De wet van de breking van het licht. Absolute en relatieve indices (coëfficiënten) van breking. Totale interne reflectie

Wet van breking van licht werd empirisch vastgesteld in de 17e eeuw. Wanneer licht van het ene transparante medium naar het andere gaat, kan de richting van het licht veranderen. Het veranderen van de richting van het licht op de grens van verschillende media wordt lichtbreking genoemd. De alwetendheid van breking is een schijnbare verandering in de vorm van een object. (voorbeeld: een lepel in een glas water). De brekingswet van het licht: op de grens van twee media ligt de gebroken bundel in het invalsvlak en vormt, met de normaal op het grensvlak hersteld op het invalspunt, een brekingshoek zodanig dat: = n 1- vallen, 2 reflecties, n-brekingsindex (v. Snelius) - relatieve indicator De brekingsindex van een straal die invalt op een medium vanuit de luchtloze ruimte wordt zijn . genoemd absolute brekingsindex. De invalshoek waarbij de gebroken bundel begint te glijden langs het grensvlak tussen twee media zonder overgang naar een optisch dichter medium - beperkende hoek van totale interne reflectie. Totale interne reflectie- interne reflectie, mits de invalshoek een bepaalde kritische hoek overschrijdt. In dit geval wordt de invallende golf volledig gereflecteerd en overschrijdt de waarde van de reflectiecoëfficiënt de hoogste waarden voor gepolijste oppervlakken. De reflectiecoëfficiënt voor totale interne reflectie is niet afhankelijk van de golflengte. In de optica wordt dit fenomeen waargenomen voor een breed spectrum van elektromagnetische straling, inclusief het röntgenbereik. In de geometrische optica wordt het fenomeen verklaard in termen van de wet van Snellius. Aangezien de brekingshoek niet groter kan zijn dan 90 °, verkrijgen we dat bij een invalshoek waarvan de sinus groter is dan de verhouding van de kleinere brekingsindex tot de grotere, de elektromagnetische golf volledig in het eerste medium moet worden gereflecteerd. Voorbeeld: De heldere schittering van veel natuurlijke kristallen, en vooral gefacetteerde edelstenen en halfedelstenen, wordt verklaard door totale interne reflectie, waardoor elke straal die het kristal binnenkomt een groot aantal vrij heldere stralen vormt die eruit komen, gekleurd als een gevolg van verspreiding.

NAAR LEZING №24

"INSTRUMENTELE ANALYSE METHODEN"

REFRACTOMETRIE.

Literatuur:

1. V.D. Ponomarev "Analytische chemie" 1983 246-251

2. AA Ishchenko "Analytical Chemistry" 2004 pp 181-184

REFRACTOMETRIE.

Refractometrie is een van de eenvoudigste fysische analysemethoden, vereist een minimale hoeveelheid analyt en wordt in zeer korte tijd uitgevoerd.

refractometrie- een methode gebaseerd op het fenomeen van breking of breking, d.w.z. verandering in de richting van lichtvoortplanting bij het passeren van het ene medium naar het andere.

Breking, evenals de absorptie van licht, is een gevolg van de interactie met het medium. Het woord refractometrie betekent: dimensie lichtbreking, die wordt geschat door de waarde van de brekingsindex.

Brekingsindexwaarde: n hangt ervan af

1) over de samenstelling van stoffen en systemen,

2) van bij welke concentratie? en welke moleculen de lichtstraal onderweg tegenkomt, want Onder invloed van licht worden de moleculen van verschillende stoffen op verschillende manieren gepolariseerd. Op deze afhankelijkheid is de refractometrische methode gebaseerd.

Deze methode heeft een aantal voordelen, waardoor deze zowel in chemisch onderzoek als in de beheersing van technologische processen brede toepassing heeft gevonden.

1) Het meten van brekingsindices is een zeer eenvoudig proces dat nauwkeurig en met een minimale investering van tijd en hoeveelheid stof wordt uitgevoerd.

2) Refractometers bieden doorgaans een nauwkeurigheid tot 10% bij het bepalen van de brekingsindex van licht en de inhoud van de analyt

De refractometriemethode wordt gebruikt om authenticiteit en zuiverheid te controleren, om individuele stoffen te identificeren, om de structuur van organische en anorganische verbindingen te bepalen in de studie van oplossingen. Refractometrie wordt gebruikt om de samenstelling van tweecomponentenoplossingen en voor ternaire systemen te bepalen.

Fysieke basis van de methode

REFRACTIEVE INDICATOR.

De afwijking van een lichtstraal van zijn oorspronkelijke richting tijdens de overgang van het ene medium naar het andere is groter naarmate het verschil in de voortplantingssnelheden van het licht in twee

deze omgevingen.

Beschouw de breking van een lichtstraal op de grens van twee transparante media I en II (zie afb.). Laten we het erover eens zijn dat medium II een groter brekingsvermogen heeft en daarom n 1 en 2- toont de breking van de overeenkomstige media. Als medium I geen vacuüm of lucht is, dan geeft de verhouding sin van de invalshoek van de lichtbundel tot sin van de brekingshoek de waarde van de relatieve brekingsindex n rel. De waarde van n rel. kan ook worden gedefinieerd als de verhouding van de brekingsindices van de betreffende media.

zn. = ----- = ---

De waarde van de brekingsindex hangt af van:

1) de aard van stoffen

De aard van een stof wordt in dit geval bepaald door de mate van vervormbaarheid van zijn moleculen onder invloed van licht - de mate van polariseerbaarheid. Hoe intenser de polariseerbaarheid, hoe sterker de breking van licht.

2)golflengte van invallend licht

De meting van de brekingsindex wordt uitgevoerd bij een lichtgolflengte van 589,3 nm (lijn D van het natriumspectrum).

De afhankelijkheid van de brekingsindex van de golflengte van licht wordt dispersie genoemd. Hoe korter de golflengte, hoe groter de breking. Daarom worden stralen van verschillende golflengten anders gebroken.

3)temperatuur- waarop de meting wordt uitgevoerd. Een voorwaarde voor het bepalen van de brekingsindex is naleving van het temperatuurregime. Gewoonlijk wordt de bepaling uitgevoerd bij 20 ± 0,3 0 .

Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de brekingsindex af en naarmate de temperatuur daalt, neemt deze toe..

De temperatuurcorrectie wordt berekend met de volgende formule:

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

geen - doei brekingsindex bij een bepaalde temperatuur,

n 20 - brekingsindex bij 20 0 С

De invloed van temperatuur op de waarden van de brekingsindices van gassen en vloeistoffen houdt verband met de waarden van hun coëfficiënten van volumetrische uitzetting. Het volume van alle gassen en vloeistoffen neemt toe bij verwarming, de dichtheid neemt af en als gevolg daarvan neemt de indicator af

De brekingsindex, gemeten bij 20 0 C en een lichtgolflengte van 589,3 nm, wordt aangegeven door de index nD 20

De afhankelijkheid van de brekingsindex van een homogeen tweecomponentensysteem van zijn toestand wordt experimenteel vastgesteld door de brekingsindex te bepalen voor een aantal standaardsystemen (bijvoorbeeld oplossingen), waarvan het gehalte aan componenten bekend is.

4) de concentratie van een stof in een oplossing.

Voor veel waterige oplossingen van stoffen zijn de brekingsindices bij verschillende concentraties en temperaturen betrouwbaar gemeten en in deze gevallen kunnen referentiegegevens worden gebruikt. refractometrische tabellen. De praktijk leert dat wanneer het gehalte aan opgeloste stof niet hoger is dan 10-20%, samen met de grafische methode, het in zeer veel gevallen mogelijk is om lineaire vergelijking zoals:

n=n o +FC,

n- brekingsindex van de oplossing,

nee is de brekingsindex van het zuivere oplosmiddel,

C- concentratie van de opgeloste stof,%

F-empirische coëfficiënt, waarvan de waarde wordt gevonden

door de brekingsindices van oplossingen met een bekende concentratie te bepalen.

REFRACTOMETERS.

Refractometers zijn apparaten die worden gebruikt om de brekingsindex te meten. Er zijn 2 soorten van deze instrumenten: Abbe-type refractometer en Pulfrich-type. Zowel in die als in andere zijn de metingen gebaseerd op het bepalen van de grootte van de beperkende brekingshoek. In de praktijk worden refractometers van verschillende systemen gebruikt: laboratorium-RL, universele RLU, enz.

De brekingsindex van gedestilleerd water n 0 \u003d 1.33299, in de praktijk neemt deze indicator als referentie n 0 =1,333.

Het werkingsprincipe van refractometers is gebaseerd op de bepaling van de brekingsindex door de limiethoekmethode (de hoek van totale reflectie van licht).

Handrefractometer

Refractometer Abbe

De processen die met licht worden geassocieerd, zijn een belangrijk onderdeel van de natuurkunde en omringen ons overal in ons dagelijks leven. De belangrijkste in deze situatie zijn de wetten van reflectie en breking van licht, waarop de moderne optica is gebaseerd. De breking van licht is een belangrijk onderdeel van de moderne wetenschap.

Vervormingseffect

Dit artikel zal je vertellen wat het fenomeen lichtbreking is, hoe de wet van breking eruit ziet en wat daaruit volgt.

Grondbeginselen van een fysiek fenomeen

Wanneer een straal op een oppervlak valt dat wordt gescheiden door twee transparante stoffen met verschillende optische dichtheden (bijvoorbeeld verschillende glazen of in water), zullen sommige van de stralen worden gereflecteerd en zullen sommige in de tweede structuur doordringen (bijvoorbeeld het zal zich voortplanten in water of glas). Bij het passeren van het ene medium naar het andere, wordt de bundel gekenmerkt door een verandering in zijn richting. Dit is het fenomeen van lichtbreking.
Reflectie en breking van licht zijn vooral goed te zien in water.

watervervormingseffect

Als je naar dingen in het water kijkt, lijken ze vervormd. Dit is vooral merkbaar op de grens tussen lucht en water. Visueel lijkt het erop dat onderwaterobjecten enigszins worden afgebogen. Het beschreven fysieke fenomeen is precies de reden waarom alle objecten in water vervormd lijken. Wanneer de stralen het glas raken, valt dit effect minder op.
De breking van licht is een natuurkundig fenomeen, dat wordt gekenmerkt door een verandering in de richting van de zonnestraal op het moment van verplaatsing van het ene medium (structuur) naar het andere.
Om dit proces beter te begrijpen, kunt u het voorbeeld beschouwen van een straal die uit de lucht in het water valt (vergelijkbaar met glas). Door een loodlijn langs het grensvlak te tekenen, kan de brekingshoek en terugkeer van de lichtbundel worden gemeten. Deze indicator (de brekingshoek) verandert wanneer de stroom in het water (in het glas) dringt.
Opmerking! Onder deze parameter wordt verstaan ​​de hoek die een loodlijn vormt op de scheiding van twee stoffen wanneer de straal doordringt van de eerste structuur naar de tweede.

Straaldoorgang

Dezelfde indicator is typerend voor andere omgevingen. Vast staat dat deze indicator afhangt van de dichtheid van de stof. Als de bundel invalt van een minder dichte naar een dichtere structuur, zal de gecreëerde vervormingshoek groter zijn. En als omgekeerd, dan minder.
Tegelijkertijd zal een verandering in de helling van de val ook van invloed zijn op deze indicator. Maar de relatie tussen hen blijft niet constant. Tegelijkertijd blijft de verhouding van hun sinussen constant, wat wordt weergegeven door de volgende formule: sinα / sinγ = n, waarbij:

• n is een constante waarde die wordt beschreven voor elke specifieke stof (lucht, glas, water, enz.). Wat deze waarde zal zijn, kan daarom worden bepaald aan de hand van speciale tabellen;
• α is de invalshoek;
• γ is de brekingshoek.

Om dit fysieke fenomeen te bepalen, werd de wet van breking gecreëerd.

fysieke wet

De wet van breking van lichtstromen stelt u in staat om de kenmerken van transparante stoffen te bepalen. De wet zelf bestaat uit twee bepalingen:

• Eerste deel. De straal (invallend, veranderd) en de loodlijn, die werd hersteld op het invalspunt op de grens, bijvoorbeeld lucht en water (glas, enz.), zullen in hetzelfde vlak worden geplaatst;
• tweede deel. De indicator van de verhouding van de sinus van de invalshoek tot de sinus van dezelfde hoek gevormd bij het overschrijden van de grens zal een constante waarde zijn.

Beschrijving van de wet

In dit geval zal op het moment dat de bundel de tweede structuur verlaat in de eerste (bijvoorbeeld wanneer de lichtstroom vanuit de lucht, door het glas en terug in de lucht gaat), ook een vervormingseffect optreden.

Een belangrijke parameter voor verschillende objecten

De belangrijkste indicator in deze situatie is de verhouding van de sinus van de invalshoek tot een vergelijkbare parameter, maar dan voor vervorming. Zoals uit de hierboven beschreven wet volgt, is deze indicator een constante waarde.
Tegelijkertijd, wanneer de waarde van de helling van de val verandert, zal dezelfde situatie typerend zijn voor een vergelijkbare indicator. Deze parameter is van groot belang, omdat het een integraal kenmerk is van transparante stoffen.

Indicatoren voor verschillende objecten

Dankzij deze parameter kunt u vrij effectief onderscheid maken tussen soorten glas, evenals een verscheidenheid aan edelstenen. Ook is het van belang voor het bepalen van de lichtsnelheid in verschillende media.

Opmerking! De hoogste snelheid van de lichtstroom is in vacuüm.

Wanneer u van de ene stof naar de andere gaat, neemt de snelheid ervan af. Diamant, dat de hoogste brekingsindex heeft, zal bijvoorbeeld een fotonpropagatiesnelheid hebben die 2,42 keer sneller is dan die van lucht. In water verspreiden ze zich 1,33 keer langzamer. Voor verschillende soorten glas varieert deze parameter van 1,4 tot 2,2.

Opmerking! Sommige glazen hebben een brekingsindex van 2,2, wat heel dicht bij diamant (2,4) ligt. Daarom is het niet altijd mogelijk om een ​​stuk glas te onderscheiden van een echte diamant.

Optische dichtheid van stoffen

Licht kan door verschillende stoffen doordringen, die worden gekenmerkt door een verschillende optische dichtheid. Zoals we eerder zeiden, kun je met behulp van deze wet het kenmerk van de dichtheid van het medium (structuur) bepalen. Hoe dichter het is, hoe langzamer de snelheid van het licht zich erin zal voortplanten. Glas of water zal bijvoorbeeld optisch meer dicht zijn dan lucht.
Naast het feit dat deze parameter een constante waarde is, geeft hij ook de verhouding weer van de lichtsnelheid in twee stoffen. De fysieke betekenis kan worden weergegeven als de volgende formule:

Deze indicator vertelt hoe de voortplantingssnelheid van fotonen verandert bij het overgaan van de ene stof naar de andere.

Een andere belangrijke indicator

Wanneer de lichtstroom door transparante objecten wordt verplaatst, is de polarisatie ervan mogelijk. Het wordt waargenomen tijdens de passage van een lichtstroom uit diëlektrische isotrope media. Polarisatie treedt op wanneer fotonen door glas gaan.

polarisatie effect

Gedeeltelijke polarisatie wordt waargenomen wanneer de invalshoek van de lichtstroom op de grens van twee diëlektrica verschilt van nul. De mate van polarisatie hangt af van de invalshoeken (wet van Brewster).

Volledige interne reflectie

Ter afsluiting van onze korte uitweiding is het nog steeds noodzakelijk om een ​​dergelijk effect als een volwaardige interne reflectie te beschouwen.

Full Display-fenomeen

Voor het optreden van dit effect is het noodzakelijk om de invalshoek van de lichtstroom te vergroten op het moment van de overgang van een dichter naar een minder dicht medium op het grensvlak tussen stoffen. In een situatie waarin deze parameter een bepaalde grenswaarde overschrijdt, zullen de fotonen die op de grens van dit gedeelte invallen volledig worden weerspiegeld. Eigenlijk zal dit ons gewenste fenomeen zijn. Zonder dat was het onmogelijk om glasvezel te maken.

Conclusie

De praktische toepassing van de kenmerken van het gedrag van de lichtstroom gaf veel, het creëren van een verscheidenheid aan technische apparaten om ons leven te verbeteren. Tegelijkertijd heeft licht niet al zijn mogelijkheden voor de mensheid geopend en is zijn praktische potentieel nog niet volledig gerealiseerd.

Hoe maak je een papieren lamp met je eigen handen Hoe de prestaties van de LED-strip te controleren?

Lichtbreking- een fenomeen waarbij een lichtstraal, die van het ene medium naar het andere gaat, van richting verandert op de grens van deze media.

De breking van licht vindt plaats volgens de volgende wet:
De invallende en gebroken stralen en de loodlijn die op het grensvlak tussen twee media op het invalspunt van de bundel wordt getrokken, liggen in hetzelfde vlak. De verhouding van de sinus van de invalshoek tot de sinus van de brekingshoek is een constante waarde voor twee media:
,
waar α - invalshoek,
β - brekingshoek
n - een constante waarde onafhankelijk van de invalshoek.

Wanneer de invalshoek verandert, verandert ook de brekingshoek. Hoe groter de invalshoek, hoe groter de brekingshoek.
Als licht van een optisch minder dicht medium naar een dichter medium gaat, dan is de brekingshoek altijd kleiner dan de invalshoek: β < α.
Een lichtstraal die loodrecht op de interface tussen twee media is gericht, gaat van het ene medium naar het andere zonder te breken.

absolute brekingsindex van een stof- een waarde gelijk aan de verhouding van de fasesnelheden van licht (elektromagnetische golven) in vacuüm en in een bepaald medium n=c/v
De waarde n die in de brekingswet is opgenomen, wordt de relatieve brekingsindex voor een paar media genoemd.

De waarde n is de relatieve brekingsindex van medium B ten opzichte van medium A, en n" = 1/n is de relatieve brekingsindex van medium A ten opzichte van medium B.
Deze waarde, ceteris paribus, is groter dan één wanneer de bundel van een dichter medium naar een minder dicht medium gaat, en kleiner dan één wanneer de bundel van een minder dicht medium naar een dichter medium gaat (bijvoorbeeld van een gas of van vacuüm naar een vloeistof of vaste stof). Er zijn uitzonderingen op deze regel en daarom is het gebruikelijk om een ​​medium optisch meer of minder dicht te noemen dan een ander.
Een straal die vanuit een luchtloze ruimte op het oppervlak van een medium B valt, wordt sterker gebroken dan wanneer hij erop valt vanuit een ander medium A; De brekingsindex van een straal die invalt op een medium vanuit de luchtloze ruimte wordt de absolute brekingsindex genoemd.

(Absoluut - ten opzichte van vacuüm.
Relatief - ten opzichte van een andere stof (bijvoorbeeld dezelfde lucht).
De relatieve index van twee stoffen is de verhouding van hun absolute indices.)

Totale interne reflectie- interne reflectie, mits de invalshoek een bepaalde kritische hoek overschrijdt. In dit geval wordt de invallende golf volledig gereflecteerd en overschrijdt de waarde van de reflectiecoëfficiënt de hoogste waarden voor gepolijste oppervlakken. De reflectiecoëfficiënt voor totale interne reflectie is niet afhankelijk van de golflengte.

In de optica wordt dit fenomeen waargenomen voor een breed spectrum van elektromagnetische straling, inclusief het röntgenbereik.

In de geometrische optica wordt het fenomeen verklaard in termen van de wet van Snellius. Aangezien de brekingshoek niet groter kan zijn dan 90 °, verkrijgen we dat bij een invalshoek waarvan de sinus groter is dan de verhouding van de lagere brekingsindex tot de grotere index, de elektromagnetische golf volledig in het eerste medium moet worden gereflecteerd.

In overeenstemming met de golftheorie van het fenomeen dringt de elektromagnetische golf niettemin door in het tweede medium - de zogenaamde "niet-uniforme golf" plant zich daar voort, die exponentieel vervalt en geen energie meeneemt. De karakteristieke penetratiediepte van een inhomogene golf in het tweede medium is in de orde van de golflengte.

Wetten van breking van licht.

Uit alles wat gezegd is, concluderen we:
1 . Op het grensvlak tussen twee media met verschillende optische dichtheid verandert een lichtstraal van richting wanneer deze van het ene medium naar het andere gaat.
2. Wanneer een lichtbundel in een medium met een hogere optische dichtheid valt, is de brekingshoek kleiner dan de invalshoek; wanneer een lichtstraal van een optisch dichter medium naar een minder dicht medium gaat, is de brekingshoek groter dan de invalshoek.
De breking van licht gaat gepaard met reflectie, en met een toename van de invalshoek, neemt de helderheid van de gereflecteerde straal toe en verzwakt de gebroken. Dit kan worden gezien door het experiment uit te voeren dat in de figuur wordt getoond. Bijgevolg neemt de gereflecteerde bundel met zich mee, hoe meer lichtenergie, hoe groter de invalshoek.

laten zijn MN- de interface tussen twee transparante media, bijvoorbeeld lucht en water, JSC- vallende straal OV- gebroken bundel, - invalshoek, - brekingshoek, - voortplantingssnelheid van het licht in het eerste medium, - voortplantingssnelheid van het licht in het tweede medium.

Licht plant zich van nature met verschillende snelheden voort in verschillende media. Hoe dichter het medium, hoe lager de voortplantingssnelheid van het licht erin. Er is een passende maatstaf vastgesteld die zowel betrekking heeft op de dichtheid van een materiaal als op de voortplantingssnelheid van licht in dat materiaal. Deze maat wordt de brekingsindex genoemd. Voor elk materiaal wordt de brekingsindex gemeten ten opzichte van de lichtsnelheid in een vacuüm (vacuüm wordt vaak vrije ruimte genoemd). De volgende formule beschrijft deze relatie.

Hoe hoger de brekingsindex van een materiaal, hoe dichter het is. Wanneer een lichtstraal van het ene materiaal naar het andere gaat (met een verschillende brekingsindex), zal de brekingshoek anders zijn dan de invalshoek. Een lichtstraal die een medium met een lagere brekingsindex binnendringt, zal uittreden onder een hoek die groter is dan de invalshoek. Een lichtstraal die een medium met een hoge brekingsindex binnendringt, zal uittreden onder een hoek die kleiner is dan de invalshoek. Dit is weergegeven in afb. 3.5.

Rijst. 3.5.a. Een straal die van een medium met hoge N 1 naar een medium met lage N 2 . gaat

Rijst. 3.5.b. Een straal die van een medium met een lage N 1 naar een medium met een hoge N 2 . gaat

In dit geval is θ 1 de invalshoek en θ 2 de brekingshoek. Enkele typische brekingsindices worden hieronder vermeld.

Het is merkwaardig op te merken dat voor röntgenstralen de brekingsindex van glas altijd kleiner is dan voor lucht, daarom wijken ze, wanneer ze van lucht in glas gaan, af van de loodlijn en niet naar de loodlijn, zoals lichtstralen.