Loven om lysbrytning. Absolutte og relative brytningsindekser (koeffisienter). Total intern refleksjon

Loven om lysbrytning ble etablert eksperimentelt på 1600-tallet. Når lys går fra et gjennomsiktig medium til et annet, kan lysets retning endres. Endringen i lysretningen ved grensen til forskjellige medier kalles lysbrytning. Som et resultat av brytning oppstår en tilsynelatende endring i formen til objektet. (eksempel: skje i et glass vann). Loven for lysbrytning: Ved grensen til to medier ligger den brutte strålen i innfallsplanet og danner, med normalen til grensesnittet gjenopprettet ved innfallspunktet, en brytningsvinkel slik at: =n 1-innfall, 2-refleksjon, n-brytningsindeks (f. Snelius) - relativ indikator Brytningsindeksen til en stråle som faller inn på et medium fra luftløst rom kalles dens absolutt brytningsindeks. Innfallsvinkelen som den brutte strålen begynner å gli langs grensesnittet mellom to medier uten å bevege seg inn i et optisk tettere medium – begrensende vinkel for total intern refleksjon. Total intern refleksjon- intern refleksjon, forutsatt at innfallsvinkelen overstiger en viss kritisk vinkel. I dette tilfellet reflekteres den innfallende bølgen fullstendig, og verdien av refleksjonskoeffisienten overstiger de høyeste verdiene for polerte overflater. Refleksjonsevnen til total intern refleksjon er uavhengig av bølgelengden. I optikk er dette fenomenet observert for et bredt spekter av elektromagnetisk stråling, inkludert røntgenområdet. I geometrisk optikk er fenomenet forklart innenfor rammen av Snells lov. Tatt i betraktning at brytningsvinkelen ikke kan overstige 90°, finner vi at ved en innfallsvinkel hvis sinus er større enn forholdet mellom den mindre brytningsindeksen og den større indeksen, må den elektromagnetiske bølgen reflekteres fullstendig inn i det første mediet. Eksempel: Den lyse glansen til mange naturlige krystaller, og spesielt kuttede edelstener og halvedelstener, forklares av total indre refleksjon, som et resultat av at hver stråle som kommer inn i krystallen danner et stort antall ganske lyse stråler som kommer frem, farget som et resultat av spredning.

TIL FOREDRAG nr. 24

"INSTRUMENTELLE ANALYSEMETODER"

REFRAKTOMETRI.

Litteratur:

1. V.D. Ponomarev "Analytisk kjemi" 1983 246-251

2. A.A. Ishchenko "Analytical Chemistry" 2004 s. 181-184

REFRAKTOMETRI.

Refraktometri er en av de enkleste fysiske analysemetodene ved å bruke en minimumsmengde analytt og utføres på svært kort tid.

Refraktometri- en metode basert på fenomenet refraksjon eller refraksjon dvs. endre retningen på lysets utbredelse når den går fra ett medium til et annet.

Refraksjon, så vel som absorpsjon av lys, er en konsekvens av dets interaksjon med mediet. Ordet refraktometri betyr mål brytning av lys, som er estimert ved verdien av brytningsindeksen.

Brytningsindeksverdi n avhenger

1) om sammensetningen av stoffer og systemer,

2) fra det faktum i hvilken konsentrasjon og hvilke molekyler lysstrålen møter på sin vei, pga Under påvirkning av lys polariseres molekyler av forskjellige stoffer forskjellig. Det er på denne avhengigheten den refraktometriske metoden er basert.

Denne metoden har en rekke fordeler, som et resultat av at den har funnet bred anvendelse både i kjemisk forskning og i kontroll av teknologiske prosesser.

1) Måling av brytningsindekser er en veldig enkel prosess som utføres nøyaktig og med minimal tid og mengde materiale.

2) Vanligvis gir refraktometre en nøyaktighet på opptil 10 % for å bestemme lysbrytningsindeksen og innholdet i analytten

Refraktometrimetoden brukes til å kontrollere autentisitet og renhet, identifisere individuelle stoffer og bestemme strukturen til organiske og uorganiske forbindelser når man studerer løsninger. Refraktometri brukes til å bestemme sammensetningen av tokomponentløsninger og for ternære systemer.

Fysisk grunnlag for metoden

REFRAKTIVINDEKS.

Jo større forskjellen er i hastigheten på lysutbredelsen i de to, desto større er avviket til en lysstråle fra dens opprinnelige retning når den går fra ett medium til et annet.

disse miljøene.

La oss vurdere brytningen av en lysstråle ved grensen til to gjennomsiktige medier I og II (se fig.). La oss være enige om at medium II har en større brytningskraft og derfor n 1 Og n 2- viser brytningen til det tilsvarende mediet. Hvis medium I ikke er vakuum eller luft, vil forholdet mellom lysstrålens innfallsvinkel og sin brytningsvinkel gi verdien av den relative brytningsindeksen n rel. Verdi n rel. kan også defineres som forholdet mellom brytningsindeksene til mediet som vurderes.

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

Verdien av brytningsindeksen avhenger av

1) stoffers natur

Naturen til et stoff i dette tilfellet bestemmes av graden av deformerbarhet av molekylene under påvirkning av lys - graden av polariserbarhet. Jo mer intens polariserbarheten er, desto sterkere er lysbrytningen.

2)bølgelengden til innfallende lys

Brytningsindeksmålingen utføres ved en lysbølgelengde på 589,3 nm (linje D i natriumspekteret).

Brytningsindeksens avhengighet av lysets bølgelengde kalles dispersjon. Jo kortere bølgelengde, jo større brytning. Derfor brytes stråler med forskjellige bølgelengder forskjellig.

3)temperatur , hvor målingen utføres. En forutsetning for å bestemme brytningsindeksen er overholdelse av temperaturregimet. Vanligvis utføres bestemmelsen ved 20±0,3 0 C.

Når temperaturen øker, synker brytningsindeksen; når temperaturen synker, øker den..

Korreksjonen for temperatureffekter beregnes ved hjelp av følgende formel:

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

n t – Ha det brytningsindeks ved en gitt temperatur,

n 20 - brytningsindeks ved 20 0 C

Temperaturens innflytelse på verdiene til brytningsindeksene til gasser og væsker er assosiert med verdiene til deres volumetriske ekspansjonskoeffisienter. Volumet av alle gasser og væsker øker ved oppvarming, tettheten reduseres, og følgelig synker indikatoren

Brytningsindeksen målt ved 20 0 C og en lysbølgelengde på 589,3 nm er angitt av indeksen n D 20

Avhengigheten av brytningsindeksen til et homogent to-komponentsystem av dets tilstand etableres eksperimentelt ved å bestemme brytningsindeksen for en rekke standardsystemer (for eksempel løsninger), hvor innholdet av komponenter er kjent.

4) konsentrasjon av stoffet i løsning.

For mange vandige løsninger av stoffer måles brytningsindekser ved forskjellige konsentrasjoner og temperaturer pålitelig, og i disse tilfellene kan referansebøker brukes refraktometriske tabeller. Praksis viser at når innholdet av oppløst stoff ikke overstiger 10-20 %, sammen med den grafiske metoden, er det i mange tilfeller mulig å bruke lineær ligning som:

n=n o +FC,

n- brytningsindeks for løsningen,

Nei- brytningsindeks for et rent løsningsmiddel,

C- konsentrasjon av oppløste stoffer, %

F-empirisk koeffisient, hvis verdi er funnet

ved å bestemme brytningsindeksen til løsninger med kjent konsentrasjon.

REFRAKTOMETERE.

Refraktometre er instrumenter som brukes til å måle brytningsindeksen. Det er 2 typer av disse enhetene: Abbe type og Pulfrich type refraktometer. I begge tilfeller er målinger basert på å bestemme maksimal brytningsvinkel. I praksis brukes refraktometre av forskjellige systemer: laboratorie-RL, universal RL, etc.

Brytningsindeksen til destillert vann er n 0 = 1,33299, men praktisk talt er denne indikatoren tatt som referanse som n 0 =1,333.

Driftsprinsippet til refraktometre er basert på å bestemme brytningsindeksen ved metoden med begrensende vinkel (vinkelen for total refleksjon av lys).

Håndholdt refraktometer

Abbe refraktometer

Prosesser som er assosiert med lys er en viktig komponent i fysikken og omgir oss overalt i hverdagen. Det viktigste i denne situasjonen er lovene for refleksjon og brytning av lys, som moderne optikk er basert på. Brytningen av lys er en viktig del av moderne vitenskap.

Forvrengningseffekt

Denne artikkelen vil fortelle deg hva fenomenet lysbrytning er, samt hvordan brytningsloven ser ut og hva som følger av den.

Grunnleggende om et fysisk fenomen

Når en stråle faller på en overflate som er atskilt av to gjennomsiktige stoffer som har forskjellige optiske tettheter (for eksempel forskjellige glass eller i vann), vil noen av strålene reflekteres, og noen vil trenge inn i den andre strukturen (for eksempel, de vil forplante seg i vann eller glass). Når man beveger seg fra et medium til et annet, endrer en stråle vanligvis retning. Dette er fenomenet lysbrytning.
Refleksjon og brytning av lys er spesielt synlig i vann.

Forvrengningseffekt i vann

Når man ser på ting i vann, virker de forvrengte. Dette er spesielt merkbart ved grensen mellom luft og vann. Visuelt ser undervannsobjekter ut til å være litt avbøyde. Det beskrevne fysiske fenomenet er nettopp grunnen til at alle objekter fremstår forvrengt i vann. Når strålene treffer glasset er denne effekten mindre merkbar.
Refraksjon av lys er et fysisk fenomen som er preget av en endring i bevegelsesretningen til en solstråle i det øyeblikket den beveger seg fra ett medium (struktur) til et annet.
For å forbedre vår forståelse av denne prosessen, bør du vurdere et eksempel på en stråle som treffer vann fra luft (tilsvarende for glass). Ved å tegne en vinkelrett linje langs grensesnittet kan lysstrålens brytningsvinkel og retur måles. Denne indeksen (brytningsvinkelen) vil endre seg når strømmen trenger inn i vannet (inne i glasset).
Merk! Denne parameteren forstås som vinkelen som dannes av en perpendikulær trukket til separasjonen av to stoffer når en stråle trenger inn fra den første strukturen til den andre.

Strålepassasje

Den samme indikatoren er typisk for andre miljøer. Det er fastslått at denne indikatoren avhenger av stoffets tetthet. Hvis strålen faller fra en mindre tett til en tettere struktur, vil forvrengningsvinkelen som skapes være større. Og hvis det er omvendt, så er det mindre.
Samtidig vil en endring i nedgangens helning også påvirke denne indikatoren. Men forholdet mellom dem forblir ikke konstant. Samtidig vil forholdet mellom deres sinus forbli en konstant verdi, som reflekteres av følgende formel: sinα / sinγ = n, hvor:

• n er en konstant verdi som er beskrevet for hvert spesifikke stoff (luft, glass, vann osv.). Derfor, hva denne verdien vil være, kan bestemmes ved hjelp av spesielle tabeller;
• α – innfallsvinkel;
• γ – brytningsvinkel.

For å bestemme dette fysiske fenomenet ble brytningsloven laget.

Fysisk lov

Loven om brytning av lysstrømmer lar oss bestemme egenskapene til gjennomsiktige stoffer. Selve loven består av to bestemmelser:

• Første del. Strålen (hendelse, modifisert) og perpendikulæren, som ble gjenopprettet ved innfallspunktet på grensen, for eksempel av luft og vann (glass, etc.), vil være plassert i samme plan;
• Den andre delen. Forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til samme vinkel som dannes ved kryssing av grensen vil være en konstant verdi.

Beskrivelse av loven

I dette tilfellet, i det øyeblikket strålen går ut av den andre strukturen inn i den første (for eksempel når lysstrømmen passerer fra luften, gjennom glasset og tilbake til luften), vil det også oppstå en forvrengningseffekt.

En viktig parameter for ulike objekter

Hovedindikatoren i denne situasjonen er forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og en lignende parameter, men for forvrengning. Som følger av loven beskrevet ovenfor, er denne indikatoren en konstant verdi.
Dessuten, når verdien av nedgangshellingen endres, vil den samme situasjonen være typisk for en lignende indikator. Denne parameteren er av stor betydning fordi den er en integrert egenskap for gjennomsiktige stoffer.

Indikatorer for ulike objekter

Takket være denne parameteren kan du ganske effektivt skille mellom typer glass, så vel som forskjellige edelstener. Det er også viktig for å bestemme lyshastigheten i ulike miljøer.

Merk! Den høyeste hastigheten på lysstrømmen er i et vakuum.

Når du flytter fra et stoff til et annet, vil hastigheten reduseres. For eksempel, i diamant, som har den høyeste brytningsindeksen, vil hastigheten på fotonutbredelsen være 2,42 ganger høyere enn for luft. I vann vil de spre seg 1,33 ganger langsommere. For ulike typer glass varierer denne parameteren fra 1,4 til 2,2.

Merk! Noen glass har en brytningsindeks på 2,2, som er veldig nær diamant (2,4). Derfor er det ikke alltid mulig å skille et glassstykke fra en ekte diamant.

Optisk tetthet av stoffer

Lys kan trenge gjennom ulike stoffer, som er preget av ulike optiske tettheter. Som vi sa tidligere, ved å bruke denne loven kan du bestemme tettheten til mediet (strukturen). Jo tettere den er, desto langsommere vil lysets hastighet forplante seg gjennom den. For eksempel vil glass eller vann være mer optisk tett enn luft.
I tillegg til at denne parameteren er en konstant verdi, gjenspeiler den også forholdet mellom lyshastigheten i to stoffer. Den fysiske betydningen kan vises som følgende formel:

Denne indikatoren forteller hvordan forplantningshastigheten til fotoner endres når de beveger seg fra ett stoff til et annet.

En annen viktig indikator

Når en lysstrøm beveger seg gjennom gjennomsiktige objekter, er polariseringen mulig. Det observeres under passasjen av en lysstrøm fra dielektriske isotropiske medier. Polarisering oppstår når fotoner passerer gjennom glass.

Polarisasjonseffekt

Delvis polarisering observeres når innfallsvinkelen til lysstrømmen ved grensen til to dielektrikumer er forskjellig fra null. Graden av polarisering avhenger av hva innfallsvinklene var (Brewsters lov).

Full intern refleksjon

For å avslutte vår korte ekskursjon, er det fortsatt nødvendig å vurdere en slik effekt som full intern refleksjon.

Fenomenet full visning

For at denne effekten skal vises, er det nødvendig å øke innfallsvinkelen til lysstrømmen ved overgangen fra et tettere til et mindre tett medium ved grensesnittet mellom stoffene. I en situasjon der denne parameteren overskrider en viss grenseverdi, vil fotoner som faller inn på grensen til denne seksjonen bli fullstendig reflektert. Faktisk vil dette være vårt ønskede fenomen. Uten den var det umulig å lage fiberoptikk.

Konklusjon

Den praktiske anvendelsen av oppførselen til lysfluks har gitt mye, skapt en rekke tekniske enheter for å forbedre livene våre. Samtidig har lyset ennå ikke avslørt alle dets muligheter for menneskeheten og dets praktiske potensial er ennå ikke fullt ut realisert.

Hvordan lage en papirlampe med egne hender Hvordan sjekke ytelsen til en LED-stripe

Lysbrytning- et fenomen der en lysstråle, som går fra et medium til et annet, endrer retning ved grensen til disse mediene.

Bryting av lys skjer i henhold til følgende lov:
Innfallende og brutte stråler og perpendikulæren trukket til grensesnittet mellom de to mediene ved innfallspunktet for strålen ligger i samme plan. Forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen er en konstant verdi for to medier:
,
Hvor α - Innfallsvinkel,
β - brytningsvinkel,
n - en konstant verdi uavhengig av innfallsvinkelen.

Når innfallsvinkelen endres, endres også brytningsvinkelen. Jo større innfallsvinkel, jo større brytningsvinkel.
Hvis lys kommer fra et optisk mindre tett medium til et mer tett medium, er brytningsvinkelen alltid mindre enn innfallsvinkelen: β < α.
En lysstråle rettet vinkelrett på grensesnittet mellom to medier går fra ett medium til et annet uten brytning.

absolutt brytningsindeks for et stoff- en verdi lik forholdet mellom fasehastighetene til lys (elektromagnetiske bølger) i vakuum og i et gitt miljø n=c/v
Mengden n inkludert i brytningsloven kalles den relative brytningsindeksen for et mediapar.

Verdien n er den relative brytningsindeksen til medium B i forhold til medium A, og n" = 1/n er den relative brytningsindeksen til medium A i forhold til medium B.
Denne verdien, alt annet likt, er større enn enhet når strålen går fra et tettere medium til et mindre tett medium, og mindre enn enhet når strålen går fra et mindre tett medium til et tettere medium (for eksempel fra en gass eller fra et vakuum til en væske eller fast stoff). Det finnes unntak fra denne regelen, og derfor er det vanlig å kalle et medium optisk mer eller mindre tett enn et annet.
En stråle som faller fra luftløst rom på overflaten av et medium B brytes sterkere enn når den faller på den fra et annet medium A; Brytningsindeksen til en stråle som faller inn på et medium fra luftløst rom kalles dens absolutte brytningsindeks.

(Absolutt - i forhold til vakuum.
Relativ - i forhold til et hvilket som helst annet stoff (samme luft, for eksempel).
Den relative indikatoren for to stoffer er forholdet mellom deres absolutte indikatorer.)

Total intern refleksjon- intern refleksjon, forutsatt at innfallsvinkelen overstiger en viss kritisk vinkel. I dette tilfellet blir den innfallende bølgen fullstendig reflektert, og verdien av refleksjonskoeffisienten overskrider de høyeste verdiene for polerte overflater. Refleksjonsevnen til total intern refleksjon er uavhengig av bølgelengden.

I optikk er dette fenomenet observert for et bredt spekter av elektromagnetisk stråling, inkludert røntgenområdet.

I geometrisk optikk er fenomenet forklart innenfor rammen av Snells lov. Tatt i betraktning at brytningsvinkelen ikke kan overstige 90°, finner vi at ved en innfallsvinkel hvis sinus er større enn forholdet mellom den nedre brytningsindeksen og den større indeksen, må den elektromagnetiske bølgen reflekteres fullstendig inn i det første mediet.

I samsvar med bølgeteorien om fenomenet trenger den elektromagnetiske bølgen fortsatt inn i det andre mediet - den såkalte "ikke-uniforme bølgen" forplanter seg der, som forfaller eksponentielt og ikke bærer energi med seg. Den karakteristiske penetreringsdybden for en inhomogen bølge inn i det andre mediet er av størrelsesorden bølgelengden.

Lover for lysbrytning.

Fra alt som er sagt konkluderer vi:
1 . Ved grensesnittet mellom to medier med forskjellige optiske tettheter, endrer en lysstråle retning når den går fra et medium til et annet.
2. Når en lysstråle passerer inn i et medium med høyere optisk tetthet, er brytningsvinkelen mindre enn innfallsvinkelen; Når en lysstråle går fra et optisk tettere medium til et mindre tett medium, er brytningsvinkelen større enn innfallsvinkelen.
Brytningen av lys er ledsaget av refleksjon, og med en økning i innfallsvinkelen øker lysstyrken til den reflekterte strålen, og den refrakterte strålen svekkes. Dette kan sees ved å utføre forsøket vist på figuren. Følgelig bærer den reflekterte strålen med seg mer lysenergi, jo større innfallsvinkelen er.

La MN- grensesnittet mellom to gjennomsiktige medier, for eksempel luft og vann, JSC- hendelsesstråle, OB- brutt stråle, - innfallsvinkel, - brytningsvinkel, - lysets forplantningshastighet i det første mediet, - lysets forplantningshastighet i det andre mediet.

Lys går i sin natur gjennom forskjellige medier med forskjellige hastigheter. Jo tettere mediet er, desto lavere blir lysets forplantningshastighet i det. Det er etablert et passende mål som både relaterer seg til materialets tetthet og hastigheten på lysets forplantning i det materialet. Dette målet ble kalt brytningsindeksen. For ethvert materiale måles brytningsindeksen i forhold til lysets hastighet i et vakuum (vakuum kalles ofte ledig plass). Følgende formel beskriver dette forholdet.

Jo høyere brytningsindeksen til et materiale er, jo tettere er det. Når en lysstråle går fra et materiale til et annet (med en annen brytningsindeks), vil brytningsvinkelen være forskjellig fra innfallsvinkelen. En lysstråle som trenger inn i et medium med lavere brytningsindeks, vil gå ut i en vinkel som er større enn innfallsvinkelen. En lysstråle som trenger inn i et medium med høy brytningsindeks vil gå ut i en vinkel mindre enn innfallsvinkelen. Dette er vist i fig. 3.5.

Ris. 3.5.a. Stråle som går fra et høyt N 1 medium til et lavt N 2 medium

Ris. 3.5.b. En stråle som går fra et lavt N 1 medium til et høyt N 2 medium

I dette tilfellet er θ 1 innfallsvinkelen, og θ 2 er brytningsvinkelen. Noen typiske brytningsindekser er listet opp nedenfor.

Det er interessant å merke seg at for røntgenstråler er brytningsindeksen til glass alltid mindre enn for luft, så når de går fra luft til glass, avbøyes de bort fra perpendikulæren, og ikke mot perpendikulæren, som lysstråler.