กฎการหักเหของแสง ดัชนีสัมบูรณ์และสัมพัทธ์ (ค่าสัมประสิทธิ์) ของการหักเห การสะท้อนภายในทั้งหมด

กฎการหักเหของแสงก่อตั้งขึ้นโดยสังเกตในศตวรรษที่ 17 เมื่อแสงผ่านจากตัวกลางโปร่งใสหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่ง ทิศทางของแสงจะเปลี่ยนได้ การเปลี่ยนทิศทางของแสงที่ขอบของตัวกลางต่าง ๆ เรียกว่าการหักเหของแสง สัพพัญญูของการหักเหคือการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัตถุ (ตัวอย่าง: ช้อนในน้ำหนึ่งแก้ว) กฎการหักเหของแสง: ที่ขอบเขตของตัวกลางสองตัว ลำแสงที่หักเหจะอยู่ในระนาบของการตกกระทบและรูปแบบ โดยมุมของการหักเหของแสงจะกลับคืนสู่ส่วนต่อประสานปกติที่จุดตกกระทบ: = n 1- ฤดูใบไม้ร่วง 2 ภาพสะท้อน n-refractive index (f. Snelius) - ตัวบ่งชี้สัมพัทธ์ดัชนีหักเหของลำแสงที่ตกกระทบบนตัวกลางจากอวกาศไร้อากาศเรียกว่าดัชนีนั้น ดัชนีหักเหสัมบูรณ์มุมตกกระทบที่ลำแสงหักเหเริ่มเลื่อนไปตามส่วนต่อประสานระหว่างสื่อทั้งสองโดยไม่เปลี่ยนไปใช้สื่อที่มีความหนาแน่นทางแสง - มุมจำกัดของการสะท้อนกลับทั้งหมด การสะท้อนภายในทั้งหมด- การสะท้อนภายในโดยที่มุมตกกระทบเกินมุมวิกฤตที่แน่นอน ในกรณีนี้ คลื่นที่ตกกระทบจะสะท้อนออกมาอย่างสมบูรณ์ และค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนจะเกินค่าสูงสุดสำหรับพื้นผิวที่ขัดมัน ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนสำหรับการสะท้อนภายในทั้งหมดไม่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น ในทางทัศนศาสตร์ ปรากฏการณ์นี้สังเกตได้จากการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในวงกว้าง รวมถึงช่วงรังสีเอกซ์ ในทัศนศาสตร์ทางเรขาคณิต ปรากฏการณ์นี้ได้รับการอธิบายในแง่ของกฎของสเนลล์ เมื่อพิจารณาว่ามุมหักเหต้องไม่เกิน 90° เราพบว่าที่มุมตกกระทบซึ่งไซน์มากกว่าอัตราส่วนของดัชนีการหักเหของแสงที่น้อยกว่าต่อค่าที่ใหญ่กว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าควรจะสะท้อนไปยังตัวกลางตัวแรกอย่างสมบูรณ์ ตัวอย่าง: ประกายเจิดจ้าของคริสตัลธรรมชาติหลายชนิด และโดยเฉพาะอย่างยิ่งหินมีค่าและกึ่งสังเคราะห์ที่มีการเจียระไนเหลี่ยมเพชรพลอย อธิบายได้จากการสะท้อนภายในทั้งหมด ซึ่งเป็นผลมาจากการที่รังสีแต่ละดวงที่เข้าสู่คริสตัลก่อให้เกิดลำแสงที่ค่อนข้างสว่างจำนวนมากที่ออกมา โดยมีสีดังนี้ ผลจากการกระจายตัว

เพื่อบรรยาย№24

"วิธีการวิเคราะห์เครื่องมือ"

การหักเหของแสง

วรรณกรรม:

1. วี.ดี. Ponomarev "เคมีวิเคราะห์" 2526 246-251

2. อ. Ishchenko "เคมีวิเคราะห์" 2547 หน้า 181-184

การหักเหของแสง

การวัดการหักเหของแสงเป็นวิธีการวิเคราะห์ทางกายภาพที่ง่ายที่สุดวิธีหนึ่ง โดยต้องใช้ปริมาณสารที่วิเคราะห์น้อยที่สุดและดำเนินการในเวลาอันสั้น

การหักเหของแสง- วิธีการขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของการหักเหหรือการหักเหเช่น เปลี่ยนทิศทางของการแพร่กระจายของแสงเมื่อผ่านจากสื่อหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่ง

การหักเหและการดูดกลืนแสงเป็นผลมาจากการมีปฏิสัมพันธ์กับตัวกลาง คำว่า refractometry หมายถึง การวัด การหักเหของแสงซึ่งประเมินโดยค่าของดัชนีการหักเหของแสง

ค่าดัชนีการหักเหของแสง นพึ่งพา

1) องค์ประกอบของสารและระบบ

2) จาก ที่ความเข้มข้นเท่าใด และโมเลกุลใดที่ลำแสงมาบรรจบระหว่างทาง เพราะ ภายใต้การกระทำของแสง โมเลกุลของสารต่างๆ จะถูกโพลาไรซ์ในรูปแบบต่างๆ ขึ้นอยู่กับการพึ่งพาอาศัยกันนี้ว่าใช้วิธีหักเหของแสง

วิธีนี้มีข้อดีหลายประการซึ่งเป็นผลมาจากการนำไปใช้อย่างกว้างขวางทั้งในการวิจัยทางเคมีและในการควบคุมกระบวนการทางเทคโนโลยี

1) การวัดดัชนีการหักเหของแสงเป็นกระบวนการง่ายๆ ที่ดำเนินการอย่างถูกต้องและใช้เวลาและปริมาณสารน้อยที่สุด

2) โดยทั่วไปแล้ว เครื่องวัดการหักเหของแสงจะให้ความแม่นยำสูงถึง 10% ในการกำหนดดัชนีการหักเหของแสงและเนื้อหาของสารที่วิเคราะห์

วิธีการวัดการหักเหของแสงใช้ในการควบคุมความถูกต้องและความบริสุทธิ์ เพื่อระบุสารแต่ละชนิด เพื่อกำหนดโครงสร้างของสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์ในการศึกษาสารละลาย การวัดการหักเหของแสงใช้เพื่อกำหนดองค์ประกอบของสารละลายสององค์ประกอบและระบบที่ประกอบไปด้วยสามส่วน

พื้นฐานทางกายภาพของวิธีการ

ตัวบ่งชี้การหักเหของแสง

ความเบี่ยงเบนของลำแสงจากทิศทางเดิมเมื่อผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางยิ่งมากเท่าใด ความแตกต่างของความเร็วของการแพร่กระจายแสงในสองส่วนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

สภาพแวดล้อมเหล่านี้

พิจารณาการหักเหของลำแสงที่ขอบของสื่อโปร่งใสสองชนิด I และ II (ดูภาพประกอบ) เรายอมรับว่าตัวกลาง II มีพลังการหักเหของแสงมากกว่า ดังนั้น น 1และ n 2- แสดงการหักเหของสื่อที่เกี่ยวข้อง ถ้าตัวกลาง I ไม่ใช่ทั้งสุญญากาศหรืออากาศ ดังนั้นอัตราส่วน sin ของมุมตกกระทบของลำแสงต่อ sin ของมุมหักเหจะให้ค่าของดัชนีหักเหสัมพัทธ์ n rel ค่าของ n rel นอกจากนี้ยังสามารถกำหนดเป็นอัตราส่วนของดัชนีหักเหของสื่อที่พิจารณาได้

n ญาติ = ----- = ---

ค่าของดัชนีการหักเหของแสงขึ้นอยู่กับ

1) ธรรมชาติของสาร

ลักษณะของสารในกรณีนี้ถูกกำหนดโดยระดับของความสามารถในการเปลี่ยนรูปของโมเลกุลภายใต้การกระทำของแสง - ระดับของความสามารถในการเกิดขั้ว ยิ่งโพลาไรเซชันมีความเข้มมากเท่าใด การหักเหของแสงก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

2)ความยาวคลื่นแสงที่ตกกระทบ

การวัดดัชนีการหักเหของแสงดำเนินการที่ความยาวคลื่นแสง 589.3 นาโนเมตร (เส้น D ของสเปกตรัมโซเดียม)

การพึ่งพาอาศัยกันของดัชนีการหักเหของแสงกับความยาวคลื่นของแสงเรียกว่า การกระจายแสง ยิ่งความยาวคลื่นสั้นลงเท่าใด การหักเหของแสงก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น. ดังนั้นรังสีที่มีความยาวคลื่นต่างกันจึงหักเหต่างกัน

3)อุณหภูมิ ที่ทำการวัด ข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการกำหนดดัชนีการหักเหของแสงคือการปฏิบัติตามระบอบอุณหภูมิ โดยปกติแล้ว การวัดจะดำเนินการที่ 20±0.3 0 С

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ดัชนีการหักเหของแสงจะลดลง และเมื่ออุณหภูมิลดลง ดัชนีการหักเหของแสงก็จะเพิ่มขึ้น.

การแก้ไขอุณหภูมิคำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:

n t \u003d n 20 + (20-t) 0.0002 โดยที่

n t -ลาก่อน ดัชนีการหักเหของแสง ณ อุณหภูมิที่กำหนด

n 20 - ดัชนีการหักเหของแสงที่ 20 0 С

อิทธิพลของอุณหภูมิต่อค่าดัชนีการหักเหของแสงของก๊าซและของเหลวมีความสัมพันธ์กับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาตร ปริมาตรของก๊าซและของเหลวทั้งหมดเพิ่มขึ้นเมื่อได้รับความร้อน ความหนาแน่นลดลง และส่งผลให้ตัวบ่งชี้ลดลง

ดัชนีการหักเหของแสง วัดที่ 20 0 C และความยาวคลื่นแสง 589.3 นาโนเมตร แสดงโดยดัชนี n D 20

การพึ่งพาอาศัยกันของดัชนีการหักเหของแสงของระบบสององค์ประกอบที่เป็นเนื้อเดียวกันในสถานะนั้นถูกสร้างขึ้นจากการทดลองโดยการกำหนดดัชนีการหักเหของแสงสำหรับระบบมาตรฐานจำนวนหนึ่ง (เช่น สารละลาย) เนื้อหาของส่วนประกอบที่ทราบ

4) ความเข้มข้นของสารในสารละลาย

สำหรับสารละลายที่เป็นน้ำหลายชนิด ดัชนีการหักเหของแสงที่ความเข้มข้นและอุณหภูมิต่างๆ ได้รับการวัดอย่างน่าเชื่อถือ และในกรณีเหล่านี้สามารถใช้ข้อมูลอ้างอิงได้ ตารางการหักเหของแสง. การปฏิบัติแสดงให้เห็นว่าเมื่อเนื้อหาของสารที่ละลายไม่เกิน 10-20% พร้อมกับวิธีการแบบกราฟิกในหลาย ๆ กรณีคุณสามารถใช้ สมการเชิงเส้นเช่น:

n=n o +FC,

n-ดัชนีหักเหของสารละลาย

ไม่คือดัชนีหักเหของตัวทำละลายบริสุทธิ์

ค- ความเข้มข้นของสารที่ละลาย%

ฉ- ค่าสัมประสิทธิ์เชิงประจักษ์ซึ่งเป็นค่าที่พบ

โดยการหาค่าดัชนีการหักเหของสารละลายที่ทราบความเข้มข้น

เครื่องวัดการหักเหของแสง

เครื่องวัดการหักเหของแสงเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดดัชนีการหักเหของแสง เครื่องมือเหล่านี้มี 2 ประเภท: เครื่องวัดการหักเหของแสงแบบ Abbe และแบบ Pulfrich ทั้งในส่วนนั้นและส่วนอื่นๆ การวัดจะขึ้นอยู่กับการกำหนดขนาดของมุมจำกัดของการหักเห ในทางปฏิบัติจะใช้เครื่องวัดการหักเหของแสงของระบบต่างๆ: ห้องปฏิบัติการ -RL, RLU สากล ฯลฯ

ดัชนีหักเหของน้ำกลั่น n 0 \u003d 1.33299 ในทางปฏิบัติตัวบ่งชี้นี้ใช้อ้างอิงเป็น n 0 =1,333.

หลักการของการทำงานของเครื่องวัดการหักเหของแสงขึ้นอยู่กับการกำหนดดัชนีการหักเหของแสงโดยวิธีมุมจำกัด (มุมของการสะท้อนแสงทั้งหมด)

เครื่องวัดการหักเหของแสงแบบมือ

เครื่องวัดการหักเหของแสง

กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับแสงเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของฟิสิกส์และอยู่รอบตัวเราทุกที่ในชีวิตประจำวันของเรา สิ่งที่สำคัญที่สุดในสถานการณ์นี้คือกฎของการสะท้อนและการหักเหของแสงซึ่งใช้เลนส์ที่ทันสมัย การหักเหของแสงเป็นส่วนสำคัญของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่

ผลการบิดเบือน

บทความนี้จะบอกคุณว่าปรากฏการณ์การหักเหของแสงคืออะไร รวมถึงกฎการหักเหของแสงเป็นอย่างไร และผลที่ตามมาคืออะไร

พื้นฐานของปรากฏการณ์ทางกายภาพ

เมื่อลำแสงตกลงบนพื้นผิวที่คั่นด้วยสารโปร่งใส 2 ชนิดที่มีความหนาแน่นทางแสงต่างกัน (เช่น แก้วน้ำหรือในน้ำ) รังสีบางส่วนจะสะท้อนกลับ และบางส่วนจะทะลุผ่านไปยังโครงสร้างที่สอง (เช่น จะแพร่พันธุ์ในน้ำหรือแก้ว). เมื่อผ่านจากสื่อหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่ง ลำแสงจะเปลี่ยนทิศทาง นี่คือปรากฏการณ์ของการหักเหของแสง
การสะท้อนและการหักเหของแสงสามารถมองเห็นได้ดีโดยเฉพาะในน้ำ

เอฟเฟกต์การบิดเบือนน้ำ

มองสิ่งของในน้ำก็ดูบิดเบี้ยว โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เส้นขอบระหว่างอากาศและน้ำ ดูเหมือนว่าวัตถุใต้น้ำจะเบี่ยงเบนเล็กน้อย ปรากฏการณ์ทางกายภาพที่อธิบายไว้เป็นเหตุผลว่าทำไมวัตถุทั้งหมดดูเหมือนบิดเบี้ยวในน้ำ เมื่อรังสีกระทบกระจก ผลกระทบนี้จะสังเกตเห็นได้น้อยลง
การหักเหของแสงเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือการเปลี่ยนแปลงทิศทางของลำแสงสุริยะในช่วงเวลาที่เคลื่อนที่จากสื่อ (โครงสร้าง) หนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่ง
เพื่อปรับปรุงความเข้าใจในกระบวนการนี้ ลองพิจารณาตัวอย่างลำแสงที่ตกลงมาจากอากาศสู่น้ำ (คล้ายกับแก้ว) โดยการวาดเส้นตั้งฉากตามส่วนต่อประสาน จะสามารถวัดมุมหักเหและการย้อนกลับของลำแสงได้ ตัวบ่งชี้นี้ (มุมหักเห) จะเปลี่ยนไปเมื่อการไหลซึมเข้าไปในน้ำ (ภายในแก้ว)
บันทึก! พารามิเตอร์นี้เป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นมุมที่ตั้งฉากกับการแยกสารสองชนิดเมื่อลำแสงทะลุผ่านจากโครงสร้างแรกไปยังโครงสร้างที่สอง

ทางลำแสง

ตัวบ่งชี้เดียวกันนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับสภาพแวดล้อมอื่นๆ เป็นที่ยอมรับว่าตัวบ่งชี้นี้ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของสาร หากลำแสงตกกระทบจากโครงสร้างที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าไปยังโครงสร้างที่หนาแน่นกว่า มุมของการบิดเบี้ยวที่เกิดขึ้นจะมีขนาดใหญ่ขึ้น และถ้าในทางกลับกันก็น้อยลง
ในเวลาเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงของความชันของการตกจะส่งผลต่อตัวบ่งชี้นี้ด้วย แต่ความสัมพันธ์ระหว่างพวกเขาไม่คงที่ ในเวลาเดียวกันอัตราส่วนของไซน์จะยังคงที่ซึ่งแสดงโดยสูตรต่อไปนี้: sinα / sinγ = n โดยที่:

• n คือค่าคงที่ที่อธิบายไว้สำหรับสารเฉพาะแต่ละชนิด (อากาศ แก้ว น้ำ ฯลฯ) ดังนั้นค่านี้จะถูกกำหนดจากตารางพิเศษ
• α คือมุมตกกระทบ
• γ คือมุมหักเห

เพื่อกำหนดปรากฏการณ์ทางกายภาพนี้ กฎการหักเหของแสงถูกสร้างขึ้น

กฎทางกายภาพ

กฎการหักเหของแสงช่วยให้คุณสามารถกำหนดลักษณะของสารโปร่งใสได้ กฎหมายประกอบด้วยสองบทบัญญัติ:

• ส่วนแรก. ลำแสง (เหตุการณ์, การเปลี่ยนแปลง) และแนวตั้งฉากซึ่งได้รับการบูรณะ ณ จุดเกิดเหตุที่ขอบเขต เช่น อากาศและน้ำ (แก้ว ฯลฯ) จะอยู่ในระนาบเดียวกัน
• ส่วนที่สอง ตัวบ่งชี้อัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมเดียวกันที่เกิดขึ้นเมื่อข้ามขอบเขตจะเป็นค่าคงที่

คำอธิบายของกฎหมาย

ในกรณีนี้ ในขณะที่ลำแสงออกจากโครงสร้างที่สองไปยังโครงสร้างแรก (เช่น เมื่อฟลักซ์ของแสงผ่านจากอากาศ ผ่านกระจก และกลับขึ้นไปในอากาศ) เอฟเฟกต์การบิดเบือนก็จะเกิดขึ้นเช่นกัน

พารามิเตอร์ที่สำคัญสำหรับวัตถุต่างๆ

ตัวบ่งชี้หลักในสถานการณ์นี้คืออัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบกับพารามิเตอร์ที่คล้ายกัน แต่สำหรับการบิดเบือน ตามกฎหมายที่อธิบายไว้ข้างต้น ตัวบ่งชี้นี้เป็นค่าคงที่
ในเวลาเดียวกัน เมื่อค่าความชันของการตกเปลี่ยนแปลง สถานการณ์เดียวกันจะเป็นเรื่องปกติสำหรับตัวบ่งชี้ที่คล้ายกัน พารามิเตอร์นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากเป็นลักษณะสำคัญของสารโปร่งใส

ตัวบ่งชี้สำหรับวัตถุต่างๆ

ด้วยพารามิเตอร์นี้คุณสามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่างประเภทของแก้วและอัญมณีต่างๆได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังมีความสำคัญต่อการกำหนดความเร็วของแสงในตัวกลางต่างๆ

บันทึก! ความเร็วสูงสุดของฟลักซ์แสงอยู่ในสุญญากาศ

เมื่อเคลื่อนที่จากสารหนึ่งไปยังอีกสารหนึ่งความเร็วจะลดลง ตัวอย่างเช่น เพชรซึ่งมีดัชนีการหักเหของแสงสูงสุดจะมีความเร็วในการแพร่กระจายของโฟตอนเร็วกว่าอากาศ 2.42 เท่า ในน้ำจะแพร่กระจายช้าลง 1.33 เท่า สำหรับแก้วประเภทต่างๆ พารามิเตอร์นี้มีตั้งแต่ 1.4 ถึง 2.2

บันทึก! แว่นตาบางอันมีค่าดัชนีการหักเหของแสงที่ 2.2 ซึ่งใกล้เคียงกับเพชรมาก (2.4) ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้เสมอที่จะแยกความแตกต่างของแก้วออกจากเพชรแท้

ความหนาแน่นเชิงแสงของสาร

แสงสามารถทะลุผ่านสารต่าง ๆ ซึ่งมีความหนาแน่นของแสงต่างกัน ดังที่เรากล่าวไว้ก่อนหน้านี้โดยใช้กฎหมายนี้ คุณสามารถกำหนดลักษณะของความหนาแน่นของตัวกลาง (โครงสร้าง) ยิ่งมีความหนาแน่นมากเท่าใด ความเร็วของแสงก็จะยิ่งแพร่กระจายช้าลงเท่านั้น ตัวอย่างเช่น แก้วหรือน้ำจะมีความหนาแน่นทางสายตามากกว่าอากาศ
นอกจากข้อเท็จจริงที่ว่าพารามิเตอร์นี้เป็นค่าคงที่แล้ว ยังสะท้อนถึงอัตราส่วนของความเร็วแสงในสารสองชนิดด้วย ความหมายทางกายภาพสามารถแสดงเป็นสูตรต่อไปนี้:

ตัวบ่งชี้นี้บอกว่าความเร็วของการแพร่กระจายของโฟตอนเปลี่ยนไปอย่างไรเมื่อผ่านจากสารหนึ่งไปยังอีกสารหนึ่ง

อีกหนึ่งตัวบ่งชี้ที่สำคัญ

เมื่อเคลื่อนฟลักซ์ของแสงผ่านวัตถุโปร่งใส โพลาไรเซชันของมันจะเป็นไปได้ สังเกตได้จากการไหลของแสงจากสื่ออิเล็กทริกไอโซโทรปิก โพลาไรเซชันเกิดขึ้นเมื่อโฟตอนผ่านกระจก

ผลโพลาไรซ์

โพลาไรเซชันบางส่วนเกิดขึ้นเมื่อมุมตกกระทบของฟลักซ์แสงที่ขอบเขตของไดอิเล็กตริกสองตัวแตกต่างจากศูนย์ ระดับของโพลาไรเซชันขึ้นอยู่กับมุมตกกระทบ (กฎของบรูว์สเตอร์)

การสะท้อนภายในแบบเต็ม

สรุปการพูดนอกเรื่องสั้น ๆ ของเรา ยังคงจำเป็นต้องพิจารณาผลกระทบเช่นการสะท้อนภายในที่เต็มเปี่ยม

ปรากฏการณ์การแสดงผลเต็มรูปแบบ

เพื่อให้เอฟเฟกต์นี้ปรากฏขึ้นจำเป็นต้องเพิ่มมุมตกกระทบของฟลักซ์แสงในขณะที่เปลี่ยนจากตัวกลางที่หนาแน่นไปเป็นตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าที่ส่วนต่อประสานระหว่างสาร ในสถานการณ์ที่พารามิเตอร์นี้เกินค่าจำกัด โฟตอนที่เกิดขึ้นบนขอบเขตของส่วนนี้จะสะท้อนให้เห็นอย่างสมบูรณ์ อันที่จริงนี่จะเป็นปรากฏการณ์ที่เราต้องการ หากไม่มีสิ่งนี้ ก็ไม่สามารถสร้างไฟเบอร์ออปติกได้

บทสรุป

การประยุกต์ใช้คุณสมบัติพฤติกรรมของฟลักซ์แสงในทางปฏิบัติทำให้เกิดอุปกรณ์ทางเทคนิคที่หลากหลายเพื่อปรับปรุงชีวิตของเรา ในขณะเดียวกัน แสงยังไม่ได้เปิดโอกาสทั้งหมดให้กับมนุษย์ และศักยภาพที่ใช้งานได้จริงของมันยังไม่ได้รับการตระหนักอย่างเต็มที่

วิธีทำโคมไฟกระดาษด้วยมือของคุณเอง วิธีตรวจสอบประสิทธิภาพของแถบ LED

การหักเหของแสง- ปรากฏการณ์ที่ลำแสงผ่านจากสื่อหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่ง เปลี่ยนทิศทางที่ขอบเขตของสื่อเหล่านี้

การหักเหของแสงเกิดขึ้นตามกฎต่อไปนี้:
รังสีตกกระทบและรังสีหักเหและเส้นตั้งฉากที่ลากไปยังส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางสองตัวที่จุดตกกระทบของลำแสงจะอยู่ในระนาบเดียวกัน อัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมหักเหเป็นค่าคงที่สำหรับสื่อสองตัว:
,
ที่ไหน α - มุมตกกระทบ
β - มุมหักเห
น - ค่าคงที่โดยไม่ขึ้นกับมุมตกกระทบ

เมื่อมุมตกกระทบเปลี่ยน มุมหักเหก็เปลี่ยนด้วย ยิ่งมุมตกกระทบมากเท่าใดมุมหักเหก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
หากแสงเปลี่ยนจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าทางสายตาไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า มุมหักเหจะน้อยกว่ามุมตกกระทบเสมอ: β < α.
ลำแสงที่ตั้งฉากกับส่วนต่อประสานระหว่างสื่อสองสื่อผ่านจากสื่อหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่ง โดยไม่แตกหัก

ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ของสาร- ค่าเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วเฟสของแสง (คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ในสุญญากาศและในตัวกลางที่กำหนด n=c/v
ค่า n ที่รวมอยู่ในกฎการหักเหของแสงเรียกว่าดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์สำหรับสื่อหนึ่งคู่

ค่า n คือดัชนีหักเหสัมพัทธ์ของตัวกลาง B เทียบกับตัวกลาง A และ n" = 1/n คือดัชนีหักเหสัมพัทธ์ของตัวกลาง A เทียบกับตัวกลาง B
ค่านี้ ceteris paribus มีค่ามากกว่าเอกภาพเมื่อลำแสงผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า และน้อยกว่าความเป็นเอกภาพเมื่อลำแสงผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า (เช่น จากก๊าซหรือจาก ดูดให้เป็นของเหลวหรือของแข็ง) มีข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องปกติที่จะเรียกสื่อที่มีความหนาแน่นมากกว่าหรือน้อยกว่าแบบออปติก
ลำแสงที่ตกลงมาจากอวกาศไร้อากาศสู่พื้นผิวของตัวกลาง B บางชนิดจะหักเหรุนแรงกว่าเมื่อตกกระทบจากตัวกลาง A อื่น ดัชนีการหักเหของแสงที่ตกกระทบบนตัวกลางจากอวกาศไร้อากาศเรียกว่าดัชนีหักเหสัมบูรณ์

(สัมบูรณ์ - สัมพันธ์กับสุญญากาศ
สัมพัทธ์ - สัมพันธ์กับสารอื่นใด (เช่น อากาศเดียวกัน)
ดัชนีสัมพัทธ์ของสารสองชนิดคืออัตราส่วนของดัชนีสัมบูรณ์ของสารทั้งสอง)

การสะท้อนภายในทั้งหมด- การสะท้อนภายในโดยที่มุมตกกระทบเกินมุมวิกฤตที่แน่นอน ในกรณีนี้ คลื่นที่ตกกระทบจะสะท้อนออกมาอย่างสมบูรณ์ และค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนจะเกินค่าสูงสุดสำหรับพื้นผิวที่ขัดเงา ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนสำหรับการสะท้อนภายในทั้งหมดไม่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น

ในทางทัศนศาสตร์ ปรากฏการณ์นี้สังเกตได้จากการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในวงกว้าง รวมถึงช่วงรังสีเอกซ์

ในทัศนศาสตร์ทางเรขาคณิต ปรากฏการณ์นี้ได้รับการอธิบายในแง่ของกฎของสเนลล์ เมื่อพิจารณาว่ามุมหักเหต้องไม่เกิน 90° เราพบว่าที่มุมตกกระทบซึ่งไซน์มากกว่าอัตราส่วนของดัชนีการหักเหของแสงที่เล็กกว่าต่อดัชนีที่ใหญ่กว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าควรจะสะท้อนไปยังตัวกลางแรกอย่างสมบูรณ์

ตามทฤษฎีคลื่นของปรากฏการณ์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ายังคงแทรกซึมเข้าไปในตัวกลางที่สองซึ่งเรียกว่า "คลื่นที่ไม่สม่ำเสมอ" ซึ่งแพร่กระจายไปที่นั่นซึ่งจะสลายตัวแบบทวีคูณและไม่นำพาพลังงานไปด้วย ลักษณะเฉพาะของความลึกของการซึมผ่านของคลื่นที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันในตัวกลางที่สองนั้นเป็นไปตามลำดับของความยาวคลื่น

กฎการหักเหของแสง.

จากที่กล่าวมาทั้งหมด สรุปได้ว่า
1 . ที่ส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางสองตัวที่มีความหนาแน่นของแสงต่างกัน ลำแสงจะเปลี่ยนทิศทางเมื่อผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง
2. เมื่อลำแสงผ่านเข้าไปในตัวกลางที่มีความหนาแน่นของแสงสูงกว่า มุมหักเหจะน้อยกว่ามุมตกกระทบ เมื่อลำแสงผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นทางแสงไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า มุมหักเหจะมากกว่ามุมตกกระทบ
การหักเหของแสงมาพร้อมกับการสะท้อนและเมื่อมุมตกกระทบเพิ่มขึ้นความสว่างของลำแสงที่สะท้อนจะเพิ่มขึ้นในขณะที่ลำแสงที่หักเหจะอ่อนลง สามารถดูได้จากการทำการทดลองที่แสดงในรูป ดังนั้นลำแสงที่สะท้อนกลับจะนำพาพลังงานแสงที่มากขึ้น มุมตกกระทบก็จะยิ่งมากขึ้น

อนุญาต มิน- ส่วนต่อประสานระหว่างสื่อโปร่งใส 2 ชนิด เช่น อากาศและน้ำ จส- ลำแสงตก อฟ- ลำแสงหักเห - มุมตกกระทบ - มุมหักเห - ความเร็วของการแพร่กระจายของแสงในตัวกลางที่หนึ่ง - ความเร็วของการแพร่กระจายของแสงในตัวกลางที่สอง

โดยธรรมชาติแล้วแสงจะแพร่กระจายในตัวกลางต่างๆ กันด้วยความเร็วที่ต่างกัน ยิ่งตัวกลางมีความหนาแน่นมากเท่าใด ความเร็วของการแพร่กระจายของแสงก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น มีการกำหนดมาตรการที่เหมาะสมเกี่ยวกับทั้งความหนาแน่นของวัสดุและความเร็วของการแพร่กระจายของแสงในวัสดุนั้น การวัดนี้เรียกว่าดัชนีหักเห สำหรับวัสดุใด ๆ ดัชนีการหักเหของแสงจะถูกวัดโดยสัมพันธ์กับความเร็วของแสงในสุญญากาศ (สุญญากาศมักเรียกว่าพื้นที่ว่าง) สูตรต่อไปนี้อธิบายถึงความสัมพันธ์นี้

ยิ่งดัชนีการหักเหของแสงของวัสดุสูงเท่าใดก็ยิ่งมีความหนาแน่นมากขึ้นเท่านั้น เมื่อลำแสงผ่านจากวัสดุหนึ่งไปยังอีกวัสดุหนึ่ง (โดยมีดัชนีการหักเหของแสงต่างกัน) มุมหักเหจะแตกต่างจากมุมตกกระทบ ลำแสงที่ทะลุผ่านตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่าจะออกในมุมที่มากกว่ามุมตกกระทบ ลำแสงที่ทะลุผ่านตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงจะออกในมุมที่เล็กกว่ามุมตกกระทบ สิ่งนี้แสดงในรูป 3.5.

ข้าว. 3.5.ก. ลำแสงที่ผ่านจากตัวกลางที่มี N 1 สูงไปยังตัวกลางที่มี N 2 ต่ำ

ข้าว. 3.5.b. ลำแสงที่ผ่านจากตัวกลางที่มี N 1 ต่ำไปยังตัวกลางที่มี N 2 สูง

ในกรณีนี้ θ 1 คือมุมตกกระทบ และ θ 2 คือมุมหักเห ดัชนีการหักเหของแสงโดยทั่วไปมีดังต่อไปนี้

เป็นที่น่าสังเกตว่าสำหรับรังสีเอกซ์ดัชนีการหักเหของแสงของแก้วจะน้อยกว่าอากาศเสมอ ดังนั้นเมื่อผ่านจากอากาศเข้าไปในแก้ว พวกมันเบี่ยงเบนไปจากแนวตั้งฉาก ไม่ใช่ไปทางแนวตั้งฉากเหมือนรังสีแสง