Bài 25 / III-1 Sự lan truyền của ánh sáng trong các phương tiện truyền thông khác nhau. Sự khúc xạ ánh sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường.

Học tài liệu mới.

Cho đến nay, chúng ta vẫn coi sự truyền ánh sáng trong một môi trường, như thường lệ - trong không khí. Ánh sáng có thể lan truyền trên nhiều phương tiện khác nhau: di chuyển từ phương tiện này sang phương tiện khác; tại các điểm tới, các tia không chỉ bị phản xạ từ bề mặt, mà còn một phần đi qua nó. Sự chuyển đổi như vậy gây ra nhiều hiện tượng đẹp và thú vị.

Sự thay đổi hướng truyền của ánh sáng đi qua ranh giới của hai môi trường được gọi là khúc xạ ánh sáng.

Một phần của chùm tia sáng tới trên mặt phân cách giữa hai phương tiện trong suốt bị phản xạ, và một phần đi vào phương tiện khác. Trong trường hợp này, hướng của chùm sáng truyền vào môi trường khác sẽ thay đổi. Do đó, hiện tượng được gọi là khúc xạ, và chùm tia được gọi là khúc xạ.

1 - chùm tia tới

2 - chùm phản xạ

3 - chùm khúc xạ α β

OO 1 - ranh giới giữa hai phương tiện

MN - vuông góc O O 1

Góc tạo bởi chùm tia và vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường, hạ thấp tới điểm tới của chùm tia, được gọi là góc khúc xạ γ (gamma).

Ánh sáng trong chân không truyền đi với vận tốc 300.000 km / s. Trong bất kỳ môi trường nào, tốc độ ánh sáng luôn nhỏ hơn trong chân không. Do đó, khi ánh sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác, tốc độ của nó giảm và đây là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường nhất định càng thấp thì mật độ quang của môi trường này càng lớn. Ví dụ, không khí có mật độ quang học cao hơn chân không, bởi vì tốc độ ánh sáng trong không khí có phần nhỏ hơn trong chân không. Mật độ quang của nước lớn hơn mật độ quang của không khí, vì tốc độ ánh sáng trong không khí lớn hơn trong nước.

Mật độ quang học của hai phương tiện càng khác nhau, thì càng có nhiều ánh sáng bị khúc xạ tại mặt phân cách của chúng. Tốc độ ánh sáng càng thay đổi tại mặt phân cách giữa hai phương tiện thì nó càng bị khúc xạ.

Đối với mỗi chất trong suốt, có một đặc tính vật lý quan trọng là chiết suất của ánh sáng N. Nó cho biết tốc độ ánh sáng trong một chất nhất định nhỏ hơn trong chân không bao nhiêu lần.

Chỉ số khúc xạ

Chất		Chất		Chất
		muối mỏ		Nhựa thông
		Dầu tuyết tùng		Ethanol
Glycerol		Plexiglass		Kính (ánh sáng)
		carbon disulfide

Tỉ số giữa góc tới và góc khúc xạ phụ thuộc vào mật độ quang của từng môi trường. Nếu một chùm ánh sáng truyền từ môi trường có mật độ quang thấp hơn sang môi trường có mật độ quang lớn hơn thì góc khúc xạ sẽ nhỏ hơn góc tới. Nếu một chùm ánh sáng truyền từ môi trường có mật độ quang học lớn hơn thì góc khúc xạ sẽ nhỏ hơn góc tới. Nếu một chùm tia sáng truyền từ môi trường có mật độ quang lớn hơn sang môi trường có mật độ quang nhỏ hơn thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới.

Tức là, nếu n 1 ; nếu n 1> n 2, thì α<γ.

Định luật khúc xạ ánh sáng :

Chùm tia tới, chùm khúc xạ và phương vuông góc với mặt phân cách giữa hai phương tiện tại điểm tới của chùm nằm trong cùng một mặt phẳng.

Tỉ số giữa góc tới và góc khúc xạ được xác định theo công thức.

trong đó là sin của góc tới, là sin của góc khúc xạ.

Giá trị của sin và tiếp tuyến đối với góc 0 - 900

độ			độ			độ

Định luật khúc xạ ánh sáng lần đầu tiên được nhà thiên văn học và toán học người Hà Lan W. Snelius đưa ra vào khoảng năm 1626, giáo sư tại Đại học Leiden (1613).

Vào thế kỷ 16, quang học là một ngành khoa học cực kỳ hiện đại. Từ một quả cầu thủy tinh chứa đầy nước, được dùng làm thấu kính, kính lúp đã hình thành. Và từ đó họ đã phát minh ra kính gián điệp và kính hiển vi. Vào thời điểm đó, Hà Lan cần kính viễn vọng để quan sát bờ biển và thoát khỏi kẻ thù một cách kịp thời. Chính quang học đã đảm bảo sự thành công và độ tin cậy của việc điều hướng. Vì vậy, ở Hà Lan, rất nhiều nhà khoa học đã quan tâm đến quang học. Người Hà Lan Skel Van Royen (Snelius) đã quan sát cách một chùm ánh sáng mỏng được phản chiếu trong gương. Ông đo góc tới và góc phản xạ thì thấy rằng góc phản xạ bằng góc tới. Ông cũng sở hữu quy luật phản xạ ánh sáng. Ông đã suy ra định luật khúc xạ ánh sáng.

Xét định luật khúc xạ ánh sáng.

Trong đó - chiết suất tương đối của môi trường thứ hai so với môi trường thứ nhất, trong trường hợp môi trường thứ hai có mật độ quang học cao. Nếu ánh sáng bị khúc xạ và đi qua môi trường có mật độ quang nhỏ hơn thì α< γ, тогда

Nếu môi trường thứ nhất là chân không thì n 1 = 1 thì.

Chỉ số này được gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường thứ hai:

đâu là tốc độ ánh sáng trong chân không, tốc độ ánh sáng trong môi trường nhất định.

Hệ quả của sự khúc xạ ánh sáng trong bầu khí quyển của Trái đất là việc chúng ta nhìn thấy Mặt trời và các ngôi sao cao hơn một chút so với vị trí thực của chúng. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng có thể giải thích sự xuất hiện của mi-ca, cầu vồng ... hiện tượng khúc xạ ánh sáng là cơ sở nguyên lý hoạt động của các dụng cụ quang học số: kính hiển vi, kính thiên văn, máy ảnh.

Trong giờ học vật lý lớp 8 các em đã được làm quen với hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Bây giờ bạn biết rằng ánh sáng là sóng điện từ của một dải tần số nhất định. Dựa trên kiến ​​thức về bản chất của ánh sáng, bạn sẽ có thể hiểu nguyên nhân vật lý của sự khúc xạ và giải thích nhiều hiện tượng ánh sáng khác liên quan đến nó.

Cơm. 141. Truyền từ môi trường này sang môi trường khác, chùm tia khúc xạ, tức là làm thay đổi hướng truyền

Theo định luật khúc xạ ánh sáng (Hình 141):

• tia tới, tia khúc xạ và vuông góc với mặt phân cách giữa hai phương tiện truyền thông tại điểm tới của chùm tia nằm trong cùng một mặt phẳng; Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một giá trị không đổi đối với hai môi trường này

với n 21 là chiết suất tỉ đối của môi trường thứ hai so với môi trường thứ nhất.

Nếu chùm tia truyền vào môi trường bất kỳ từ chân không, thì

với n là chiết suất tuyệt đối (hay đơn giản là chiết suất) của môi trường thứ hai. Trong trường hợp này, "môi trường" đầu tiên là chân không, chỉ số tuyệt đối của nó được lấy làm một.

Định luật khúc xạ ánh sáng được nhà khoa học người Hà Lan Willebord Snellius phát hiện theo kinh nghiệm vào năm 1621. Định luật này được hình thành trong một chuyên luận về quang học, được tìm thấy trong các bài báo của nhà khoa học sau khi ông qua đời.

Sau khi phát hiện ra Snell, một số nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết rằng sự khúc xạ ánh sáng là do sự thay đổi tốc độ của nó khi nó đi qua ranh giới của hai phương tiện truyền thông. Tính đúng đắn của giả thuyết này đã được xác nhận bởi các chứng minh lý thuyết do nhà toán học Pháp Pierre Fermat (năm 1662) và nhà vật lý người Hà Lan Christian Huygens (năm 1690) thực hiện một cách độc lập. Bằng những con đường khác nhau, họ đã đến cùng một kết quả, chứng tỏ rằng

• Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một giá trị không đổi đối với hai phương tiện này, bằng tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong các phương tiện này:

Từ phương trình (3) ta thấy rằng nếu góc khúc xạ β nhỏ hơn góc tới a, thì ánh sáng có tần số nhất định trong môi trường thứ hai truyền chậm hơn trong môi trường thứ nhất, tức là V 2

Mối quan hệ của các đại lượng trong phương trình (3) được coi là lý do chính đáng cho sự xuất hiện của một công thức khác của định nghĩa chiết suất tỉ đối:

• chiết suất tỉ đối của môi trường thứ hai so với môi trường thứ nhất là một đại lượng vật lý bằng tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong các môi trường này:

n 21 \ u003d v 1 / v 2 (4)

Cho một chùm ánh sáng truyền từ chân không sang môi trường nào đó. Thay v1 trong phương trình (4) bằng tốc độ ánh sáng trong chân không c, và v 2 bằng tốc độ ánh sáng trong môi trường v, ta được phương trình (5), là định nghĩa của chiết suất tuyệt đối:

• chiết suất tuyệt đối của môi trường là đại lượng vật lý bằng tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ ánh sáng trong môi trường nhất định:

Theo các phương trình (4) và (5), n 21 cho biết tốc độ ánh sáng thay đổi bao nhiêu lần khi nó truyền từ môi trường này sang môi trường khác, và n - khi truyền từ chân không sang môi trường khác. Đây là ý nghĩa vật lý của các chỉ số khúc xạ.

Giá trị chiết suất tuyệt đối n của bất kỳ chất nào đều lớn hơn đơn chất (điều này được khẳng định qua số liệu có trong các bảng của sách tham khảo vật lý). Khi đó, theo phương trình (5), c / v> 1 và c> v, tức là tốc độ ánh sáng trong bất kỳ chất nào nhỏ hơn tốc độ ánh sáng trong chân không.

Không đưa ra những biện minh chặt chẽ (chúng phức tạp và rườm rà), chúng tôi lưu ý rằng lý do làm giảm tốc độ ánh sáng trong quá trình chuyển từ chân không sang vật chất là do tương tác của sóng ánh sáng với các nguyên tử và phân tử vật chất. Mật độ quang của chất càng lớn thì tương tác này càng mạnh, tốc độ ánh sáng càng giảm và chiết suất càng lớn. Do đó, tốc độ ánh sáng trong môi trường và chiết suất tuyệt đối được xác định bởi các tính chất của môi trường này.

Theo trị số chiết suất của các chất, người ta có thể so sánh mật độ quang của chúng. Ví dụ, chiết suất của các loại thủy tinh nằm trong khoảng từ 1,470 đến 2,040, trong khi chiết suất của nước là 1,333. Điều này có nghĩa là thủy tinh là một phương tiện quang học đặc hơn nước.

Chúng ta hãy chuyển sang Hình 142, với sự trợ giúp của nó, chúng ta có thể giải thích tại sao ở ranh giới của hai phương tiện truyền thông, với tốc độ thay đổi, hướng truyền của sóng ánh sáng cũng thay đổi.

Cơm. 142. Khi sóng ánh sáng truyền từ không khí vào nước, tốc độ ánh sáng giảm, phía trước sóng và cùng với tốc độ của nó, đổi hướng

Hình bên cho thấy một sóng ánh sáng truyền từ không khí vào nước và tới mặt phân cách giữa các phương tiện truyền thông này một góc a. Trong không khí, ánh sáng truyền với tốc độ v 1 và trong nước với tốc độ chậm hơn v 2.

Điểm A của sóng tới biên trước. Trong một khoảng thời gian Δt, điểm B chuyển động trong không khí với cùng tốc độ v 1 sẽ đến điểm B. "Trong cùng một thời gian, điểm A chuyển động trong nước với vận tốc nhỏ hơn v 2 sẽ đi được quãng đường ngắn hơn , đạt điểm A duy nhất ”. Trong trường hợp này, cái gọi là mặt trước sóng A "B" trong nước sẽ quay theo một góc nhất định so với mặt trước của sóng AB trong không khí. Và vectơ vận tốc (luôn vuông góc với phương truyền sóng và trùng với phương truyền của nó) quay, tiến tới đường thẳng OO ", vuông góc với mặt phân cách giữa các phương tiện truyền thông. Trong trường hợp này, góc khúc xạ β là nhỏ hơn góc tới α. Đây là cách xảy ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

Qua hình vẽ cũng có thể thấy rằng khi truyền sang môi trường khác và quay mặt trước sóng thì bước sóng cũng thay đổi: khi truyền sang môi trường quang học đậm đặc hơn thì tốc độ giảm, bước sóng cũng giảm (λ 2< λ 1). Это согласуется и с известной вам формулой λ = V/v, из которой следует, что при неизменной частоте v (которая не зависит от плотности среды и поэтому не меняется при переходе луча из одной среды в другую) уменьшение скорости распространения волны сопровождается пропорциональным уменьшением длины волны.

Câu hỏi

1. Trong hai chất nào thì chất nào có độ quang học đặc hơn?
2. Chiết suất được xác định như thế nào theo tốc độ ánh sáng trong môi trường?
3. Ánh sáng truyền đi đâu nhanh nhất?
4. Nguyên nhân vật lý nào làm cho tốc độ ánh sáng giảm khi truyền từ chân không vào môi trường hoặc từ môi trường có mật độ quang thấp hơn sang môi trường có mật độ quang lớn hơn?
5. Điều gì xác định (nghĩa là chúng phụ thuộc vào điều gì) chiết suất tuyệt đối của môi trường và tốc độ ánh sáng trong đó?
6. Giải thích những gì Hình 142 minh họa.

Một bài tập

Quang học là một trong những ngành lâu đời nhất của vật lý học. Từ thời Hy Lạp cổ đại, nhiều nhà triết học đã quan tâm đến quy luật chuyển động và truyền của ánh sáng trong các vật liệu trong suốt khác nhau như nước, thủy tinh, kim cương và không khí. Trong bài này đề cập đến hiện tượng khúc xạ ánh sáng, người ta chú ý đến chiết suất của không khí.

Hiệu ứng khúc xạ chùm ánh sáng

Ai trong đời cũng gặp phải hiệu ứng này hàng trăm lần khi nhìn xuống đáy hồ chứa nước hoặc nhìn vào cốc nước có đặt một vật nào đó trong đó. Đồng thời, hồ chứa có vẻ không sâu như thực tế, và các vật thể trong cốc nước trông bị biến dạng hoặc vỡ.

Hiện tượng khúc xạ bao gồm sự đứt gãy trong quỹ đạo thẳng của nó khi nó đi qua mặt phân cách giữa hai vật liệu trong suốt. Tổng hợp một số lượng lớn dữ liệu thực nghiệm, vào đầu thế kỷ 17, người Hà Lan Willebrord Snell đã có được một biểu thức toán học mô tả chính xác hiện tượng này. Biểu thức này được viết dưới dạng sau:

n 1 * sin (θ 1) = n 2 * sin (θ 2) = const.

Ở đây n 1, n 2 là chiết suất tuyệt đối của ánh sáng trong vật liệu tương ứng, θ 1 và θ 2 là góc giữa chùm tia tới và khúc xạ và vuông góc với mặt phẳng phân cách, được vẽ qua giao điểm của chùm tia. và chiếc máy bay này.

Công thức này được gọi là định luật Snell hoặc Snell-Descartes (chính người Pháp đã viết ra nó dưới dạng trình bày, người Hà Lan không sử dụng sines mà sử dụng đơn vị đo độ dài).

Ngoài công thức này, hiện tượng khúc xạ còn được mô tả bởi một định luật khác, đó là bản chất hình học. Nó nằm trong thực tế là dấu vuông góc với mặt phẳng và hai tia (khúc xạ và tới) nằm trong cùng một mặt phẳng.

Chiết suất tuyệt đối

Giá trị này được bao gồm trong công thức Snell và giá trị của nó đóng một vai trò quan trọng. Về mặt toán học, chiết suất n ứng với công thức:

Kí hiệu c là tốc độ của sóng điện từ trong chân không. Nó là khoảng 3 * 10 8 m / s. Giá trị v là tốc độ ánh sáng trong môi trường. Do đó, chiết suất phản ánh lượng ánh sáng chuyển động chậm lại trong môi trường đối với không gian không có không khí.

Hai kết luận quan trọng theo công thức trên:

• giá trị của n luôn lớn hơn 1 (đối với chân không thì bằng một);
• nó là một đại lượng không thứ nguyên.

Ví dụ, chiết suất của không khí là 1.00029, trong khi đối với nước là 1.33.

Chiết suất không phải là một giá trị cố định đối với một môi trường cụ thể. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ. Hơn nữa, đối với mỗi tần số của sóng điện từ, nó có một ý nghĩa riêng. Vì vậy, các số liệu trên tương ứng với nhiệt độ 20 o C và phần màu vàng của quang phổ khả kiến ​​(bước sóng - khoảng 580-590 nm).

Sự phụ thuộc của giá trị n vào tần số ánh sáng được thể hiện trong sự phân hủy ánh sáng trắng bởi lăng kính thành một số màu, cũng như sự hình thành cầu vồng trên bầu trời khi mưa lớn.

Chỉ số khúc xạ của ánh sáng trong không khí

Giá trị của nó (1.00029) đã được đưa ra ở trên. Vì chiết suất của không khí chỉ khác 0 ở chữ số thập phân thứ tư, nên đối với việc giải các bài toán thực tế, nó có thể được coi là bằng một. Một sự khác biệt nhỏ của n đối với không khí so với sự thống nhất chỉ ra rằng ánh sáng thực tế không bị làm chậm lại bởi các phân tử không khí, điều này có liên quan đến mật độ tương đối thấp của nó. Như vậy, khối lượng riêng trung bình của không khí là 1,225 kg / m 3, tức là nó nhẹ hơn 800 lần so với nước ngọt.

Không khí là một môi trường quang học mỏng. Quá trình làm chậm tốc độ ánh sáng trong vật liệu có bản chất lượng tử và gắn liền với hành vi hấp thụ và phát xạ photon của các nguyên tử vật chất.

Những thay đổi trong thành phần của không khí (ví dụ, sự gia tăng hàm lượng hơi nước trong nó) và những thay đổi về nhiệt độ dẫn đến những thay đổi đáng kể trong chiết suất. Một ví dụ nổi bật là hiệu ứng của ảo ảnh trong sa mạc, xảy ra do sự khác biệt về chiết suất của các lớp không khí có nhiệt độ khác nhau.

giao diện kính-không khí

Thủy tinh là một phương tiện đặc hơn nhiều so với không khí. Chỉ số khúc xạ tuyệt đối của nó dao động từ 1,5 đến 1,66, tùy thuộc vào loại thủy tinh. Nếu chúng ta lấy giá trị trung bình là 1,55, thì khúc xạ của chùm tia tại mặt phân cách không khí-thủy tinh có thể được tính theo công thức:

sin (θ 1) / sin (θ 2) \ u003d n 2 / n 1 \ u003d n 21 \ u003d 1,55.

Giá trị n 21 được gọi là chiết suất tỉ đối của không khí - thủy tinh. Nếu chùm tia thoát ra ngoài thủy tinh thì phải sử dụng công thức nào sau đây:

sin (θ 1) / sin (θ 2) \ u003d n 2 / n 1 \ u003d n 21 \ u003d 1 / 1,55 \ u003d 0,645.

Nếu góc của chùm khúc xạ trong trường hợp thứ hai bằng 90 o thì góc tương ứng được gọi là tới hạn. Đối với ranh giới thủy tinh và không khí, nó bằng:

θ 1 \ u003d arcsin (0,645) \ u003d 40,17 o.

Nếu chùm tia rơi trên ranh giới thủy tinh - không khí với góc lớn hơn 40,17 o thì nó sẽ bị phản xạ lại hoàn toàn vào thủy tinh. Hiện tượng này được gọi là "phản xạ toàn phần bên trong".

Góc tới hạn chỉ tồn tại khi chùm tia chuyển động từ môi trường đặc (từ thủy tinh sang không khí, chứ không phải ngược lại).

Các lĩnh vực ứng dụng của phép đo khúc xạ.

Thiết bị và nguyên lý hoạt động của khúc xạ kế IRF-22.

Khái niệm về chiết suất.

Kế hoạch

Đo khúc xạ. Đặc điểm và thực chất của phương pháp.

Để xác định các chất và kiểm tra độ tinh khiết của chúng, sử dụng

khúc xạ.

Chiết suất của một chất- một giá trị bằng tỉ số giữa vận tốc pha của ánh sáng (sóng điện từ) trong chân không và môi trường nhìn thấy.

Chiết suất phụ thuộc vào tính chất của chất và bước sóng

bức xạ điện từ. Tỷ số giữa sin của góc tới so với

pháp tuyến kéo theo mặt phẳng khúc xạ (α) của chùm tia tới sin của góc khúc xạ

khúc xạ (β) trong quá trình chuyển chùm từ môi trường A sang môi trường B được gọi là chiết suất tỉ đối đối với cặp môi trường này.

Giá trị n là chiết suất tỉ đối của môi trường B theo

trong mối quan hệ với môi trường A, và

Chiết suất tỉ đối của môi trường A đối với

Chiết suất của chùm tia tới trên môi trường không có không khí

không gian thứ được gọi là chiết suất tuyệt đối của nó hoặc

chỉ đơn giản là chiết suất của một môi trường nhất định (Bảng 1).

Bảng 1 - Chỉ số khúc xạ của các phương tiện truyền thông khác nhau

Chất lỏng có chiết suất trong khoảng 1,2-1,9. Chất rắn

chất 1.3-4.0. Một số khoáng chất không có giá trị chính xác của chỉ số

để khúc xạ. Giá trị của nó nằm trong một "ngã ba" nhất định và xác định

do sự hiện diện của các tạp chất trong cấu trúc tinh thể, quyết định màu sắc

pha lê.

Việc xác định khoáng chất bằng "màu sắc" rất khó. Vì vậy, khoáng chất corundum tồn tại ở dạng ruby, sapphire, leucosapphire, khác nhau ở

chiết suất và màu sắc. Quả dừa đỏ được gọi là hồng ngọc

(phụ gia crom), xanh lam không màu, xanh lam nhạt, hồng, vàng, xanh lá cây,

màu tím - ngọc bích (tạp chất của coban, titan, v.v.). Màu sáng

ngọc bích nye hoặc corundum không màu được gọi là leucosapphire (rộng rãi

dùng trong quang học như một bộ lọc ánh sáng). Chiết suất của các tinh thể này

gian hàng nằm trong khoảng 1,757-1,778 và là cơ sở để xác định

Hình 3.1 - Hồng ngọc Hình 3.2 - Xanh ngọc bích

Chất lỏng hữu cơ và vô cơ cũng có các giá trị chiết suất đặc trưng cho chúng là chất hóa học

các hợp chất nye và chất lượng tổng hợp chúng (bảng 2):

Bảng 2 - Chỉ số khúc xạ của một số chất lỏng ở 20 ° C

4.2. Đo khúc xạ: khái niệm, nguyên tắc.

Phương pháp nghiên cứu các chất dựa trên việc xác định chất chỉ thị

(hệ số) khúc xạ (khúc xạ) được gọi là phép đo khúc xạ (từ

vĩ độ. khúc xạ - khúc xạ và tiếng Hy Lạp. metreo - tôi đo lường). Đo khúc xạ

(phương pháp đo khúc xạ) được sử dụng để xác định hóa chất

hợp chất, phân tích định lượng và cấu trúc, xác định lý

thông số hóa học của các chất. Nguyên tắc đo khúc xạ được thực hiện

trong máy đo khúc xạ Abbe, được minh họa bằng Hình 1.

Hình 1 - Nguyên lý của phép đo khúc xạ

Khối lăng trụ Abbe gồm hai lăng trụ hình chữ nhật: chiếu sáng

cơ thể và số đo, được gấp lại bởi các mặt cạnh huyền. Đèn chiếu sáng-

lăng kính có mặt cạnh huyền thô (mờ) và được thiết kế

chena để chiếu sáng một mẫu chất lỏng đặt giữa các lăng kính.

Ánh sáng tán xạ đi qua một lớp song song mặt phẳng của chất lỏng được khảo sát và bị khúc xạ trong chất lỏng, rơi vào lăng kính đo. Lăng kính đo được làm bằng thủy tinh dày đặc về mặt quang học (đá lửa nặng) và có chiết suất lớn hơn 1,7. Vì lý do này, khúc xạ kế Abbe đo n giá trị nhỏ hơn 1,7. Chỉ có thể tăng dải đo chiết suất bằng cách thay đổi lăng kính đo.

Mẫu thử được đổ lên mặt cạnh huyền của lăng kính đo và ép vào lăng kính đang chiếu sáng. Trong trường hợp này, một khoảng trống 0,1-0,2 mm vẫn còn giữa các lăng kính nơi đặt mẫu và xuyên qua

mà ánh sáng đi qua khúc xạ. Để đo chỉ số khúc xạ

sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong. Nó bao gồm trong

Kế tiếp.

Nếu tia 1, tia 2, tia 3 rơi vào mặt phân cách giữa hai môi trường thì tùy thuộc vào

góc tới khi quan sát chúng trong môi trường khúc xạ sẽ là

sự hiện diện của sự chuyển đổi các khu vực có ánh sáng khác nhau được quan sát thấy. Nó được kết nối

với phương tới của một phần ánh sáng trên biên khúc xạ một góc xấp xỉ.

kim đến 90 ° so với pháp tuyến (chùm 3). (Hình 2).

Hình 2 - Hình ảnh tia khúc xạ

Phần này của tia không bị phản xạ và do đó tạo thành một vật thể nhẹ hơn.

khúc xạ. Tia có góc nhỏ hơn trải nghiệm và phản xạ

và khúc xạ. Do đó, một khu vực ít chiếu sáng hơn được hình thành. Trong khối lượng

đường ranh giới của phản xạ toàn phần bên trong có thể nhìn thấy trên thấu kính, vị trí

mà phụ thuộc vào tính chất khúc xạ của mẫu.

Loại bỏ hiện tượng tán sắc (tô màu mặt phân cách giữa hai khu vực chiếu sáng bằng màu sắc của cầu vồng do sử dụng ánh sáng trắng phức tạp trong máy đo khúc xạ Abbe) đạt được bằng cách sử dụng hai lăng kính Amici trong bộ bù, được lắp trong kính thiên văn. Đồng thời, một thang đo được chiếu vào thấu kính (Hình 3). 0,05 ml chất lỏng là đủ để phân tích.

Hình 3 - Nhìn qua thị kính của khúc xạ kế. (Quy mô phù hợp phản ánh

nồng độ của thành phần đo được tính bằng ppm)

Ngoài việc phân tích các mẫu đơn thành phần, có nhiều phân tích

hệ thống hai thành phần (dung dịch nước, dung dịch của các chất trong đó

hoặc dung môi). Trong hệ thống hai thành phần lý tưởng (hình thành-

mà không làm thay đổi khối lượng và độ phân cực của các thành phần), sự phụ thuộc được hiển thị

chiết suất trên thành phần gần với tuyến tính nếu thành phần được biểu thị bằng

phần khối lượng (phần trăm)

trong đó: n, n1, n2 - chiết suất của hỗn hợp và các thành phần,

V1 và V2 là phần thể tích của các thành phần (V1 + V2 = 1).

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiết suất được xác định bởi hai

các yếu tố: sự thay đổi số lượng hạt chất lỏng trên một đơn vị thể tích và

sự phụ thuộc của độ phân cực của phân tử vào nhiệt độ. Yếu tố thứ hai trở thành

chỉ trở nên đáng kể ở những thay đổi nhiệt độ rất lớn.

Hệ số nhiệt độ của chiết suất tỷ lệ với hệ số nhiệt độ của khối lượng riêng. Vì tất cả các chất lỏng nở ra khi bị đốt nóng, chiết suất của chúng giảm khi nhiệt độ tăng. Hệ số nhiệt độ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất lỏng, nhưng trong những khoảng nhiệt độ nhỏ thì có thể coi là không đổi. Vì lý do này, hầu hết các máy đo khúc xạ không có kiểm soát nhiệt độ, tuy nhiên, một số thiết kế cung cấp

kiểm soát nhiệt độ nước.

Phép ngoại suy tuyến tính của chiết suất với sự thay đổi nhiệt độ được chấp nhận đối với sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ (10 - 20 ° C).

Việc xác định chính xác chiết suất trong khoảng nhiệt độ rộng được thực hiện theo các công thức thực nghiệm có dạng:

nt = n0 + at + bt2 +…

Đối với phép đo khúc xạ dung dịch trên các dải nồng độ rộng

sử dụng bảng hoặc công thức thực nghiệm. Hiển thị phụ thuộc-

chiết suất của dung dịch nước của một số chất nhất định về nồng độ

gần với tuyến tính và có thể xác định nồng độ của những chất này trong

nước ở một loạt các nồng độ (Hình 4) bằng cách sử dụng hiện tượng khúc xạ

thước đo.

Hình 4 - Chỉ số khúc xạ của một số dung dịch nước

Thông thường, n thể rắn và lỏng được xác định bằng khúc xạ kế với độ chính xác

lên đến 0,0001. Phổ biến nhất là khúc xạ kế Abbe (Hình 5) với khối lăng kính và bộ bù tán sắc, giúp xác định nD ở ánh sáng "trắng" trên thang đo hoặc chỉ thị kỹ thuật số.

Hình 5 - Khúc xạ kế Abbe (IRF-454; IRF-22)

Khúc xạ hay khúc xạ là hiện tượng trong đó sự thay đổi hướng của chùm ánh sáng, hoặc các sóng khác, xảy ra khi chúng đi qua ranh giới ngăn cách hai môi trường, cả hai đều trong suốt (truyền các sóng này) và bên trong một môi trường có các đặc tính liên tục. thay đổi.

Chúng ta gặp hiện tượng khúc xạ khá thường xuyên và coi nó như một hiện tượng bình thường: chúng ta có thể thấy rằng một cái que trong thủy tinh trong suốt với chất lỏng màu bị "vỡ" tại điểm mà không khí và nước tách ra (Hình 1). Khi ánh sáng bị khúc xạ và phản xạ trong mưa, chúng ta vui mừng khi nhìn thấy cầu vồng (Hình 2).

Chỉ số khúc xạ là một đặc tính quan trọng của một chất liên quan đến các đặc tính hóa lý của nó. Nó phụ thuộc vào các giá trị nhiệt độ, cũng như độ dài của sóng ánh sáng mà tại đó việc xác định được thực hiện. Theo dữ liệu kiểm tra chất lượng trong một dung dịch, chỉ số khúc xạ bị ảnh hưởng bởi nồng độ của chất hòa tan trong nó, cũng như bản chất của dung môi. Đặc biệt, chỉ số khúc xạ của huyết thanh bị ảnh hưởng bởi lượng protein có trong nó, điều này là do ở các tốc độ truyền khác nhau của tia sáng trong môi trường có mật độ khác nhau, hướng của chúng thay đổi tại mặt phân cách giữa hai môi trường. . Nếu chúng ta chia tốc độ ánh sáng trong chân không cho tốc độ ánh sáng trong chất đang nghiên cứu, ta được chiết suất tuyệt đối (chiết suất khúc xạ). Trong thực tế, chiết suất tỉ đối (n) được xác định, là tỷ số giữa tốc độ ánh sáng trong không khí với tốc độ ánh sáng trong chất đang nghiên cứu.

Chỉ số khúc xạ được định lượng bằng một thiết bị đặc biệt - máy đo khúc xạ.

Đo khúc xạ là một trong những phương pháp phân tích vật lý dễ dàng nhất và có thể được sử dụng trong các phòng thí nghiệm kiểm tra chất lượng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, phụ gia thực phẩm hoạt tính sinh học, mỹ phẩm và các loại sản phẩm khác với thời gian và số lượng mẫu cần thử nghiệm tối thiểu.

Thiết kế của khúc xạ kế dựa trên thực tế là các tia sáng bị phản xạ hoàn toàn khi chúng đi qua ranh giới của hai phương tiện (một trong số đó là lăng kính thủy tinh, phương còn lại là dung dịch thử nghiệm) (Hình 3).

Cơm. 3. Sơ đồ khúc xạ kế

Từ nguồn (1), chùm sáng rơi trên mặt gương (2), sau đó, bị phản xạ, đi vào lăng kính chiếu sáng phía trên (3), sau đó đi vào lăng kính đo phía dưới (4), được làm bằng thủy tinh. có chiết suất cao. Giữa lăng kính (3) và (4) nhỏ 1–2 giọt mẫu bằng ống mao dẫn. Để không gây ra hư hỏng cơ học cho lăng kính, không được để ống mao dẫn chạm vào bề mặt của nó.

Thị kính (9) nhìn thấy một trường có các đường chéo để thiết lập giao diện. Khi di chuyển thị kính, giao điểm của các trường phải thẳng hàng với mặt phân cách (Hình 4). Mặt phẳng của lăng kính (4) đóng vai trò là mặt phân cách, trên bề mặt có tia sáng khúc xạ. Vì các tia sáng bị phân tán, biên giới của ánh sáng và bóng tối trở nên mờ, óng ánh. Hiện tượng này được loại bỏ bởi bộ bù tán sắc (5). Khi đó chùm tia đi qua thấu kính (6) và lăng kính (7). Trên tấm (8) có các nét kẻ ô (hai đường thẳng chéo nhau), cũng như một thang chia độ có chiết suất, được quan sát trên thị kính (9). Nó được sử dụng để tính toán chiết suất.

Đường phân chia ranh giới trường sẽ tương ứng với góc phản xạ toàn phần bên trong, góc này phụ thuộc vào chiết suất của mẫu.

Phép đo khúc xạ được sử dụng để xác định độ tinh khiết và tính xác thực của một chất. Phương pháp này cũng được sử dụng để xác định nồng độ của các chất trong dung dịch trong quá trình kiểm tra chất lượng, được tính toán từ đường chuẩn (đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của chiết suất của mẫu vào nồng độ của nó).

Tại KorolevPharm, chỉ số khúc xạ được xác định theo tài liệu quy định đã được phê duyệt trong quá trình kiểm soát nguyên liệu đầu vào, trong chiết xuất từ ​​quá trình sản xuất của chính chúng tôi, cũng như trong quá trình sản xuất thành phẩm. Việc xác định được thực hiện bởi các nhân viên có trình độ của phòng thí nghiệm vật lý và hóa học được công nhận sử dụng khúc xạ kế IRF-454 B2M.

Nếu căn cứ vào kết quả kiểm soát đầu vào của nguyên liệu, chỉ số khúc xạ không đạt yêu cầu cần thiết, bộ phận kiểm tra chất lượng sẽ lập Đạo luật không phù hợp, trên cơ sở đó, lô nguyên liệu này được trả lại. nhà cung cấp.

Phương pháp xác định

1. Trước khi bắt đầu đo, phải kiểm tra độ sạch của bề mặt các lăng kính tiếp xúc với nhau.

2. Kiểm tra điểm không. Ta nhỏ 2 ÷ 3 giọt nước cất lên bề mặt lăng kính đo, đậy cẩn thận bằng lăng kính chiếu sáng. Mở cửa sổ chiếu sáng và sử dụng gương đặt nguồn sáng theo hướng có cường độ cao nhất. Bằng cách xoay các vít của thị kính, chúng tôi có được sự phân biệt rõ ràng, sắc nét giữa các trường tối và sáng trong trường nhìn của nó. Chúng tôi xoay vít và hướng đường bóng và ánh sáng sao cho nó trùng với điểm mà các đường này giao nhau trong cửa sổ phía trên của thị kính. Trên đường thẳng đứng ở cửa sổ dưới của thị kính, chúng ta thấy kết quả mong muốn - chiết suất của nước cất ở 20 ° C (1,333). Nếu các kết quả đọc khác nhau, hãy đặt vít chiết suất thành 1.333, và với sự trợ giúp của chìa khóa (tháo vít điều chỉnh), chúng tôi đưa đường viền của bóng tối và ánh sáng đến điểm giao nhau của các đường.

3. Xác định chiết suất. Nâng buồng chiếu sáng lăng kính và loại bỏ nước bằng giấy lọc hoặc khăn ăn. Tiếp theo, nhỏ 1-2 giọt dung dịch thử lên bề mặt lăng kính đo và đậy nắp khoang lại. Chúng tôi xoay các vít cho đến khi đường viền của bóng và ánh sáng trùng với điểm giao nhau của các đường. Trên đường thẳng đứng ở cửa sổ dưới của thị kính, chúng ta thấy kết quả mong muốn - chiết suất của mẫu thử. Ta tính chiết suất trên thang chia độ ở cửa sổ dưới của thị kính.

4. Sử dụng đường chuẩn, chúng ta thiết lập mối quan hệ giữa nồng độ của dung dịch và chiết suất. Để xây dựng biểu đồ, cần chuẩn bị các dung dịch chuẩn có nhiều nồng độ bằng cách sử dụng các chế phẩm của các chất tinh khiết về mặt hóa học, đo chiết suất của chúng và vẽ đồ thị các giá trị thu được trên trục tọa độ, và vẽ biểu đồ nồng độ tương ứng của các dung dịch trên trục abscissa. Cần chọn các khoảng nồng độ mà tại đó quan hệ tuyến tính giữa nồng độ và chiết suất. Chúng tôi đo chiết suất của mẫu thử và sử dụng đồ thị để xác định nồng độ của nó.