus sudut biasan ialah nilai tetap untuk dua media:
,
di mana α - sudut tuju,
β - sudut biasan
n - nilai malar bebas daripada sudut tuju.

Apabila sudut tuju berubah, sudut biasan juga berubah. Semakin besar sudut tuju, semakin besar sudut biasan.
Jika cahaya pergi dari medium optik kurang tumpat ke medium lebih tumpat, maka sudut biasan sentiasa kurang daripada sudut tuju: β < α.
Pancaran cahaya yang diarahkan berserenjang dengan antara muka antara dua media melewati dari satu medium ke medium yang lain tanpa putus.

indeks biasan mutlak sesuatu bahan- nilai yang sama dengan nisbah halaju fasa cahaya (gelombang elektromagnet) dalam vakum dan dalam medium tertentu n=c/v
Nilai n yang termasuk dalam hukum biasan dipanggil indeks biasan relatif untuk sepasang media.

Nilai n ialah indeks biasan relatif bagi medium B berkenaan dengan medium A, dan n" = 1/n ialah indeks biasan relatif bagi medium A berkenaan dengan medium B.
Nilai ini, ceteris paribus, adalah lebih besar daripada kesatuan apabila rasuk melewati dari medium yang lebih tumpat ke medium kurang tumpat, dan kurang daripada kesatuan apabila rasuk melepasi dari medium kurang tumpat ke medium lebih tumpat (contohnya, daripada gas atau daripada vakum kepada cecair atau pepejal). Terdapat pengecualian kepada peraturan ini, dan oleh itu adalah kebiasaan untuk memanggil medium optik lebih atau kurang padat daripada yang lain.
Rasuk yang jatuh dari ruang tanpa udara ke permukaan beberapa medium B dibiaskan dengan lebih kuat daripada apabila jatuh ke atasnya dari medium A lain; Indeks biasan bagi kejadian sinar pada medium dari ruang tanpa udara dipanggil indeks biasan mutlaknya.

(Mutlak - relatif kepada vakum.
Relatif - relatif kepada mana-mana bahan lain (udara yang sama, sebagai contoh).
Indeks relatif dua bahan ialah nisbah indeks mutlaknya.)

Jumlah refleksi dalaman- pantulan dalaman, dengan syarat sudut tuju melebihi sudut genting tertentu. Dalam kes ini, gelombang kejadian dipantulkan sepenuhnya, dan nilai pekali pantulan melebihi nilai tertingginya untuk permukaan yang digilap. Pekali pantulan untuk jumlah pantulan dalaman tidak bergantung pada panjang gelombang.

Dalam optik, fenomena ini diperhatikan untuk spektrum luas sinaran elektromagnet, termasuk julat sinar-X.

Dalam optik geometri, fenomena ini dijelaskan dari segi undang-undang Snell. Memandangkan sudut biasan tidak boleh melebihi 90°, kita memperoleh bahawa pada sudut tuju yang sinusnya lebih besar daripada nisbah indeks biasan yang lebih kecil kepada indeks yang lebih besar, gelombang elektromagnet harus dipantulkan sepenuhnya ke dalam medium pertama.

Selaras dengan teori gelombang fenomena itu, gelombang elektromagnet bagaimanapun menembusi ke dalam medium kedua - apa yang dipanggil "gelombang tidak seragam" merambat di sana, yang mereput secara eksponen dan tidak membawa tenaga bersamanya. Kedalaman ciri penembusan gelombang tidak homogen ke dalam medium kedua adalah mengikut urutan panjang gelombang.

Hukum pembiasan cahaya.

Dari semua yang telah dikatakan, kami membuat kesimpulan:
1 . Pada antara muka antara dua media dengan ketumpatan optik yang berbeza, pancaran cahaya mengubah arahnya apabila melalui satu medium ke medium lain.
2. Apabila pancaran cahaya masuk ke dalam medium dengan ketumpatan optik yang lebih tinggi, sudut biasan adalah kurang daripada sudut tuju; apabila pancaran cahaya melalui medium optik yang lebih tumpat ke medium kurang tumpat, sudut biasan lebih besar daripada sudut tuju.
Pembiasan cahaya disertai dengan pantulan, dan dengan peningkatan dalam sudut tuju, kecerahan pancaran pantulan meningkat, manakala pembiasan semakin lemah. Ini dapat dilihat dengan menjalankan eksperimen yang ditunjukkan dalam rajah. Akibatnya, pancaran pantulan membawa bersamanya semakin banyak tenaga cahaya, semakin besar sudut tuju.

biarlah MN- antara muka antara dua media lutsinar, contohnya, udara dan air, JSC- rasuk jatuh OV- rasuk terbias, - sudut tuju, - sudut biasan, - kelajuan perambatan cahaya dalam medium pertama, - kelajuan perambatan cahaya dalam medium kedua.

Cahaya, dengan sifatnya, merambat dalam media yang berbeza pada kelajuan yang berbeza. Semakin tumpat medium, semakin rendah kelajuan perambatan cahaya di dalamnya. Satu ukuran yang sesuai telah ditetapkan berkaitan kedua-dua ketumpatan bahan dan dengan kelajuan perambatan cahaya dalam bahan tersebut. Ukuran ini dipanggil indeks biasan. Bagi mana-mana bahan, indeks biasan diukur berbanding dengan kelajuan cahaya dalam vakum (vakum sering dirujuk sebagai ruang bebas). Formula berikut menerangkan hubungan ini.

Semakin tinggi indeks biasan sesuatu bahan, semakin tumpat bahan itu. Apabila pancaran cahaya melalui satu bahan ke bahan lain (dengan indeks biasan yang berbeza), sudut biasan akan berbeza daripada sudut tuju. Pancaran cahaya yang menembusi medium dengan indeks biasan yang lebih rendah akan keluar pada sudut yang lebih besar daripada sudut tuju. Pancaran cahaya yang menembusi medium dengan indeks biasan yang tinggi akan keluar pada sudut yang lebih kecil daripada sudut tuju. Ini ditunjukkan dalam rajah. 3.5.

nasi. 3.5.a. Rasuk yang melalui dari medium dengan N 1 tinggi ke medium dengan N 2 rendah

nasi. 3.5.b. Rasuk yang melalui dari medium dengan N 1 rendah ke medium dengan N 2 tinggi

Dalam kes ini, θ 1 ialah sudut tuju dan θ 2 ialah sudut biasan. Beberapa indeks biasan biasa disenaraikan di bawah.

Adalah pelik untuk diperhatikan bahawa untuk sinar-x indeks biasan kaca sentiasa kurang daripada udara, oleh itu, apabila melalui udara ke dalam kaca, ia menyimpang dari serenjang, dan bukan ke arah serenjang, seperti sinar cahaya.