Machen wir ein Experiment. Stellen wir eine Glasplatte in die Mitte der optischen Scheibe und richten einen Lichtstrahl darauf. Wir werden sehen, dass an der Grenze zwischen Luft und Glas Licht nicht nur reflektiert wird, sondern auch in das Glas eindringt und seine Ausbreitungsrichtung ändert (Abb. 84).

Die Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei Medien wird als bezeichnet Lichtbrechung.

Abbildung 84 zeigt: AO – einfallender Strahl; OB - reflektierter Strahl; OE - gebrochener Strahl.

Beachten Sie, dass, wenn wir den Strahl in die Richtung EO richten würden, er aufgrund der Umkehrbarkeit der Lichtstrahlen das Glas in der Richtung OA verlassen würde.

Die Lichtbrechung wird durch die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts beim Übergang von einem Medium zum anderen erklärt. Eine solche Erklärung für dieses Phänomen wurde erstmals Mitte des 17. Jahrhunderts gegeben. Pater Menjan. Wenn Licht von einem Medium zum anderen übergeht, ändert der Lichtstrahl nach Meignan seine Richtung in der gleichen Weise, wie sich die Bewegungsrichtung der "Soldatenfront" ändert, wenn die Wiese, auf der die Soldaten gehen, durch Ackerland blockiert wird , dessen Rand schräg nach vorne verläuft. Jeder der Soldaten, die das Ackerland erreicht haben, verlangsamt seine Bewegung, während diejenigen der Soldaten, die es noch nicht erreicht haben, sich mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegen. Infolgedessen beginnen die Soldaten, die das Ackerland betreten haben, hinter denen zurück zu bleiben, die durch die Wiese gehen, und die Truppenkolonne dreht sich um (Abb. 85).

Um zu bestimmen, in welche Richtung ein Lichtstrahl abgelenkt wird, wenn er die Grenzfläche zwischen zwei Medien passiert, muss man wissen, in welchem ​​dieser Medien die Lichtgeschwindigkeit kleiner und in welchem ​​größer ist.

Licht sind elektromagnetische Wellen. Daher gilt alles, was über die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen gesagt wurde (siehe § 28), auch für die Lichtgeschwindigkeit. So ist zum Beispiel die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum maximal und gleich:

c = 299792 km/s ≈ 300000 km/s.

Die Lichtgeschwindigkeit in Materie v ist immer kleiner als im Vakuum:

Die Werte der Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien sind in Tabelle 6 angegeben.

Von den beiden Medien wird dasjenige genannt, bei dem die Lichtgeschwindigkeit geringer ist optisch dichter, und derjenige, bei dem die Lichtgeschwindigkeit größer ist - optisch weniger dicht. Beispielsweise ist Wasser optisch dichter als Luft und Glas optisch dichter als Wasser.

Die Erfahrung zeigt, dass ein Lichtstrahl beim Eindringen in ein optisch dichteres Medium von seiner ursprünglichen Richtung in Richtung der Senkrechten auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien abweicht (Abb. 86, a), und beim Eindringen in ein optisch weniger dichtes Medium der Lichtstrahl weicht in die Rückseite ab (Abb. 86, b).

Der Winkel zwischen dem gebrochenen Strahl und der Senkrechten auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien am Auftreffpunkt des Strahls wird genannt Brechungswinkel. Abbildung 86

α - Einfallswinkel, β - Brechungswinkel.

Abbildung 86 zeigt, dass der Brechungswinkel größer oder kleiner als der Einfallswinkel sein kann. Können diese Winkel zusammenpassen? Das können sie, aber nur, wenn ein Lichtstrahl im rechten Winkel auf die Grenzfläche fällt; in diesem Fall ist α = β = 0.

Die Fähigkeit, Strahlen in verschiedenen Medien zu brechen, ist unterschiedlich. Je stärker sich die Lichtgeschwindigkeiten in zwei Medien unterscheiden, desto stärker werden die Strahlen an der Grenze zwischen ihnen gebrochen.

Einer der Hauptteile vieler optischer Instrumente ist ein dreieckiges Glasprisma (Abb. 87, a). Abbildung 87, b zeigt den Strahlengang in einem solchen Prisma: Das dreieckige Prisma lenkt den auftreffenden Strahl durch Doppelbrechung seitlich zu seiner Basis hin ab.

Die Lichtbrechung ist der Grund dafür, dass uns die Tiefe eines Stausees (Fluss, Teich, Wasserbad) geringer vorkommt, als sie tatsächlich ist. Um irgendeinen Punkt S am Boden des Reservoirs zu sehen, ist es nämlich notwendig, dass die Lichtstrahlen, die aus ihm herauskommen, in das Auge des Beobachters fallen (Abb. 88). Aber nach der Brechung an der Wasser-Luft-Grenze wird der Lichtstrahl vom Auge als Licht wahrgenommen, das von einem imaginären Bild S 1 kommt, das höher liegt als der entsprechende Punkt S am Boden des Reservoirs. Es lässt sich nachweisen, dass die scheinbare Tiefe h eines Gewässers etwa ¾ seiner wahren Tiefe H beträgt.

Dieses Phänomen wurde erstmals von Euklid beschrieben. Eines seiner Bücher erzählt von der Erfahrung mit dem Ring. Der Betrachter betrachtet den Kelch mit dem darunter liegenden Ring so, dass die Ränder des Kelchs ihn nicht erkennen lassen; dann beginnen sie, ohne die Position der Augen zu ändern, Wasser in den Kelch zu gießen, und nach einer Weile wird der Ring sichtbar.

Die Lichtbrechung erklärt auch viele andere Phänomene, zum Beispiel das scheinbare Zerbrechen eines in ein Wasserglas getauchten Löffels; höher als die tatsächliche Position der Sterne und der Sonne über dem Horizont usw.

1. Was nennt man Lichtbrechung? 2. Welcher Winkel wird Brechungswinkel genannt? Wie wird es bezeichnet? 3. Wie groß ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum? 4. Welches Medium ist optisch dichter: Eis oder Quarz? Wieso den? 5. In welchem ​​Fall ist der Brechungswinkel des Lichts kleiner als der Einfallswinkel und in welchem ​​mehr? 6. Wie groß ist der Einfallswinkel des Strahls, wenn der gebrochene Strahl senkrecht zur Grenzfläche zwischen den Medien steht? 7. Warum erscheint einem Betrachter, der auf das Wasser hinunterschaut, die Tiefe des Reservoirs geringer, als sie tatsächlich ist? Wie tief wird der Fluss erscheinen, wenn er tatsächlich 2 m beträgt? 8. Es gibt Glas-, Quarz- und Diamantsplitter in der Luft. An welcher Oberfläche werden Lichtstrahlen am stärksten gebrochen?

Experimentelle Aufgabe. Wiederholen Sie die Erfahrung von Euklid. Lege einen Ring (oder eine Münze) auf den Boden einer Teetasse und stelle sie dann so vor dich hin, dass die Ränder der Tasse ihren Boden bedecken. Wenn Sie Wasser hineingießen, ohne die relative Position von Tasse und Augen zu ändern, wird der Ring (oder die Münze) sichtbar. Wieso den?

An der Grenze des Übergangs von einem Medium zum anderen, wenn sie deutlich länger als die Wellenlänge ist, wird eine Richtungsänderung der Lichtstrahlen beobachtet. In diesem Fall wird ein Teil der Energie reflektiert, dh in dasselbe Medium zurückgeführt, und ein Teil wird gebrochen und dringt in ein anderes Medium ein. Anhand der Reflexions- und Brechungsgesetze des Lichts lässt sich erklären, welche Richtung die reflektierten und gebrochenen Strahlen haben und wie groß der Anteil der Lichtenergie ist, die von einem Medium auf ein anderes reflektiert bzw. übertragen wird. Damit das Phänomen der Reflexion und Lichtbrechung auftritt, muss der Körper ziemlich glatt und nicht matt sein und eine ziemlich gleichförmige innere Struktur haben. Ein Beispiel für einen solchen Fall wäre die Grenzfläche zwischen Wasser und Luft in einem breiten Behälter. Polierte Metallkörper haben auch eine Spiegeloberfläche.

Um die Essenz dieser Gesetze zu verstehen, können Sie ein einfaches Experiment durchführen. Ein schmaler Strahlenstrahl sollte auf Wasser gerichtet werden, das in ein großes Gefäß gegossen wird. Es ist ersichtlich, dass ein Teil der Strahlen an der Oberfläche reflektiert wird und der Rest ins Wasser gelangt. Außerdem werden wir sehen, was passiert Lichtbrechung im Wasser.

Gesetz der Reflexion

Das Reflexionsgesetz bestimmt die Richtungsänderung eines Lichtstrahls beim Auftreffen auf eine reflektierende Oberfläche. Es besteht darin, dass sowohl der einfallende als auch der reflektierte Strahl in derselben Ebene mit der Senkrechten zur Oberfläche liegen und diese Senkrechte den Winkel zwischen diesen Strahlen in gleiche Teile teilt.

Häufiger wird es wie folgt formuliert: der Einfallswinkel und Lichtreflexionswinkel sind gleich:

α=γ

Diese Formulierung ist weniger genau, da sie nicht die genaue Richtung der Strahlreflexion angibt.

Das Reflexionsgesetz stammt aus den Prinzipien der Wellenoptik. Experimentell wurde es von Euklid im 3. Jahrhundert v. Chr. Gefunden. Dies kann als Folge der Verwendung des Fermatschen Prinzips für eine Spiegeloberfläche angesehen werden.

Jedes Medium hat ein gewisses Maß an Reflexions- und Absorptionsfähigkeit. Der Wert, der das Reflexionsvermögen der Oberfläche angibt, ist Lichtreflexion. Sie bestimmt, welcher Anteil der an die Oberfläche gebrachten Energie die Energie ist, die von ihr durch reflektierte Strahlung weggetragen wird. Ihr Wert hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem vom Einfallswinkel und der Zusammensetzung der Strahlung.

Durch den Übergang von einem optisch dichteren zu einem optisch weniger dichten Medium (z. B. in Luft von Glas) kommt es zur Totalreflexion, was bedeutet, dass der gebrochene Strahl verschwindet.

Totalreflexion wird beobachtet, wenn Strahlen auf flüssiges Quecksilber oder auf Glas abgeschiedenes Silber fallen.

Dieses Phänomen tritt auf, wenn der Einfallswinkel den Grenzwert überschreitet Winkel der totalen Lichtreflexion αpr.

Wenn ein α = αpr, dann Sünde β = 1, a sin αpr = n2/n1

Wenn das zweite Medium Luft ist (d.h. n2 ≈ 1), hat diese Formel folgende Form:

sin αpr=1/n

Der Grenzwinkel für den Übergang von Glas zu Luft beträgt 42° (at n=1,5), für den Übergang von Wasser zu Luft - 48,7 ° (at n = 1,33).

Totale interne Lichtreflexion

Beispiele für Totalreflexion in der Natur sind verschiedene Luftspiegelungen und Fata Morgana. Sie entstehen durch Reflexion an der Grenze von Luftschichten mit unterschiedlichen Temperaturen. Außerdem, Totalreflexion des Lichts erklärt auch die helle Brillanz von Edelsteinen, wenn jeder einfallende Strahl viele helle ausgehende Strahlen bildet.

Wenn Sie unter Wasser in einem bestimmten Winkel auf die Oberfläche schauen, sehen Sie nicht, was in der Luft ist, sondern ein Spiegelbild von Objekten unter Wasser. Dies ist ein weiteres Beispiel für Totalreflexion.

Falls der Einfallswinkel an der Grenze zwischen zwei dielektrischen Medien ungleich Null ist, werden sowohl die reflektierten als auch die gebrochenen Strahlen teilweise polarisiert. Polarisation des Lichts bei Reflexion durch seinen Einfallswinkel bestimmt. Der Winkel, bei dem der reflektierte Strahl vollständig polarisiert ist und der gebrochene Strahl den maximal möglichen Polarisationsgrad aufweist, wird als Brewster-Winkel bezeichnet.

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Gesetze der Reflexion und Brechung des Lichts Foto

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• Einfallswinkelα ist der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und der Senkrechten zur Grenzfläche zwischen zwei Medien, wiederhergestellt am Einfallspunkt (Abb. 1).

• Reflexionswinkelβ ist der Winkel zwischen dem reflektierten Lichtstrahl und der Senkrechten zur reflektierenden Oberfläche, wiederhergestellt am Einfallspunkt (siehe Abb. 1).

• Brechungswinkelγ ist der Winkel zwischen dem gebrochenen Lichtstrahl und der Senkrechten zur Grenzfläche zwischen zwei Medien, wiederhergestellt am Einfallspunkt (siehe Abb. 1).

• unter dem Balken die Linie verstehen, entlang der die Energie einer elektromagnetischen Welle übertragen wird. Lassen Sie uns vereinbaren, optische Strahlen grafisch darzustellen, indem wir geometrische Strahlen mit Pfeilen verwenden. In der geometrischen Optik wird die Wellennatur des Lichts nicht berücksichtigt (siehe Abb. 1).

• Strahlen, die von einem Punkt kommen, werden gerufen abweichend, und Sammeln an einem Punkt - konvergierend. Ein Beispiel für divergierende Strahlen ist das beobachtete Licht entfernter Sterne, und ein Beispiel für konvergierende Strahlen ist eine Reihe von Strahlen, die von verschiedenen Objekten in die Pupille unseres Auges eintreten.

Bei der Untersuchung der Eigenschaften von Lichtstrahlen wurden vier Grundgesetze der geometrischen Optik experimentell festgestellt:

• das Gesetz der geradlinigen Ausbreitung des Lichts;
• das Gesetz der Unabhängigkeit von Lichtstrahlen;
• Gesetz der Reflexion von Lichtstrahlen;
• Brechungsgesetz der Lichtstrahlen.

Lichtbrechung

Messungen haben gezeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit in Materie υ immer kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c.

• Das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c zu seiner Geschwindigkeit in einem gegebenen Medium υ heißt Absoluter Brechungsindex:

\(n=\frac(c)(\upsilon).\)

Der Satz " absoluter Brechungsindex des Mediums" wird oft ersetzt durch " Brechungsindex des Mediums».

Stellen Sie sich einen Strahl vor, der auf eine flache Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien mit Brechungsindizes einfällt n 1 und n 2 in einem gewissen Winkel α (Fig. 2).

• Die Änderung der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei Medien wird als Lichtbrechung.

Brechungsgesetze:

• das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels α zum Sinus des Brechungswinkels γ ist für zwei gegebene Medien ein konstanter Wert

\(\frac(sin \alpha )(sin \gamma )=\frac(n_2)(n_1).\)

• Die einfallenden und gebrochenen Strahlen liegen in derselben Ebene, wobei die Senkrechte am Einfallspunkt des Strahls auf die Ebene der Grenzfläche zwischen zwei Medien gezogen wird.

Für die Brechung, Prinzip der Umkehrbarkeit von Lichtstrahlen:

• ein Lichtstrahl, der sich entlang des Weges eines gebrochenen Strahls ausbreitet, der an einem Punkt gebrochen wird Ö an der Grenzfläche zwischen den Medien, breitet sich weiter entlang des Weges des einfallenden Strahls aus.

Aus dem Brechungsgesetz folgt, dass wenn das zweite Medium durch das erste Medium optisch dichter ist,

• jene. n 2 > n 1 , dann α > γ \(\left(\frac(n_2)(n_1) > 1, \;\;\; \frac(sin \alpha )(sin \gamma ) > 1 \right)\) (Abb. 3a);
• Wenn n 2 < n 1 , dann α< γ (рис. 3, б).

Reis. 3

Die erste Erwähnung der Lichtbrechung in Wasser und Glas findet sich in der im 2. Jahrhundert n. Chr. veröffentlichten Arbeit von Claudius Ptolemäus "Optik". Das Gesetz der Lichtbrechung wurde 1620 von dem holländischen Wissenschaftler Willebrod Snellius experimentell aufgestellt. Beachten Sie, dass das Brechungsgesetz unabhängig von Snell auch von Rene Descartes entdeckt wurde.

Mit dem Lichtbrechungsgesetz können Sie den Strahlengang in verschiedenen optischen Systemen berechnen.

An der Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien wird gewöhnlich eine Wellenreflexion gleichzeitig mit einer Brechung beobachtet. Nach dem Energieerhaltungssatz ist die Summe der Energien der reflektierten W o und gebrochen W np-Wellen ist gleich der Energie der einfallenden Welle W n:

W n = W np + W o.

Totalreflexion

Wie oben erwähnt, wenn Licht von einem optisch dichteren Medium zu einem optisch weniger dichten Medium übergeht ( n 1 > n 2) wird der Brechungswinkel γ größer als der Einfallswinkel α (siehe Fig. 3, b).

Mit zunehmendem Einfallswinkel α (Fig. 4) wird bei einem bestimmten Wert α&sub3; der Brechungswinkel γ = 90º, d. h. das Licht tritt nicht in das zweite Medium ein. Bei großen Winkeln α 3 wird Licht nur reflektiert. Gebrochene Wellenenergie Wnp In diesem Fall wird es gleich Null und die Energie der reflektierten Welle ist gleich der Energie des Einfalls: W n = W o. Daher wird ab diesem Einfallswinkel α 3 (im Folgenden als α 0 bezeichnet) sämtliche Lichtenergie von der Grenzfläche zwischen diesen Medien reflektiert.

Dieses Phänomen wird als Totalreflexion bezeichnet (siehe Abb. 4).

• Der Winkel α 0 , bei dem die Totalreflexion beginnt, wird genannt Grenzwinkel der Totalreflexion.

Der Wert des Winkels α 0 wird aus dem Brechungsgesetz bestimmt, sofern der Brechungswinkel γ = 90° ist:

\(\sin \alpha_(0) = \frac(n_(2))(n_(1)) \;\;\; \left(n_(2)< n_{1} \right).\)

Literatur

Zhilko, V.V. Physik: Lehrbuch. Zuschuss für die allgemeinbildende Klasse 11. Schule aus dem Russischen lang. Ausbildung / V. V. Zhilko, L. G. Markovich. - Minsk: Nar. Asveta, 2009. - S. 91-96.

Gesetze der Lichtbrechung.

Die physikalische Bedeutung des Brechungsindex. Licht wird aufgrund einer Änderung seiner Ausbreitungsgeschwindigkeit beim Übergang von einem Medium zum anderen gebrochen. Der Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten ist numerisch gleich dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im ersten Medium zur Lichtgeschwindigkeit im zweiten Medium:

Der Brechungsindex gibt also an, um wie viel Mal die Lichtgeschwindigkeit in dem Medium, aus dem der Strahl austritt, größer (kleiner) ist als die Lichtgeschwindigkeit in dem Medium, in das er eintritt.

Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum konstant ist, empfiehlt es sich, die Brechungsindizes verschiedener Medien gegenüber dem Vakuum zu bestimmen. Geschwindigkeitsverhältnis mit Ausbreitung des Lichts im Vakuum auf die Geschwindigkeit seiner Ausbreitung in einem bestimmten Medium bezeichnet Absoluter Brechungsindex bestimmten Stoff () und ist das Hauptmerkmal seiner optischen Eigenschaften,

,

jene. der Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten ist gleich dem Verhältnis der absoluten Indizes dieser Medien.

Üblicherweise werden die optischen Eigenschaften eines Stoffes durch den Brechungsindex charakterisiert n relativ zu Luft, die sich wenig vom absoluten Brechungsindex unterscheidet. In diesem Fall wird das Medium, in dem der absolute Index größer ist, als optisch dichter bezeichnet.

Begrenzender Brechungswinkel. Wenn Licht von einem Medium mit niedrigerer Brechzahl auf ein Medium mit höherer Brechzahl übergeht ( n 1< n 2 ), dann ist der Brechungswinkel kleiner als der Einfallswinkel

r< i (Abb. 3).

Reis. 3. Lichtbrechung während des Übergangs

von optisch weniger dicht mittel bis mittel

optisch dichter.

Da der Einfallswinkel zunimmt ich bin = 90° (Strahl 3, Abb. 2) Licht im zweiten Medium breitet sich nur innerhalb des Winkels aus r pr namens Grenzbrechungswinkel. Im Bereich des zweiten Mediums innerhalb eines Winkels zusätzlich zum Grenzbrechwinkel (90° - ich pr ), kein Licht dringt ein (dieser Bereich ist in Abb. 3 schraffiert).

Brechungswinkel begrenzen r pr

Aber sin i m = 1, also .

Das Phänomen der Totalreflexion. Wenn Licht von einem Medium mit hohem Brechungsindex austritt n1 > n2 (Abb. 4), dann ist der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel. Licht wird nur innerhalb des Einfallswinkels gebrochen (tritt in das zweite Medium ein). ich pr , was dem Brechungswinkel entspricht rm = 90°.

Reis. 4. Lichtbrechung beim Übergang von einem optisch dichteren Medium zu einem Medium

optisch weniger dicht.

Unter einem großen Winkel einfallendes Licht wird vollständig von der Grenze des Mediums reflektiert (Fig. 4 Strahl 3). Dieses Phänomen wird als Totalreflexion und Einfallswinkel bezeichnet ich pr ist der Grenzwinkel der Totalreflexion.

Grenzwinkel der Totalreflexion ich pr bestimmt nach der Bedingung:

, dann sin rm =1, also .

Wenn Licht von irgendeinem Medium in ein Vakuum oder in die Luft gelangt, dann

Aufgrund der Umkehrbarkeit des Strahlengangs für diese beiden Medien ist der Grenzbrechungswinkel beim Übergang vom ersten zum zweiten Medium gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion beim Strahldurchgang vom zweiten zum ersten Medium .

Der Grenzwinkel der Totalreflexion für Glas ist kleiner als 42°. Daher werden Strahlen, die durch Glas gehen und in einem Winkel von 45° auf seine Oberfläche einfallen, vollständig reflektiert. Diese Eigenschaft von Glas wird in rotierenden (Abb. 5a) und umkehrbaren (Abb. 4b) Prismen genutzt, die häufig in optischen Instrumenten verwendet werden.

Reis. 5: a – Rotationsprisma; b - Umkehrprisma.

Glasfaseroptik. Totalreflexion wird bei der Konstruktion von flexiblen verwendet Lichtleiter. Licht, das in eine transparente Faser eindringt, die von einer Substanz mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist, wird viele Male reflektiert und breitet sich entlang dieser Faser aus (Abb. 6).

Abb.6. Der Durchgang von Licht in einer transparenten Faser, die von Materie umgeben ist

mit niedrigerem Brechungsindex.

Um hohe Lichtströme zu übertragen und die Flexibilität des Lichtleitersystems zu erhalten, werden einzelne Fasern zu Bündeln zusammengefügt - Lichtleiter. Als Faseroptik wird der Zweig der Optik bezeichnet, der sich mit der Übertragung von Licht und Bildern durch Lichtleiter befasst. Derselbe Begriff bezieht sich auf die faseroptischen Teile und Geräte selbst. In der Medizin werden Lichtleiter verwendet, um innere Hohlräume mit kaltem Licht zu beleuchten und Bilder zu übertragen.

Praktischer Teil

Geräte zur Bestimmung des Brechungsindex von Stoffen genannt Refraktometer(Abb. 7).

Abb.7. Optisches Schema des Refraktometers.

1 - Spiegel, 2 - Messkopf, 3 - Prismensystem zur Beseitigung der Dispersion, 4 - Linse, 5 - Rotationsprisma (Strahldrehung um 90 0), 6 - Skala (in einigen Refraktometern

es gibt zwei Skalen: die Skala der Brechungsindizes und die Skala der Konzentration von Lösungen),

7 - Okular.

Der Hauptteil des Refraktometers ist ein Messkopf, bestehend aus zwei Prismen: einem Beleuchtungsprisma, das sich im Klappteil des Kopfes befindet, und einem Messprisma.

Am Ausgang des Beleuchtungsprismas erzeugt seine matte Oberfläche einen gestreuten Lichtstrahl, der die Prüfflüssigkeit (2-3 Tropfen) zwischen den Prismen durchdringt. Die Strahlen treffen unter verschiedenen Winkeln auf die Oberfläche des Messprismas, einschließlich eines Winkels von 90 0 . Im Messprisma werden die Strahlen im Bereich des Grenzbrechwinkels gesammelt, was die Ausbildung einer Licht-Schatten-Grenze auf dem Geräteschirm erklärt.

Abb.8. Strahlengang im Messkopf:

1 – Beleuchtungsprisma, 2 – untersuchte Flüssigkeit,

3 - Messprisma, 4 - Bildschirm.

BESTIMMUNG DES ANTEILS VON ZUCKER IN LÖSUNG

Natürliches und polarisiertes Licht. sichtbares Licht- Das Elektromagnetische Wellen mit einer Schwingfrequenz im Bereich von 4∙10 14 bis 7,5∙10 14 Hz. Elektromagnetische Wellen sind quer: Die Vektoren E und H der Stärken des elektrischen und des magnetischen Feldes stehen senkrecht zueinander und liegen in einer Ebene senkrecht zum Vektor der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit.

Denn sowohl die chemische als auch die biologische Wirkung des Lichts werden hauptsächlich mit der elektrischen Komponente der elektromagnetischen Welle, dem Vektor, in Verbindung gebracht E die Intensität dieses Feldes heißt Lichtvektor, und die Schwingungsebene dieses Vektors ist die Schwingungsebene der Lichtwelle.

In jeder Lichtquelle werden Wellen von vielen Atomen und Molekülen ausgesandt, die Lichtvektoren dieser Wellen befinden sich in verschiedenen Ebenen und die Schwingungen treten in verschiedenen Phasen auf. Dadurch ändert die Schwingungsebene des Lichtvektors der resultierenden Welle ständig ihre Lage im Raum (Abb. 1). Dieses Licht heißt natürlich, oder unpolarisiert.

Reis. 1. Schematische Darstellung eines Balkens und natürlichen Lichts.

Wenn wir zwei zueinander senkrechte Ebenen wählen, die durch einen Strahl natürlichen Lichts gehen, und die Vektoren E auf die Ebene projizieren, dann sind diese Projektionen im Durchschnitt gleich. Daher ist es zweckmäßig, einen natürlichen Lichtstrahl als Gerade darzustellen, auf der sich die gleiche Anzahl beider Projektionen in Form von Strichen und Punkten befindet:

Beim Durchgang von Licht durch Kristalle ist es möglich, Licht zu erhalten, dessen Wellenschwingungsebene eine konstante Position im Raum einnimmt. Dieses Licht heißt Wohnung- oder linear polarisiert. Aufgrund der geordneten Anordnung von Atomen und Molekülen in einem räumlichen Gitter überträgt der Kristall nur leichte Vektorschwingungen, die in einer bestimmten Ebene auftreten, die für ein bestimmtes Gitter charakteristisch ist.

Eine ebene polarisierte Lichtwelle wird bequem wie folgt dargestellt:

Die Polarisation von Licht kann auch partiell sein. In diesem Fall übersteigt die Schwingungsamplitude des Lichtvektors in irgendeiner Ebene die Schwingungsamplituden in anderen Ebenen erheblich.

Teilweise polarisiertes Licht lässt sich konventionell wie folgt darstellen: , usw. Das Verhältnis der Anzahl von Strichen und Punkten bestimmt den Grad der Lichtpolarisation.

Bei allen Verfahren zur Umwandlung von natürlichem Licht in polarisiertes Licht werden Komponenten mit einer wohldefinierten Orientierung der Polarisationsebene ganz oder teilweise aus natürlichem Licht ausgewählt.

Verfahren zur Gewinnung von polarisiertem Licht: a) Reflexion und Brechung von Licht an der Grenze zweier Dielektrika; b) Lichtübertragung durch optisch anisotrope einachsige Kristalle; c) die Übertragung von Licht durch Medien, deren optische Anisotropie künstlich durch Einwirkung eines elektrischen oder magnetischen Feldes sowie durch Verformung erzeugt wird. Diese Methoden basieren auf dem Phänomen Anisotropie.

Anisotropie ist die Abhängigkeit einer Reihe von Eigenschaften (mechanisch, thermisch, elektrisch, optisch) von der Richtung. Körper, deren Eigenschaften in allen Richtungen gleich sind, werden genannt isotrop.

Polarisation wird auch während der Lichtstreuung beobachtet. Der Polarisationsgrad ist umso höher, je kleiner die Partikel sind, an denen gestreut wird.

Geräte zur Erzeugung von polarisiertem Licht werden genannt Polarisatoren.

Polarisation von Licht bei Reflexion und Brechung an der Grenzfläche zwischen zwei Dielektrika. Wenn natürliches Licht an der Grenzfläche zwischen zwei isotropen Dielektrika reflektiert und gebrochen wird, tritt seine lineare Polarisation auf. Bei einem beliebigen Einfallswinkel ist die Polarisation des reflektierten Lichts partiell. Der reflektierte Strahl wird von Schwingungen senkrecht zur Einfallsebene dominiert, während der gebrochene Strahl von Schwingungen parallel dazu dominiert wird (Abb. 2).

Reis. 2. Partielle Polarisation des natürlichen Lichts bei Reflexion und Brechung

Erfüllt der Einfallswinkel die Bedingung tg i B = n 21, so ist das reflektierte Licht vollständig polarisiert (Brewstersches Gesetz), und der gebrochene Strahl ist nicht vollständig, aber maximal polarisiert (Abb. 3). In diesem Fall stehen der reflektierte und der gebrochene Strahl senkrecht aufeinander.

der relative Brechungsindex der beiden Medien ist, i B der Brewster-Winkel ist.

Reis. 3. Gesamtpolarisation des reflektierten Strahls bei Reflexion und Brechung

an der Grenzfläche zwischen zwei isotropen Dielektrika.

Doppelbrechung. Es gibt eine Reihe von Kristallen (Kalzit, Quarz usw.), in denen sich ein Lichtstrahl durch Brechung in zwei Strahlen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufteilt. Calcit (isländischer Spat) ist ein Kristall mit einem hexagonalen Gitter. Die Symmetrieachse des hexagonalen Prismas, das seine Zelle bildet, wird als optische Achse bezeichnet. Die optische Achse ist keine Linie, sondern eine Richtung im Kristall. Jede Linie parallel zu dieser Richtung ist auch eine optische Achse.

Wenn eine Platte aus einem Calcitkristall so ausgeschnitten wird, dass ihre Flächen senkrecht zur optischen Achse stehen, und ein Lichtstrahl entlang der optischen Achse gerichtet wird, treten darin keine Änderungen auf. Wenn der Strahl jedoch in einem Winkel zur optischen Achse gerichtet ist, wird er in zwei Strahlen geteilt (Abb. 4), von denen einer als gewöhnlich und der zweite als außerordentlich bezeichnet wird.

Reis. 4. Doppelbrechung, wenn Licht durch eine Calcitplatte fällt.

MN ist die optische Achse.

Ein ordentlicher Strahl liegt in der Einfallsebene und hat den üblichen Brechungsindex für einen gegebenen Stoff. Der außerordentliche Strahl liegt in einer Ebene, die durch den einfallenden Strahl und die optische Achse des Kristalls verläuft, gezeichnet am Einfallspunkt des Strahls. Dieses Flugzeug heißt Hauptebene des Kristalls. Die Brechungsindizes für ordentliche und außerordentliche Strahlen sind unterschiedlich.

Sowohl ordentliche als auch außerordentliche Strahlen sind polarisiert. Die Schwingungsebene der ordentlichen Strahlen steht senkrecht auf der Hauptebene. Die Schwingungen der außerordentlichen Strahlen finden in der Hauptebene des Kristalls statt.

Das Phänomen der Doppelbrechung ist auf die Anisotropie von Kristallen zurückzuführen. Entlang der optischen Achse ist die Geschwindigkeit einer Lichtwelle für ordentliche und außerordentliche Strahlen gleich. In anderen Richtungen ist die Geschwindigkeit einer außerordentlichen Welle in Calcit größer als die einer gewöhnlichen. Der größte Unterschied zwischen den Geschwindigkeiten beider Wellen tritt in Richtung senkrecht zur optischen Achse auf.

Nach dem Huygens-Prinzip entstehen bei Doppelbrechung an jedem Punkt der Oberfläche einer die Kristallgrenze erreichenden Welle gleichzeitig zwei Elementarwellen (nicht eine, wie in gewöhnlichen Medien), die sich im Kristall ausbreiten.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle ist in alle Richtungen gleich, d.h. Welle hat eine Kugelform und heißt gewöhnliche. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer anderen Welle in Richtung der optischen Achse des Kristalls ist die gleiche wie die Geschwindigkeit einer gewöhnlichen Welle, und in der Richtung senkrecht zur optischen Achse unterscheidet sie sich davon. Die Welle hat eine Ellipsoidform und heißt außerordentlich(Abb.5).

Reis. 5. Ausbreitung einer ordentlichen (o) und außerordentlichen (e) Welle in einem Kristall

mit Doppelbrechung.

Prism Nikolaus. Um polarisiertes Licht zu erhalten, wird ein Nicol-Polarisationsprisma verwendet. Ein Prisma bestimmter Form und Größe wird aus Calcit geschnitten, dann entlang einer diagonalen Ebene gesägt und mit kanadischem Balsam verklebt. Wenn ein Lichtstrahl entlang der Prismenachse auf die obere Fläche einfällt (Abb. 6), fällt der außerordentliche Strahl unter einem kleineren Winkel auf die Klebeebene und tritt fast ohne Richtungsänderung durch. Ein gewöhnlicher Strahl fällt in einem Winkel ein, der größer ist als der Winkel der Totalreflexion für Kanadischen Balsam, wird von der Klebeebene reflektiert und von der geschwärzten Fläche des Prismas absorbiert. Das Nicol-Prisma erzeugt vollständig polarisiertes Licht, dessen Schwingungsebene in der Hauptebene des Prismas liegt.

Reis. 6. Nicolas-Prisma. Schema des Durchgangs eines gewöhnlichen

und außergewöhnliche Strahlen.

Dichroismus. Es gibt Kristalle, die gewöhnliche und außergewöhnliche Strahlen auf unterschiedliche Weise absorbieren. Wenn also ein natürlicher Lichtstrahl senkrecht zur Richtung der optischen Achse auf einen Turmalinkristall gerichtet wird, wird bei einer Plattendicke von nur wenigen Millimetern der ordentliche Strahl vollständig absorbiert und nur der außerordentliche Strahl tritt aus der Kristall (Abb. 7).

Reis. 7. Lichtdurchgang durch einen Turmalinkristall.

Die unterschiedliche Art der Absorption von gewöhnlicher und außerordentlicher Strahlung wird genannt Absorptionsanisotropie, oder Dichroismus. So können Turmalinkristalle auch als Polarisatoren verwendet werden.

Polaroids. Gegenwärtig sind Polarisatoren weit verbreitet. Polaroids. Um ein Polaroid herzustellen, wird eine transparente Folie zwischen zwei Glas- oder Plexiglasplatten geklebt, die Kristalle einer dichroitischen Substanz enthält, die Licht polarisiert (z. B. Jodchinonsulfat). Während des Filmherstellungsprozesses werden die Kristalle so orientiert, dass ihre optischen Achsen parallel sind. Das ganze System ist in einem Rahmen befestigt.

Die geringen Kosten von Polaroids und die Möglichkeit, Platten mit großer Fläche herzustellen, sorgten für ihre breite Anwendung in der Praxis.

Analyse von polarisiertem Licht. Um die Art und den Grad der Polarisation von Licht zu untersuchen, werden Geräte genannt Analysatoren. Als Analysatoren werden die gleichen Geräte verwendet, die dazu dienen, linear polarisiertes Licht zu erhalten - Polarisatoren, die jedoch für eine Drehung um die Längsachse angepasst sind. Der Analysator lässt nur Schwingungen durch, die mit seiner Hauptebene zusammenfallen. Ansonsten passiert nur die Schwingungskomponente, die mit dieser Ebene zusammenfällt, den Analysator.

Wenn die in den Analysator eintretende Lichtwelle linear polarisiert ist, dann genügt die Intensität der den Analysator verlassenden Welle Gesetz von Malus:

,

wobei I 0 die Intensität des einfallenden Lichts ist, φ der Winkel zwischen den Ebenen des einfallenden Lichts und dem vom Analysator übertragenen Licht ist.

Der Lichtdurchgang durch das Polarisator-Analysator-System ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. acht.

Reis. Abb. 8. Schema des Lichtdurchgangs durch das Polarisator-Analysator-System (P - Polarisator,

A - Analysator, E - Bildschirm):

a) die Hauptebenen von Polarisator und Analysator fallen zusammen;

b) die Hauptebenen von Polarisator und Analysator stehen in einem bestimmten Winkel;

c) die Hauptebenen von Polarisator und Analysator stehen senkrecht aufeinander.

Wenn die Hauptebenen von Polarisator und Analysator zusammenfallen, passiert das Licht den Analysator vollständig und beleuchtet den Bildschirm (Abb. 7a). Stehen sie in einem bestimmten Winkel, passiert das Licht den Analysator, wird aber umso stärker abgeschwächt (Abb. 7b), je näher dieser Winkel an 90 0 liegt. Wenn diese Ebenen senkrecht zueinander stehen, wird das Licht vom Analysator vollständig ausgelöscht (Abb. 7c).

Rotation der Schwingungsebene von polarisiertem Licht. Polarimetrie. Einige Kristalle sowie Lösungen organischer Substanzen haben die Eigenschaft, die Schwingungsebene des durch sie hindurchtretenden polarisierten Lichts zu drehen. Diese Substanzen werden genannt optisch a aktiv. Dazu gehören Zucker, Säuren, Alkaloide usw.

Für die meisten optisch aktiven Substanzen wurde die Existenz von zwei Modifikationen gefunden, die die Polarisationsebene im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn drehen (für einen Beobachter, der in Richtung des Strahls blickt). Die erste Modifikation wird aufgerufen rechtsdrehend, oder positiv zweite - linksdrehend, oder negativ.

Die natürliche optische Aktivität einer Substanz im nichtkristallinen Zustand beruht auf der Asymmetrie der Moleküle. Bei kristallinen Substanzen kann optische Aktivität auch auf Besonderheiten der Anordnung von Molekülen im Gitter zurückzuführen sein.

Bei Festkörpern ist der Drehwinkel φ der Polarisationsebene direkt proportional zur Weglänge d des Lichtstrahls im Körper:

wo α ist Rotationsfähigkeit (spezifische Rotation), je nach Stoffart, Temperatur und Wellenlänge. Bei Links- und Rechtsrotationsmodifikationen sind die Rotationsfähigkeiten gleich groß.

Für Lösungen der Drehwinkel der Polarisationsebene

,

wobei α die spezifische Drehung ist, c die Konzentration der optisch aktiven Substanz in der Lösung ist. Der Wert von α hängt von der Art der optisch aktiven Substanz und des Lösungsmittels, der Temperatur und der Wellenlänge des Lichts ab. Spezifische Drehung- dies ist ein 100-fach erhöhter Rotationswinkel für eine 1 dm dicke Lösung bei einer Stoffkonzentration von 1 Gramm pro 100 cm 3 Lösung bei einer Temperatur von 20 0 C und einer Lichtwellenlänge λ = 589 nm. Eine sehr empfindliche Methode zur Bestimmung der Konzentration c, bezogen auf dieses Verhältnis, wird genannt Polarimetrie (Saccharimetrie).

Die Abhängigkeit der Drehung der Polarisationsebene von der Wellenlänge des Lichts wird genannt Rotationsdispersion. In erster Näherung gibt es Bios Gesetz:

wobei A ein von der Art des Stoffes und der Temperatur abhängiger Koeffizient ist.

In einer klinischen Umgebung ist die Methode Polarimetrie verwendet, um die Konzentration von Zucker im Urin zu bestimmen. Das dafür verwendete Gerät heißt Saccharimeter(Abb. 9).

Reis. 9. Optischer Aufbau des Saccharimeters:

Und - eine natürliche Lichtquelle;

C - Lichtfilter (Monochromator), der die Koordination des Gerätebetriebs gewährleistet

mit dem Gesetz von Biot;

L ist eine Sammellinse, die am Ausgang einen parallelen Lichtstrahl liefert;

P - Polarisator;

K – Röhrchen mit Testlösung;

A - Analysator auf einer rotierenden Scheibe D mit Unterteilungen montiert.

Bei der Durchführung einer Studie wird der Analysator zunächst ohne Testlösung auf die maximale Verdunkelung des Gesichtsfeldes eingestellt. Dann wird ein Röhrchen mit einer Lösung in das Gerät gestellt und durch Drehen des Analysators wird das Sichtfeld wieder abgedunkelt. Der kleinere der beiden Winkel, um die der Analysator gedreht werden muss, ist der Drehwinkel für den Analyten. Der Winkel wird verwendet, um die Zuckerkonzentration in der Lösung zu berechnen.

Um die Berechnungen zu vereinfachen, wird das Röhrchen mit der Lösung so lang gemacht, dass der Drehwinkel des Analysators (in Grad) numerisch gleich der Konzentration ist mit Lösung (in Gramm pro 100 cm 3). Die Länge des Röhrchens für Glukose beträgt 19 cm.

polarisierende Mikroskopie. Die Methode basiert auf Anisotropie einige Komponenten von Zellen und Geweben, die erscheinen, wenn sie in polarisiertem Licht beobachtet werden. Strukturen, die aus parallel angeordneten Molekülen oder stapelförmig angeordneten Scheiben bestehen, zeigen beim Einbringen in ein Medium mit einem Brechungsindex, der sich von dem Brechungsindex der Partikel der Struktur unterscheidet, die Fähigkeit dazu Doppelbrechung. Dies bedeutet, dass die Struktur polarisiertes Licht nur durchlässt, wenn die Polarisationsebene parallel zu den Längsachsen der Partikel ist. Dies gilt auch dann, wenn die Teilchen keine eigene Doppelbrechung aufweisen. Optisch Anisotropie beobachtet in Muskel, Bindegewebe (Kollagen) und Nervenfasern.

Der eigentliche Name des Skelettmuskels gestreift" aufgrund der unterschiedlichen optischen Eigenschaften einzelner Abschnitte der Muskelfaser. Sie besteht aus abwechselnd dunkleren und helleren Bereichen der Gewebesubstanz. Dadurch erhält die Faser eine Querstreifung. Die Untersuchung der Muskelfaser in polarisiertem Licht zeigt, dass die Bereiche dunkler sind anisotrop und Eigenschaften haben Doppelbrechung, während die dunkleren Bereiche sind isotrop. Kollagen Fasern sind anisotrop, ihre optische Achse liegt entlang der Faserachse. Mizellen im Fruchtfleisch Neurofibrillen sind ebenfalls anisotrop, aber ihre optischen Achsen liegen in radialen Richtungen. Zur histologischen Untersuchung dieser Strukturen wird ein Polarisationsmikroskop verwendet.

Das wichtigste Bauteil eines Polarisationsmikroskops ist der Polarisator, der sich zwischen der Lichtquelle und dem Kondensator befindet. Außerdem verfügt das Mikroskop über einen Drehtisch bzw. Probenhalter, einen zwischen Objektiv und Okular angeordneten Analysator, der senkrecht zur Polarisatorachse eingebaut werden kann, und einen Kompensator.

Wenn Polarisator und Analysator gekreuzt sind und das Objekt fehlt oder isotrop das Feld erscheint gleichmäßig dunkel. Wenn es ein Objekt mit Doppelbrechung gibt und es so angeordnet ist, dass seine Achse in einem Winkel zur Polarisationsebene steht, der sich von 0 0 oder von 90 0 unterscheidet, teilt es das polarisierte Licht in zwei Komponenten - parallel und senkrecht zur Ebene des Analysators. Folglich geht ein Teil des Lichts durch den Analysator, was zu einem hellen Bild des Objekts vor einem dunklen Hintergrund führt. Wenn sich das Objekt dreht, ändert sich die Helligkeit seines Bildes und erreicht ein Maximum bei einem Winkel von 45 0 relativ zum Polarisator oder Analysator.

Die Polarisationsmikroskopie wird verwendet, um die Orientierung von Molekülen in biologischen Strukturen (z. B. Muskelzellen) zu untersuchen, sowie bei der Beobachtung von Strukturen, die mit anderen Methoden unsichtbar sind (z. B. die mitotische Spindel während der Zellteilung), die Identifizierung der helikalen Struktur.

Polarisiertes Licht wird unter Modellbedingungen verwendet, um die im Knochengewebe auftretenden mechanischen Spannungen zu bewerten. Diese Methode basiert auf dem Phänomen der Photoelastizität, das darin besteht, dass bei zunächst isotropen Festkörpern unter Einwirkung mechanischer Belastungen eine optische Anisotropie auftritt.

BESTIMMUNG DER LICHTWELLENLÄNGE MITHILFE EINES BEUGUNGSGITTERS

Lichtinterferenz. Lichtinterferenz ist ein Phänomen, das bei der Überlagerung von Lichtwellen auftritt und mit deren Verstärkung oder Dämpfung einhergeht. Bei der Überlagerung kohärenter Wellen entsteht ein stabiles Interferenzmuster. Als kohärente Wellen bezeichnet man Wellen mit gleichen Frequenzen und gleichen Phasen oder mit konstanter Phasenverschiebung. Eine Verstärkung von Lichtwellen während der Interferenz (Maximalbedingung) tritt auf, wenn Δ auf eine gerade Anzahl von Halbwellenlängen passt:

wo k – maximale Ordnung, k=0,±1,±2,±,…±n;

λ ist die Länge der Lichtwelle.

Eine Abschwächung der Lichtwellen während der Interferenz (Minimalbedingung) wird beobachtet, wenn eine ungerade Anzahl von Halbwellenlängen in den optischen Gangunterschied Δ passt:

wo k ist die Ordnung des Minimums.

Der optische Wegunterschied zweier Strahlen ist der Abstandsunterschied von den Quellen zum Beobachtungspunkt des Interferenzmusters.

Interferenz in dünnen Filmen. Interferenzen in dünnen Filmen können in Seifenblasen beobachtet werden, in einem Kerosinfleck auf der Wasseroberfläche, wenn sie von Sonnenlicht beleuchtet werden.

Lassen Sie Strahl 1 auf die Oberfläche eines dünnen Films fallen (siehe Abb. 2). Der an der Luft-Film-Grenzfläche gebrochene Strahl passiert den Film, wird von seiner Innenfläche reflektiert, nähert sich der Außenfläche des Films, wird an der Film-Luft-Grenzfläche gebrochen und der Strahl tritt aus. Wir lenken Strahl 2 auf den Strahlaustrittspunkt, der parallel zu Strahl 1 verläuft. Strahl 2 wird von der Oberfläche der Folie reflektiert, überlagert Strahl , und beide Strahlen interferieren.

Beleuchtet man den Film mit polychromatischem Licht, erhält man ein Regenbogenbild. Dies liegt an der Tatsache, dass der Film keine gleichmäßige Dicke hat. Dadurch entstehen unterschiedlich große Gangunterschiede, die unterschiedlichen Wellenlängen entsprechen (gefärbte Seifenfilme, schillernde Farben der Flügel einiger Insekten und Vögel, Ölfilme oder Öle auf der Wasseroberfläche etc.).

Lichtinterferenz wird in Geräten verwendet - Interferometer. Interferometer sind optische Geräte, die verwendet werden können, um zwei Strahlen räumlich zu trennen und einen bestimmten Gangunterschied zwischen ihnen zu erzeugen. Interferometer dienen zur hochgenauen Bestimmung der Wellenlänge kleiner Entfernungen, der Brechungsindizes von Stoffen und zur Qualitätsbestimmung optischer Oberflächen.

Für sanitäre und hygienische Zwecke wird das Interferometer zur Bestimmung des Gehalts an schädlichen Gasen verwendet.

Die Kombination aus einem Interferometer und einem Mikroskop (Interferenzmikroskop) wird in der Biologie verwendet, um den Brechungsindex, die Trockensubstanzkonzentration und die Dicke von transparenten Mikroobjekten zu messen.

Huygens-Fresnel-Prinzip. Nach Huygens ist jeder Punkt des Mediums, den die Primärwelle zu einem bestimmten Zeitpunkt erreicht, eine Quelle von Sekundärwellen. Fresnel verfeinerte diese Position von Huygens, indem er hinzufügte, dass die Sekundärwellen kohärent sind, d.h. Wenn sie überlagert werden, ergeben sie ein stabiles Interferenzmuster.

Lichtbeugung. Lichtbeugung ist das Phänomen der Abweichung von Licht von der geradlinigen Ausbreitung.

Beugung in parallelen Strahlen aus einem Spalt. Lassen Sie das Ziel weit auf in ein paralleler Strahl monochromatischen Lichts fällt ein (siehe Abb. 3):

Im Strahlengang ist eine Linse eingebaut L , in deren Brennebene sich der Bildschirm befindet E . Die meisten Strahlen werden nicht gebeugt; ändern ihre Richtung nicht, und sie werden durch das Objektiv fokussiert L in der Mitte des Bildschirms, wodurch ein zentrales Maximum oder Maximum nullter Ordnung gebildet wird. Strahlen, die unter gleichen Beugungswinkeln gebeugt werden φ , bilden Maxima auf dem Bildschirm 1,2,3,…, n - Aufträge.

So ist das aus einem Spalt in parallelen Strahlen erhaltene Beugungsmuster bei Beleuchtung mit monochromatischem Licht ein heller Streifen bei maximaler Beleuchtung in der Mitte des Schirms, dann kommt ein dunkler Streifen (Minimum 1. Ordnung), dann kommt ein heller Streifen ( Maximum 1. Ordnung), Dunkelband (Minimum 2. Ordnung), Maximum 2. Ordnung usw. Das Beugungsmuster ist bezüglich des zentralen Maximums symmetrisch. Wenn der Spalt mit weißem Licht beleuchtet wird, bildet sich auf dem Schirm ein System farbiger Streifen, nur das zentrale Maximum behält die Farbe des einfallenden Lichts.

Bedingungen max und Mindest Beugung. Wenn in der optischen Wegdifferenz Δ passen eine ungerade Anzahl von Segmenten gleich , dann gibt es eine Zunahme der Lichtintensität ( max Beugung):

wo k ist die Ordnung des Maximums; k =±1,±2,±…,± n;

λ ist die Wellenlänge.

Wenn in der optischen Wegdifferenz Δ passen eine gerade Anzahl von Segmenten gleich , dann kommt es zu einer Abschwächung der Lichtintensität ( Mindest Beugung):

wo k ist die Ordnung des Minimums.

Beugungsgitter. Ein Beugungsgitter besteht aus lichtundurchlässigen Streifen und lichtdurchlässigen Streifen (Schlitzen) gleicher Breite.

Das Hauptmerkmal eines Beugungsgitters ist seine Periode d . Die Periode des Beugungsgitters ist die Gesamtbreite der transparenten und undurchsichtigen Bänder:

Ein Beugungsgitter wird in optischen Instrumenten verwendet, um die Auflösung des Instruments zu verbessern. Die Auflösung eines Beugungsgitters hängt von der Ordnung des Spektrums ab k und von der Schlagzahl N :

wo R - Auflösung.

Ableitung der Beugungsgitterformel. Lassen Sie uns zwei parallele Strahlen auf das Beugungsgitter richten: 1 und 2, so dass der Abstand zwischen ihnen gleich der Gitterperiode ist d .

An Punkten SONDERN und BEIM Die Strahlen 1 und 2 werden gebeugt und weichen von der geradlinigen Richtung in einem Winkel ab φ ist der Beugungswinkel.

Strahlen und durch Linse fokussiert L auf einen Schirm, der sich in der Brennebene des Objektivs befindet (Abb. 5). Jeder Schlitz des Gitters kann als Quelle von Sekundärwellen betrachtet werden (das Huygens-Fresnel-Prinzip). Auf dem Schirm am Punkt D beobachten wir das Maximum des Interferenzmusters.

Von einem Punkt SONDERN auf dem Strahlengang Lassen Sie die Senkrechte fallen und erhalten Sie Punkt C. Betrachten Sie ein Dreieck ABC : rechtwinkliges Dreieck РВАС=Рφ als Winkel mit zueinander senkrechten Seiten. Aus Δ ABC:

wo AB=d (Durch den Bau),

SW = ∆ ist die optische Wegdifferenz.

Da wir am Punkt D die maximale Interferenz beobachten, dann

wo k ist die Ordnung des Maximums,

λ ist die Länge der Lichtwelle.

Einstecken der Werte AB=d, in die Formel für Sündeφ :

Von hier erhalten wir:

Im Allgemeinen hat die Beugungsgitterformel die Form:

Die ± Zeichen zeigen, dass das Interferenzmuster auf dem Schirm symmetrisch zum zentralen Maximum ist.

Physikalische Grundlagen der Holographie. Die Holographie ist ein Verfahren zur Aufzeichnung und Rekonstruktion eines Wellenfeldes, das auf den Phänomenen der Wellenbeugung und -interferenz beruht. Fixiert man auf einem normalen Foto nur die Intensität der vom Objekt reflektierten Wellen, so werden zusätzlich die Phasen der Wellen auf dem Hologramm aufgezeichnet, was zusätzliche Informationen über das Objekt liefert und eine dreidimensionale Abbildung ermöglicht das Objekt.