Optiikan ongelmia ratkaistaessa on usein tarpeen tietää lasin, veden tai muun aineen taitekerroin. Lisäksi eri tilanteissa tämän määrän absoluuttiset ja suhteelliset arvot voivat olla mukana.

Kahdenlaisia ​​taitekerrointa

Ensinnäkin siitä, mitä tämä numero osoittaa: kuinka tämä tai tuo läpinäkyvä väliaine muuttaa valon etenemissuuntaa. Lisäksi sähkömagneettinen aalto voi tulla tyhjiöstä, ja sitten lasin tai muun aineen taitekerrointa kutsutaan absoluuttiseksi. Useimmissa tapauksissa sen arvo on välillä 1-2. Vain hyvin harvoissa tapauksissa taitekerroin on suurempi kuin kaksi.

Jos kohteen edessä on keskitiheämpi kuin tyhjiö, puhutaan suhteellisesta arvosta. Ja se lasketaan kahden absoluuttisen arvon suhteena. Esimerkiksi vesilasin suhteellinen taitekerroin on yhtä suuri kuin lasin ja veden absoluuttisten arvojen osamäärä.

Joka tapauksessa sitä merkitään latinalaisella kirjaimella "en" - n. Tämä arvo saadaan jakamalla saman nimen arvot toisillaan, joten se on yksinkertaisesti kerroin, jolla ei ole nimeä.

Mikä on kaava taitekertoimen laskemiseksi?

Jos otamme tulokulman "alfaksi" ja nimetään taitekulmaksi "beta", taitekertoimen absoluuttisen arvon kaava näyttää tältä: n = sin α / sin β. Englanninkielisessä kirjallisuudessa voit usein löytää toisenlaisen nimityksen. Kun tulokulma on i ja taitekulma on r.

On olemassa toinen kaava valon taitekertoimen laskemiseksi lasissa ja muissa läpinäkyvissä väliaineissa. Se liittyy valon nopeuteen tyhjiössä ja siihen, mutta jo tarkasteltavassa aineessa.

Sitten se näyttää tältä: n = c/νλ. Tässä c on valon nopeus tyhjiössä, ν on sen nopeus läpinäkyvässä väliaineessa ja λ on aallonpituus.

Mistä taitekerroin riippuu?

Se määräytyy nopeuden mukaan, jolla valo etenee tarkasteltavassa väliaineessa. Ilma on tässä suhteessa hyvin lähellä tyhjiötä, joten siinä etenevät valoaallot eivät käytännössä poikkea alkuperäisestä suunnastaan. Siksi, jos lasi-ilman tai jonkin muun ilmaan liittyvän aineen taitekerroin määritetään, niin jälkimmäinen otetaan ehdollisesti tyhjiöksi.

Kaikilla muilla välineillä on omat ominaisuutensa. Niillä on erilaiset tiheydet, niillä on oma lämpötilansa sekä kimmojännitykset. Kaikki tämä vaikuttaa aineen valon taittumisen tulokseen.

Ei vähäisin rooli aallon etenemissuunnan muuttamisessa on valon ominaisuuksilla. Valkoinen valo koostuu useista väreistä punaisesta purppuraan. Jokainen spektrin osa taittuu omalla tavallaan. Lisäksi spektrin punaisen osan aallon indikaattorin arvo on aina pienempi kuin muun. Esimerkiksi TF-1-lasin taitekerroin vaihtelee 1,6421:stä 1,67298:aan spektrin punaisesta violettiin osaan.

Esimerkkiarvot eri aineille

Tässä ovat absoluuttisten arvojen arvot, eli taitekerroin, kun säde kulkee tyhjiöstä (joka vastaa ilmaa) toisen aineen läpi.

Näitä lukuja tarvitaan, jos on tarpeen määrittää lasin taitekerroin suhteessa muihin väliaineisiin.

Mitä muita määriä käytetään ongelmien ratkaisemiseen?

Täysi heijastus. Se tapahtuu, kun valo siirtyy tiheämästä väliaineesta vähemmän tiheään. Tässä tietyllä tulokulman arvolla taittuminen tapahtuu suorassa kulmassa. Eli säde liukuu kahden väliaineen rajaa pitkin.

Kokonaisheijastuksen rajakulma on sen minimiarvo, jossa valo ei pääse karkaamaan vähemmän tiheään väliaineeseen. Vähemmän kuin se - tapahtuu taittumista ja enemmän - heijastusta samaan väliaineeseen, josta valo siirtyi.

Tehtävä 1

Kunto. Lasin taitekerroin on 1,52. On tarpeen määrittää rajakulma, jossa valo heijastuu kokonaan pintojen välisestä rajapinnasta: lasi ilman kanssa, vesi ilman kanssa, lasi veden kanssa.

Sinun on käytettävä taulukossa annettuja veden taitekerrointietoja. Se on yhtä suuri kuin ilman yhtenäisyys.

Ratkaisu kaikissa kolmessa tapauksessa pelkistetään laskelmiksi kaavalla:

sin α 0 / sin β = n 1 / n 2, jossa n 2 viittaa väliaineeseen, josta valo etenee, ja n 1, johon se tunkeutuu.

Kirjain α 0 tarkoittaa rajakulmaa. Kulman β arvo on 90 astetta. Eli sen sini on yhtenäisyys.

Ensimmäisessä tapauksessa: sin α 0 = 1 /n lasia, niin rajakulma on yhtä suuri kuin 1 /n lasin arsini. 1/1,52 = 0,6579. Kulma on 41,14º.

Toisessa tapauksessa, kun määrität arcsinin, sinun on korvattava veden taitekertoimen arvo. Veden osa 1 / n saa arvon 1 / 1,33 \u003d 0, 7519. Tämä on kulman 48,75º arcsini.

Kolmatta tapausta kuvaa n veden ja n lasin suhde. Arsini on laskettava murto-osalle: 1,33 / 1,52, eli luku 0,875. Rajakulman arvo löytyy sen arksinin mukaan: 61,05º.

Vastaus: 41,14º, 48,75º, 61,05º.

Tehtävä #2

Kunto. Lasiprisma upotetaan vedellä täytettyyn astiaan. Sen taitekerroin on 1,5. Prisma perustuu suorakulmaiseen kolmioon. Isompi jalka on kohtisuorassa pohjaan nähden, ja toinen on yhdensuuntainen sen kanssa. Valosäde osuu normaalisti prisman yläpinnalle. Mikä pitäisi olla pienin kulma vaakasuoran jalan ja hypotenuusan välillä, jotta valo saavuttaa jalan kohtisuorassa suonen pohjaan nähden ja poistuu prismasta?

Jotta säde poistuisi prismasta kuvatulla tavalla, sen on pudottava rajoittavassa kulmassa sisäpinnalle (selle, joka on prisman leikkauksen kolmion hypotenuusa). Rakenteella tämä rajoituskulma osoittautuu yhtä suureksi kuin vaadittu suorakulmaisen kolmion kulma. Valon taittumislain perusteella käy ilmi, että rajakulman sini jaettuna 90 asteen sinillä on yhtä suuri kuin kahden taitekertoimen suhde: vesi ja lasi.

Laskelmat johtavat tällaiseen rajakulman arvoon: 62º30´.

LUENTOON №24

"INSTRUMENTAALISET ANALYYSIMENETELMÄT"

REFRAKTOMETRIA.

Kirjallisuus:

1. V.D. Ponomarev "Analyyttinen kemia" 1983 246-251

2. A.A. Ishchenko "Analyyttinen kemia" 2004, s. 181-184

REFRAKTOMETRIA.

Refraktometria on yksi yksinkertaisimmista fysikaalisista analyysimenetelmistä, joka vaatii vähimmäismäärän analyyttiä, ja se suoritetaan hyvin lyhyessä ajassa.

Refraktometria- menetelmä, joka perustuu taittumiseen tai taittumiseen, ts. muuttaa valon etenemissuuntaa siirtyessään väliaineesta toiseen.

Taittuminen, samoin kuin valon absorptio, on seurausta sen vuorovaikutuksesta väliaineen kanssa. Sana refraktometria tarkoittaa ulottuvuus valon taittuminen, joka arvioidaan taitekertoimen arvolla.

Taitekertoimen arvo n riippuu

1) aineiden ja järjestelmien koostumuksesta,

2) alkaen millä pitoisuudella ja mitä molekyylejä valonsäde kohtaa matkallaan, koska Valon vaikutuksesta eri aineiden molekyylit polarisoituvat eri tavoin. Tähän riippuvuuteen refraktometrinen menetelmä perustuu.

Tällä menetelmällä on useita etuja, minkä seurauksena se on löytänyt laajan käytön sekä kemiallisessa tutkimuksessa että teknisten prosessien ohjauksessa.

1) Taitekertoimien mittaus on hyvin yksinkertainen prosessi, joka suoritetaan tarkasti ja minimaalisella ajan ja aineen määrällä.

2) Yleensä refraktometrit tarjoavat jopa 10 % tarkkuuden valon taitekertoimen ja analyytin pitoisuuden määrittämisessä

Refraktometriamenetelmää käytetään aitouden ja puhtauden valvomiseen, yksittäisten aineiden tunnistamiseen, orgaanisten ja epäorgaanisten yhdisteiden rakenteen määrittämiseen liuostutkimuksessa. Refraktometriaa käytetään kaksikomponenttiliuosten koostumuksen määrittämiseen ja kolmikomponenttisiin järjestelmiin.

Menetelmän fyysinen perusta

TAITTEEN INDIKAATTORI.

Valosäteen poikkeama alkuperäisestä suunnastaan ​​sen siirtyessä yhdestä väliaineesta toiseen on sitä suurempi, mitä suurempi on ero valon etenemisnopeuksissa kahdessa

näitä ympäristöjä.

Tarkastellaan valonsäteen taittumista minkä tahansa kahden läpinäkyvän väliaineen I ja II rajalla (katso kuva). Olkaamme samaa mieltä siitä, että väliaine II:lla on suurempi taitekyky ja siksi n 1 ja n 2- näyttää vastaavan väliaineen taittumisen. Jos väliaine I ei ole tyhjiö eikä ilma, niin valonsäteen tulokulman sin suhde taitekulman siniin antaa suhteellisen taitekertoimen n rel arvon. Arvo n rel. voidaan myös määritellä tarkasteltavien väliaineiden taitekertoimien suhteeksi.

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

Taitekertoimen arvo riippuu

1) aineiden luonne

Aineen luonteen tässä tapauksessa määrää sen molekyylien muodonmuutosaste valon vaikutuksesta - polarisoituvuusaste. Mitä voimakkaampi polarisoituvuus, sitä voimakkaampi valon taittuminen.

2)tulevan valon aallonpituus

Taitekertoimen mittaus suoritetaan valon aallonpituudella 589,3 nm (natriumspektrin viiva D).

Taitekertoimen riippuvuutta valon aallonpituudesta kutsutaan dispersioksi. Mitä lyhyempi aallonpituus, sitä suurempi taittuminen. Siksi eri aallonpituuksilla olevat säteet taittuvat eri tavalla.

3)lämpötila jossa mittaus tehdään. Edellytys taitekertoimen määrittämiselle on lämpötilajärjestelmän noudattaminen. Yleensä määritys suoritetaan lämpötilassa 20±0,3 0 С.

Lämpötilan noustessa taitekerroin pienenee, ja kun lämpötila laskee, se kasvaa..

Lämpötilakorjaus lasketaan seuraavalla kaavalla:

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

n t - Hei hei taitekerroin tietyssä lämpötilassa,

n 20 - taitekerroin lämpötilassa 20 0 С

Lämpötilan vaikutus kaasujen ja nesteiden taitekertoimien arvoihin liittyy niiden tilavuuslaajenemiskertoimien arvoihin. Kaikkien kaasujen ja nesteiden tilavuus kasvaa kuumennettaessa, tiheys pienenee ja näin ollen indikaattori pienenee

Taitekerroin, mitattuna 20 0 C:ssa ja valon aallonpituudella 589,3 nm, ilmaistaan ​​indeksillä n D 20

Homogeenisen kaksikomponenttisen järjestelmän taitekertoimen riippuvuus sen tilasta määritetään kokeellisesti määrittämällä taitekerroin useille standardijärjestelmille (esimerkiksi liuoksille), joiden komponenttien sisältö on tiedossa.

4) aineen pitoisuus liuoksessa.

Monien aineiden vesiliuosten taitekertoimet eri pitoisuuksissa ja lämpötiloissa on mitattu luotettavasti ja näissä tapauksissa voidaan käyttää vertailutietoja. refraktometriset taulukot. Käytäntö osoittaa, että kun liuenneen aineen pitoisuus ei ylitä 10-20 %, graafisen menetelmän ohella hyvin monissa tapauksissa voidaan käyttää lineaarinen yhtälö, kuten:

n=n o +FC,

n- liuoksen taitekerroin,

ei on puhtaan liuottimen taitekerroin,

C- liuenneen aineen pitoisuus, %

F-empiirinen kerroin, jonka arvo löytyy

määrittämällä tunnetun pitoisuuden omaavien liuosten taitekertoimet.

REFRAKTOMETRIT.

Refraktometrit ovat laitteita, joita käytetään taitekertoimen mittaamiseen. Näitä instrumentteja on 2 tyyppiä: Abbe-tyyppinen refraktometri ja Pulfrich-tyyppinen. Sekä niissä että muissa mittaukset perustuvat rajataitekulman suuruuden määrittämiseen. Käytännössä käytetään eri järjestelmien refraktometrejä: laboratorio-RL, universaali RLU jne.

Tislatun veden taitekerroin n 0 \u003d 1,33299, käytännössä tämä indikaattori on viitteenä n 0 =1,333.

Refraktometrien toimintaperiaate perustuu taitekertoimen määrittämiseen rajoituskulmamenetelmällä (valon kokonaisheijastuskulma).

Käsien refraktometri

Refraktometri Abbe

Lippu 75.

Valon heijastuksen laki: tuleva ja heijastuva säde sekä kohtisuora kahden väliaineen rajapintaan nähden, palautettu säteen tulopisteeseen, ovat samassa tasossa (tulotasossa). Heijastuskulma γ on yhtä suuri kuin tulokulma α.

Valon taittumisen laki: tuleva ja taittuneet säteet sekä säteen tulopisteeseen palautettu kohtisuora kahden väliaineen rajapintaan ovat samassa tasossa. Tulokulman α sinin suhde taitekulman β siniin on vakioarvo kahdelle tietylle väliaineelle:

Heijastuksen ja taittumisen lait selitetään aaltofysiikassa. Aaltokäsitteiden mukaan taittuminen on seurausta aallon etenemisnopeuden muutoksesta siirtymisen aikana väliaineesta toiseen. Taitekertoimen fyysinen merkitys on aallon etenemisnopeuden suhde ensimmäisessä väliaineessa υ 1 niiden etenemisnopeuteen toisessa väliaineessa υ 2:

Kuva 3.1.1 havainnollistaa valon heijastuksen ja taittumisen lakeja.

Väliainetta, jolla on pienempi absoluuttinen taitekerroin, kutsutaan optisesti vähemmän tiheäksi.

Kun valo siirtyy optisesti tiheämästä väliaineesta optisesti vähemmän tiheään n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать kokonaisheijastusilmiö, eli taittuneen säteen katoaminen. Tämä ilmiö havaitaan tulokulmissa, jotka ylittävät tietyn kriittisen kulman α pr, jota kutsutaan sisäisen kokonaisheijastuksen rajoittava kulma(katso kuva 3.1.2).

Tulokulmalle α = α pr sin β = 1; arvo sin α pr \u003d n 2 / n 1< 1.

Jos toinen väliaine on ilma (n 2 ≈ 1), on kätevää kirjoittaa kaava uudelleen muotoon

Täydellisen sisäisen heijastuksen ilmiölle löytyy käyttöä monissa optisissa laitteissa. Mielenkiintoisin ja käytännössä tärkein sovellus on kuituvalojohtimien luominen, jotka ovat ohuita (useasta mikrometreistä millimetreihin) mielivaltaisesti taivutettuja filamentteja optisesti läpinäkyvästä materiaalista (lasi, kvartsi). Kuidun päähän putoava valo voi levitä sitä pitkin pitkiä matkoja johtuen kokonaisheijastuksesta sivupinnoilta (kuva 3.1.3). Optisten valojohtimien kehittämiseen ja soveltamiseen liittyvää tieteellistä ja teknistä suuntaa kutsutaan kuituoptiikaksi.

Hävitä "rsiya light" joka (valon hajoaminen)- tämä on ilmiö, joka johtuu aineen absoluuttisen taitekertoimen riippuvuudesta valon taajuudesta (tai aallonpituudesta) (taajuusdispersio), tai sama asia, joka johtuu aineen valon vaihenopeuden riippuvuudesta valon taajuudesta (tai aallonpituudesta). aallonpituus (tai taajuus). Newton löysi sen kokeellisesti noin vuonna 1672, vaikka se selitettiin teoriassa hyvin paljon myöhemmin.

Spatiaalinen hajonta on väliaineen permittiivisyyden tensorin riippuvuus aaltovektorista. Tämä riippuvuus aiheuttaa useita ilmiöitä, joita kutsutaan spatiaalisiksi polarisaatiovaikutuksiksi.

Yksi selkeimmistä esimerkeistä hajauttamisesta - valkoisen valon hajoaminen kun se viedään prisman läpi (Newtonin kokeilu). Dispersioilmiön ydin on eri aallonpituuksilla olevien valonsäteiden etenemisnopeuksien ero läpinäkyvässä aineessa - optisessa väliaineessa (kun taas tyhjiössä valon nopeus on aina sama, riippumatta aallonpituudesta ja siten väristä) . Yleensä mitä korkeampi valoaallon taajuus, sitä suurempi väliaineen taitekerroin sille on ja sitä pienempi aallon nopeus väliaineessa:

Newtonin kokeet Koe valkoisen valon hajoamisesta spektriksi: Newton suuntasi auringonvalon pienen reiän läpi lasiprismaan. Päästyessään prismaan säde taittui ja antoi vastakkaiselle seinälle pitkänomaisen kuvan irisoivalla värien vuorottelulla - spektrin. Kokeile yksivärisen valon kulkua prisman läpi: Newton asetti auringonsäteen polulle punaisen lasin, jonka taakse hän sai monokromaattista valoa (punaista), sitten prisman ja havaitsi näytöllä vain punaisen täplän valonsäteestä. Kokemus valkoisen valon synteesistä (saannista): Ensin Newton suuntasi auringon säteen prismaan. Sitten kerättyään prismasta tulevat värilliset säteet suppenevan linssin avulla, Newton sai värillisen nauhan sijaan valkoisen kuvan reiästä valkoisella seinällä. Newtonin johtopäätökset:- prisma ei muuta valoa, vaan vain hajottaa sen komponenteiksi - väriltään erilaiset valonsäteet eroavat taittumisasteesta; violetit säteet taittuvat voimakkaimmin, punainen valo taittuu vähemmän - punaisella valolla, joka taittuu vähemmän, on suurin nopeus ja violetilla pienin, joten prisma hajottaa valoa. Valon taitekertoimen riippuvuutta sen väristä kutsutaan dispersioksi.

Johtopäätökset:- prisma hajottaa valoa - valkoinen valo on monimutkaista (komposiittia) - violetit säteet taittuvat enemmän kuin punaiset. Valosäteen väri määräytyy sen värähtelytaajuuden mukaan. Väliaineesta toiseen siirryttäessä valon nopeus ja aallonpituus muuttuvat, mutta värin määräävä taajuus pysyy vakiona. Valkoisen valon ja sen komponenttien rajoja kuvataan yleensä niiden aallonpituuksilla tyhjiössä. Valkoinen valo on kokoelma aallonpituuksia 380-760 nm.

Lippu 77.

Valon absorptio. Bouguerin laki

Valon absorptio aineessa liittyy aallon sähkömagneettisen kentän energian muuntamiseen aineen lämpöenergiaksi (tai sekundaarisen fotoluminoivan säteilyn energiaksi). Valon absorptiolain (Bouguerin laki) muoto on:

I = I 0 exp(- x),(1)

missä minä 0 , minä- tulovalon voimakkuus (x=0) ja poistu keskipaksuisesta kerroksesta X, - absorptiokerroin, se riippuu  .

Eristeille  =10 -1  10 -5 m -1 , metalleille =10 5  10 7 m -1 , siksi metallit ovat valoa läpäisemättömiä.

Riippuvuus  ( ) selittää absorboivien kappaleiden värin. Esimerkiksi lasi, joka imee vähän punaista valoa, näyttää punaiselta, kun se valaistaan ​​valkoisella valolla.

Valon sironta. Rayleighin laki

Valon taittuminen voi tapahtua optisesti epähomogeenisessa väliaineessa, esimerkiksi sameassa väliaineessa (savu, sumu, pölyinen ilma jne.). Diffraktoimalla väliaineen epähomogeenisuuksiin valoaallot luovat diffraktiokuvion, jolle on tunnusomaista melko tasainen intensiteettijakauma kaikkiin suuntiin.

Tällaista pienten epähomogeenisuuksien diffraktiota kutsutaan valon sironta.

Tämä ilmiö havaitaan, jos kapea auringonvalosäde kulkee pölyisen ilman läpi, leviää pölyhiukkasten päälle ja tulee näkyväksi.

Jos epähomogeenisuuksien mitat ovat pieniä verrattuna aallonpituuteen (enintään 0,1  ), silloin sironneen valon intensiteetti on kääntäen verrannollinen aallonpituuden neljänteen potenssiin, ts.

minä rass ~ 1/  4 , (2)

tätä suhdetta kutsutaan Rayleighin laiksi.

Valon sirontaa havaitaan myös puhtaissa väliaineissa, jotka eivät sisällä vieraita hiukkasia. Se voi esiintyä esimerkiksi tiheyden, anisotropian tai pitoisuuden vaihteluissa (satunnaisissa poikkeamissa). Tällaista sirontaa kutsutaan molekyyliksi. Se selittää esimerkiksi taivaan sinisen värin. Todellakin, kohdan (2) mukaan siniset ja siniset säteet hajaantuvat voimakkaammin kuin punainen ja keltainen, koska on lyhyempi aallonpituus, mikä aiheuttaa taivaan sinisen värin.

Lippu 78.

Valon polarisaatio- joukko aaltooptiikan ilmiöitä, joissa sähkömagneettisten valoaaltojen poikittaisluonne ilmenee. poikittaisaalto- väliaineen hiukkaset värähtelevät aallon etenemissuuntaan nähden kohtisuorassa suunnassa ( kuva 1).

Kuva 1 poikittaisaalto

sähkömagneettinen valoaalto taso polarisoitunut(lineaarinen polarisaatio), jos vektorien E ja B värähtelysuunnat ovat tiukasti kiinteitä ja sijaitsevat tietyillä tasoilla ( kuva 1). Tasopolarisoitua valoaaltoa kutsutaan taso polarisoitunut(lineaarisesti polarisoitunut) valo. polarisoimaton(luonnollinen) aalto - sähkömagneettinen valoaalto, jossa vektorien E ja B värähtelysuunnat tässä aallossa voivat olla missä tahansa tasoissa, jotka ovat kohtisuorassa nopeusvektoriin v. polarisoimaton valo- valoaallot, joissa vektorien E ja B värähtelysuunnat muuttuvat satunnaisesti niin, että kaikki värähtelysuunnat tasoissa, jotka ovat kohtisuorassa aallon etenemissädettä vastaan, ovat yhtä todennäköisiä ( kuva 2).

Kuva 2 polarisoimaton valo

polarisoidut aallot- jossa vektorien E ja B suunnat pysyvät muuttumattomina avaruudessa tai muuttuvat tietyn lain mukaan. Säteily, jossa vektorin E suunta muuttuu satunnaisesti - polaroimaton. Esimerkki tällaisesta säteilystä voi olla lämpösäteily (satunnaisesti jakautuneet atomit ja elektronit). Polarisaatiotaso- tämä on taso, joka on kohtisuorassa vektorin E värähtelysuuntaan nähden. Polarisoidun säteilyn esiintymisen päämekanismi on elektronien, atomien, molekyylien ja pölyhiukkasten aiheuttama säteilyn sironta.

1.2. Polarisaatiotyypit Polarisaatiota on kolmea tyyppiä. Määritellään ne. 1. Lineaarinen Tapahtuu, jos sähkövektori E säilyttää paikkansa avaruudessa. Se tavallaan korostaa tason, jossa vektori E värähtelee. 2. Pyöreä Tämä on polarisaatio, joka tapahtuu, kun sähkövektori E pyörii aallon etenemissuunnan ympäri kulmanopeudella, joka on yhtä suuri kuin aallon kulmataajuus, samalla kun sen absoluuttinen arvo säilyy. Tämä polarisaatio luonnehtii vektorin E pyörimissuuntaa tasossa, joka on kohtisuorassa näkölinjaan nähden. Esimerkki on syklotronisäteily (magneettikentässä pyörivien elektronien järjestelmä). 3. Elliptinen Tapahtuu, kun sähkövektorin E suuruus muuttuu niin, että se kuvaa ellipsiä (vektorin E pyörimistä). Elliptinen ja ympyräpolarisaatio on oikea (vektorin E pyöriminen tapahtuu myötäpäivään, jos katsot etenevää aaltoa kohti) ja vasemmalle (vektorin E pyöriminen tapahtuu vastapäivään, jos katsot etenevää aaltoa kohti).

Itse asiassa yleisin osittainen polarisaatio (osittain polarisoidut sähkömagneettiset aallot). Kvantitatiivisesti sille on ominaista tietty määrä ns polarisaation aste R, joka määritellään seuraavasti: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) missä Imax,olen mukana- suurin ja pienin sähkömagneettisen energiavuon tiheys analysaattorin läpi (Polaroid, Nicol-prisma…). Käytännössä säteilypolarisaatiota kuvataan usein Stokes-parametreilla (määritetään säteilyvuot tietyllä polarisaatiosuunnalla).

Lippu 79.

Jos luonnonvalo osuu kahden eristeen (esimerkiksi ilman ja lasin) väliselle rajapinnalle, osa siitä heijastuu ja osa taittuu ja etenee toisessa väliaineessa. Asettamalla analysaattorin (esim. turmaliini) heijastuneiden ja taittuneiden säteiden reitille varmistamme, että heijastuneet ja taittuneet säteet ovat osittain polarisoituneita: kun analysaattoria pyöritetään säteiden ympärillä, valon intensiteetti ajoittain kasvaa ja laskee ( täydellistä sukupuuttoon kuolemista ei havaita!). Lisätutkimukset osoittivat, että heijastuneessa säteessä vallitsevat tulotasoon nähden kohtisuorat värähtelyt (kuvassa 275 ne on merkitty pisteillä), taittuneessa säteessä - tulotason suuntaiset värähtelyt (näkyy nuolilla).

Polarisaatioaste (valoaaltojen erotusaste sähköisen (ja magneettisen) vektorin tietyllä suunnalla) riippuu säteiden tulokulmasta ja taitekertoimesta. Skotlantilainen fyysikko D. Brewster(1781-1868) perustettiin laki, jonka mukaan tulokulmassa i B (Brewster-kulma), määritellään suhteella

(n 21 - toisen väliaineen taitekerroin suhteessa ensimmäiseen), heijastuva säde on tasopolarisoitu(sisältää vain värähtelyjä kohtisuorassa tulotasoon nähden) (Kuva 276). Taittunut säde tulokulmassai B polarisoitunut maksimiin, mutta ei täysin.

Jos valo osuu rajapinnalle Brewsterin kulmassa, heijastuneet ja taittuneet säteet keskenään kohtisuorassa(tg i B = synti i B/cos i b, n 21 = synti i B / synti i 2 (i 2 - taitekulma), josta cos i B = synti i 2). Näin ollen i B + i 2 =  /2, mutta i’ B= i B (heijastuslaki), joten i’ B+ i 2 =  /2.

Heijastuneen ja taittuneen valon polarisaatioaste eri tulokulmissa voidaan laskea Maxwellin yhtälöistä, jos otetaan huomioon sähkömagneettisen kentän rajaehdot kahden isotrooppisen dielektrin rajapinnassa (ns. Fresnel-kaavat).

Taittuneen valon polarisaatioastetta voidaan lisätä merkittävästi (toistuvalla taitolla, jos valo putoaa joka kerta rajapinnalle Brewsterin kulmassa). Jos esimerkiksi lasille ( n= 1.53), taittuneen säteen polarisaatioaste on 15%, sitten 8-10 päällekkäisen lasilevyn taittamisen jälkeen tällaisesta järjestelmästä tuleva valo on lähes täysin polarisoitunut. Tätä levysarjaa kutsutaan jalka. Jalan avulla voidaan analysoida polarisoitunutta valoa sekä sen heijastuksessa että taittumisessa.

Lippu 79 (spurille)

Kuten kokemus osoittaa, valon taittumisen ja heijastuksen aikana taittunut ja heijastunut valo osoittautuu polarisoituneeksi ja heijastukseksi. valo voi olla täysin polarisoitua tietyssä tulokulmassa, mutta valo on aina osittain polarisoitunut.Frinelin kaavojen perusteella voidaan osoittaa, että heijastuu. valo polarisoituu tasossa, joka on kohtisuorassa tulotasoon ja taittumiseen nähden. valo on polarisoitu tasossa, joka on yhdensuuntainen tulotason kanssa.

Tulokulma, jossa heijastus Valo on täysin polarisoitunut kutsutaan Brewsterin kulmaksi.Brewsterin kulma määräytyy Brewsterin lain mukaan: -Brewsterin laki.Tässä tapauksessa heijastuksen välinen kulma. ja rikkoa. säteet ovat yhtä suuret Ilma-lasijärjestelmässä Brewsterin kulma on yhtä suuri Hyvän polarisaation saamiseksi, ts. , kun valo taittuu, käytetään paljon rikkinäisiä pintoja, joita kutsutaan Stoletovin jalaksi.

Lippu 80.

Kokemus osoittaa, että valon vuorovaikutuksessa aineen kanssa pääasia (fysiologinen, fotokemiallinen, valosähköinen jne.) aiheutuu vektorin värähtelyistä, jota tässä yhteydessä joskus kutsutaan valovektoriksi. Siksi valon polarisaatiokuvioiden kuvaamiseksi tarkkaillaan vektorin käyttäytymistä.

Vektorien muodostamaa tasoa kutsutaan polarisaatiotasoksi.

Jos vektorin värähtelyt tapahtuvat yhdessä kiinteässä tasossa, niin tällaista valoa (sädettä) kutsutaan lineaarisesti polarisoiduksi. Se on mielivaltaisesti nimetty seuraavasti. Jos säde on polarisoitu kohtisuorassa tasossa (tasossa xz, katso kuva. 2 toisella luennolla), se on merkitty.

Luonnonvalo (tavallisista lähteistä, auringosta) koostuu aalloista, joilla on erilaiset, satunnaisesti jakautuneet polarisaatiotasot (katso kuva 3).

Luonnonvaloa kutsutaan joskus perinteisesti tällä nimellä. Sitä kutsutaan myös polarisoimattomaksi.

Jos aallon etenemisen aikana vektori pyörii ja samalla vektorin pää kuvaa ympyrää, niin tällaista valoa kutsutaan ympyräpolarisoiduksi ja polarisaatio on ympyrämäinen tai ympyrä (oikea tai vasen). On myös elliptistä polarisaatiota.

On optisia laitteita (kalvot, levyt jne.) - polarisaattorit, jotka lähettävät luonnonvalosta lineaarisesti polarisoitua valoa tai osittain polarisoitua valoa.

Polarisaattoreita, joita käytetään analysoimaan valon polarisaatiota, kutsutaan analysaattorit.

Polarisaattorin (tai analysaattorin) taso on polarisaattorin (tai analysaattorin) lähettämän valon polarisaatiotaso.

Olkoon polarisaattori (tai analysaattori) osuva lineaarisesti polarisoidun valon kanssa, jolla on amplitudi E 0 . Läpäisevän valon amplitudi on E=E 0 cos j, ja intensiteetti I = I 0 cos 2 j.

Tämä kaava ilmaisee Maluksen laki:

Analysaattorin läpi kulkevan lineaarisesti polarisoidun valon intensiteetti on verrannollinen kulman kosinin neliöön j tulevan valon värähtelytason ja analysaattorin tason välillä.

Lippu 80 (kannukset)

Polarisaattorit ovat laitteita, jotka mahdollistavat polarisoidun valon saamisen.Analysaattorit ovat laitteita, joilla voit analysoida, onko valo polarisoitunut vai ei.. Rakenteellisesti polarisaattori ja analysaattori ovat samat. -th, silloin vektorin E kaikki suunnat ovat samat Jokainen vektori voidaan jakaa kahteen keskenään kohtisuoraan komponenttiin: joista toinen on yhdensuuntainen polarisaattorin polarisaatiotason kanssa ja toinen on kohtisuorassa sitä vastaan.

Ilmeisesti polarisaattorista lähtevän valon intensiteetti on yhtä suuri Merkitään polarisaattorista lähtevän valon intensiteettiä () Jos polarisaattorin reitille sijoitetaan analysaattori, jonka päätaso muodostaa kulman polarisaattorin kanssa. polarisaattorin päätaso, niin analysaattorista lähtevän valon intensiteetti määräytyy lain mukaan.

Lippu 81.

Tutkiessaan uraanisuolojen liuoksen luminesenssia radium-säteiden vaikutuksesta, Neuvostoliiton fyysikko P. A. Cherenkov kiinnitti huomiota siihen, että itse vesi hehkuu, jossa ei ole uraanisuoloja. Kävi ilmi, että kun säteet (katso Gammasäteily) kulkevat puhtaiden nesteiden läpi, ne kaikki alkavat hehkua. S. I. Vavilov, jonka johdolla P. A. Cherenkov työskenteli, oletti, että hehku liittyy elektronien liikkeisiin, jotka radiumkvantit tyrmäävät atomeista. Itse asiassa hehku riippui voimakkaasti nesteen magneettikentän suunnasta (tämä viittasi siihen, että sen syy on elektronien liike).

Mutta miksi nesteessä liikkuvat elektronit säteilevät valoa? Oikean vastauksen tähän kysymykseen antoivat vuonna 1937 Neuvostoliiton fyysikot I. E. Tamm ja I. M. Frank.

Aineessa liikkuva elektroni on vuorovaikutuksessa ympäröivien atomien kanssa. Sen sähkökentän vaikutuksesta atomielektronit ja ytimet siirtyvät vastakkaisiin suuntiin - väliaine on polarisoitunut. Polarisoituessaan ja sitten palaamalla alkuperäiseen tilaan, väliaineen atomit, jotka sijaitsevat elektronin liikeradalla, lähettävät sähkömagneettisia valoaaltoja. Jos elektronin nopeus v on pienempi kuin valon etenemisnopeus väliaineessa (- taitekerroin), sähkömagneettinen kenttä ohittaa elektronin ja aine ehtii polarisoitua avaruudessa elektronin edellä. Väliaineen polarisaatio elektronin edessä ja sen takana on suunnaltaan vastakkainen, ja vastakkaisesti polarisoituneiden atomien säteily "summaa yhteen", "sammuttaa" toisensa. Kun atomeilla, joihin elektroni ei ole vielä päässyt, ei ole aikaa polarisoitua, ja säteilyä ilmaantuu pitkin kapeaa kartiomaista kerrosta, jonka kärki osuu yhteen liikkuvan elektronin kanssa, ja kulma kärjessä c. Valon "kartion" ulkonäkö ja säteilyn kunto voidaan saada aallon etenemisen yleisistä periaatteista.

Riisi. 1. Aaltorintaman muodostumismekanismi

Liikkukoon elektroni hyvin kapean tyhjän kanavan akselia OE (katso kuva 1) pitkin homogeenisessa läpinäkyvässä aineessa, jolla on taitekerroin (tyhjä kanava tarvitaan, jotta ei oteta huomioon elektronin törmäyksiä atomien kanssa teoreettinen pohdinta). Mikä tahansa elektronin peräkkäin miehittämä piste OE-linjalla on valoemission keskus. Peräkkäisistä pisteistä O, D, E lähtevät aallot häiritsevät toisiaan ja vahvistuvat, jos niiden välinen vaihe-ero on nolla (katso Häiriöt). Tämä ehto täyttyy suunnassa, joka muodostaa 0:n kulman elektronin liikeradan kanssa. Kulma 0 määräytyy suhteella:.

Tarkastellaan todellakin kahta aaltoa, jotka säteilevät suunnassa 0:n kulmassa elektronin nopeuteen nähden kahdesta liikeradan pisteestä - pisteestä O ja pisteestä D, joita erottaa etäisyys . Pisteessä B, joka sijaitsee suoralla BE, kohtisuorassa OB:hen nähden, ensimmäinen aalto - ajassa Pisteeseen F, joka sijaitsee suoralla BE, pisteestä säteilevä aalto saapuu pisteen emission jälkeen. aalto pisteestä O. Nämä kaksi aaltoa ovat samassa vaiheessa, eli suora viiva on aaltorintama, jos nämä ajat ovat yhtä suuret:. Se aikojen tasa-arvon ehtona antaa. Kaikissa suunnissa, joissa valo sammuu, johtuen aaltojen interferenssistä, jotka lähtevät liikeradan osuuksista, joita erottaa etäisyys D. D:n arvo määräytyy ilmeisellä yhtälöllä, jossa T on valon värähtelyjakso. Tällä yhtälöllä on aina ratkaisu jos.

Jos , niin suuntaa, johon säteilevät aallot, häiritsevät, vahvistavat, ei ole olemassa, ei voi olla suurempi kuin 1.

Riisi. 2. Ääniaaltojen jakautuminen ja iskuaallon muodostuminen kehon liikkeen aikana

Säteilyä havaitaan vain, jos .

Kokeellisesti elektronit lentävät rajallisessa avaruuskulmassa tietyllä nopeuksien hajaantuneella, ja seurauksena säteily etenee kartiomaisessa kerroksessa lähellä kulman määräämää pääsuuntaa.

Tarkastelussamme olemme laiminlyöneet elektronin hidastumisen. Tämä on varsin hyväksyttävää, koska Vavilov-Cherenkov-säteilyn aiheuttamat häviöt ovat pieniä ja ensimmäisessä approksimaatiossa voidaan olettaa, että elektronin menettämä energia ei vaikuta sen nopeuteen ja se liikkuu tasaisesti. Tämä on Vavilov-Cherenkov-säteilyn perustavanlaatuinen ero ja epätavallisuus. Yleensä lataukset säteilevät ja kokevat merkittävää kiihtyvyyttä.

Elektroni, joka ohittaa oman valonsa, on kuin lentokone, joka lentää äänen nopeutta suuremmalla nopeudella. Tällöin ilma-aluksen edessä etenee myös kartiomainen shokkiaalto (ks. kuva 2).

Refraktometrian käyttöalueet.

IRF-22 refraktometrin laite ja toimintaperiaate.

Taitekertoimen käsite.

Suunnitelma

Refraktometria. Menetelmän ominaisuudet ja ydin.

Käytä aineiden tunnistamiseen ja niiden puhtauden tarkistamiseen

refraktori.

Aineen taitekerroin- arvo, joka on yhtä suuri kuin valon (sähkömagneettisten aaltojen) vaihenopeuksien suhde tyhjiössä ja näkyvässä väliaineessa.

Taitekerroin riippuu aineen ominaisuuksista ja aallonpituudesta

elektromagneettinen säteily. Tulokulman sinin suhde suhteessa

säteen taittotasoon (α) piirretty normaali taitekulman siniin

refraktiota (β) säteen siirtymisen aikana väliaineesta A väliaineeseen B kutsutaan tämän väliaineparin suhteelliseksi taitekertoimeksi.

Arvo n on väliaineen B suhteellinen taitekerroin

suhteessa ympäristöön A ja

Väliaineen A suhteellinen taitekerroin suhteessa

Ilmattomasta väliaineesta tulevan säteen taitekerroin

avaruutta kutsutaan sen absoluuttiseksi taitekertoimeksi tai

yksinkertaisesti tietyn väliaineen taitekerroin (taulukko 1).

Taulukko 1 - Eri väliaineiden taitekertoimet

Nesteiden taitekerroin on 1,2-1,9. Kiinteä

aineet 1,3-4,0. Joillakin mineraaleilla ei ole tarkkaa indikaattorin arvoa

taittumista varten. Sen arvo on tietyssä "haarukassa" ja määrittää

kiderakenteessa olevien epäpuhtauksien vuoksi, mikä määrää värin

kristalli.

Mineraalin tunnistaminen "värin" perusteella on vaikeaa. Joten mineraalikorundi esiintyy rubiinin, safiirin, leukosafiirin muodossa, ja ne eroavat toisistaan

taitekerroin ja väri. Punaisia ​​korundeja kutsutaan rubiineiksi

(kromiseos), väritön sininen, vaaleansininen, vaaleanpunainen, keltainen, vihreä,

violetti - safiirit (koboltin, titaanin jne. epäpuhtaudet). Vaalean värinen

nye safiireja tai väritöntä korundia kutsutaan leukosafiiriksi (yleensä

käytetään optiikassa valonsuodattimena). Näiden kiteiden taitekerroin

keskeytys on välillä 1,757-1,778 ja se on tunnistamisen perusta

Kuva 3.1 - Rubiini Kuva 3.2 - Safiirinsininen

Orgaanisilla ja epäorgaanisilla nesteillä on myös tunnusomaiset taitekerroinarvot, jotka luonnehtivat niitä kemiallisiksi

nye-yhdisteet ja niiden synteesin laatu (taulukko 2):

Taulukko 2 - Joidenkin nesteiden taitekertoimet 20 °C:ssa

4.2. Refraktometria: käsite, periaate.

Indikaattorin määritykseen perustuva menetelmä aineiden tutkimiseksi

(taittumiskerrointa) kutsutaan refraktometriksi (alkaen

lat. refractus - taitettu ja kreikkalainen. metreo - mittaan). Refraktometria

(refraktometrinen menetelmä) käytetään kemikaalien tunnistamiseen

yhdisteet, kvantitatiivinen ja rakenneanalyysi, fysikaalis-

aineiden kemialliset parametrit. Refraktometriaperiaate toteutettu

Abben refraktometreissä, havainnollistetaan kuvassa 1.

Kuva 1 - Refraktometrian periaate

Abbe-prismalohko koostuu kahdesta suorakaiteen muotoisesta prismasta: valaiseva

runko ja mittaus, hypotenuusan kasvojen taittama. Valaisin-

prismassa on karkea (matta) hypotenuusa pinta ja se on tarkoitettu

Chena prismojen väliin asetetun nestenäytteen valaisemiseen.

Sironnut valo kulkee tutkittavan nesteen tasosuuntaisen kerroksen läpi ja taittuessaan nesteeseen putoaa mittausprismaan. Mittausprisma on valmistettu optisesti tiheästä lasista (raskas piikivi) ja sen taitekerroin on suurempi kuin 1,7. Tästä syystä Abbe-refraktometri mittaa n arvoa alle 1,7. Taitekertoimen mittausalueen lisäys saadaan aikaan vain mittausprismaa vaihtamalla.

Testinäyte kaadetaan mittausprisman hypotenuusan pinnalle ja painetaan valaisevaa prismaa vasten. Tässä tapauksessa 0,1-0,2 mm:n rako jää niiden prismien väliin, joissa näyte sijaitsee, ja sen läpi.

joka kulkee valoa taittaen. Taitekertoimen mittaamiseen

käyttää kokonaisvaltaisen sisäisen heijastuksen ilmiötä. Se koostuu

Seuraava.

Jos säteet 1, 2, 3 putoavat kahden median väliselle rajapinnalle, niin riippuen

tulokulma, kun niitä tarkkaillaan taittavassa väliaineessa

havaitaan erilaisen valaistuksen alueiden siirtymä. Se on yhdistetty

jossa valon jokin osa osuu taittumisrajalle kulmassa n.

kim 90°:een normaaliin nähden (palkki 3). (Kuva 2).

Kuva 2 - Kuva taittuneista säteistä

Tämä osa säteistä ei heijastu ja muodostaa siksi kevyemmän esineen.

taittuminen. Pienemmillä kulmilla olevat säteet kokevat ja heijastavat

ja taittuminen. Siksi muodostuu vähemmän valaistu alue. Volyymiltaan

täydellisen sisäisen heijastuksen rajaviiva näkyy linssissä, asento

joka riippuu näytteen taiteominaisuuksista.

Dispersioilmiön (kahden valaistusalueen rajapinnan värjäytyminen sateenkaaren väreihin monimutkaisen valkoisen valon käytöstä Abbe-refraktometreissä) eliminoiminen saavutetaan käyttämällä kompensaattorissa kahta Amici-prismaa, jotka on asennettu teleskooppi. Samanaikaisesti linssiin projisoidaan asteikko (kuva 3). 0,05 ml nestettä riittää analysointiin.

Kuva 3 - Näkymä refraktometrin okulaarin läpi. (Oikea asteikko heijastaa

mitatun komponentin pitoisuus ppm)

Yksikomponenttisten näytteiden analysoinnin lisäksi analysoidaan laajasti

kaksikomponenttiset järjestelmät (vesiliuokset, aineiden liuokset, joissa

tai liuotin). Ihanteellisissa kaksikomponenttisissa järjestelmissä (muovaus-

muuttamatta komponenttien äänenvoimakkuutta ja polarisoituvuutta), riippuvuus näytetään

koostumuksen taitekerroin on lähellä lineaarista, jos koostumus ilmaistaan ​​termeillä

tilavuusosuudet (prosentti)

jossa: n, n1, n2 - seoksen ja komponenttien taitekertoimet,

V1 ja V2 ovat komponenttien tilavuusosuuksia (V1 + V2 = 1).

Lämpötilan vaikutus taitekertoimeen määräytyy kahdella

tekijät: nestehiukkasten lukumäärän muutos tilavuusyksikköä kohti ja

molekyylien polarisoituvuuden riippuvuus lämpötilasta. Toinen tekijä tuli

tulee merkitykselliseksi vain erittäin suurissa lämpötilanvaihteluissa.

Taitekertoimen lämpötilakerroin on verrannollinen tiheyden lämpötilakertoimeen. Koska kaikki nesteet laajenevat kuumennettaessa, niiden taitekertoimet pienenevät lämpötilan noustessa. Lämpötilakerroin riippuu nesteen lämpötilasta, mutta pienillä lämpötilaväleillä sitä voidaan pitää vakiona. Tästä syystä useimmissa refraktometreissä ei ole lämpötilan säätöä, mutta jotkut mallit tarjoavat

veden lämpötilan säätö.

Taitekertoimen lineaarinen ekstrapolointi lämpötilan muutoksilla on hyväksyttävää pienille lämpötilaeroille (10 - 20°C).

Taitekertoimen tarkka määritys laajoilla lämpötila-alueilla suoritetaan empiiristen kaavojen mukaisesti:

nt=n0+at+bt2+…

Liuosrefraktometriaan laajoilla pitoisuusalueilla

käytä taulukoita tai empiirisiä kaavoja. Näytön riippuvuus -

tiettyjen aineiden vesiliuosten taitekerroin konsentraatiossa

on lähellä lineaarista ja mahdollistaa näiden aineiden pitoisuuksien määrittämisen

vettä useilla eri pitoisuuksilla (kuva 4) käyttämällä refraktiota

tometrit.

Kuva 4 - Joidenkin vesiliuosten taitekerroin

Yleensä n nestemäistä ja kiinteää kappaletta määritetään refraktometreillä tarkasti

0,0001 asti. Yleisimmät ovat Abbe-refraktometrit (kuva 5) prismalohkoilla ja dispersiokompensaattoreilla, jotka mahdollistavat nD:n määrittämisen "valkoisessa" valossa asteikolla tai digitaalisella indikaattorilla.

Kuva 5 - Abben refraktometri (IRF-454; IRF-22)

Laboratoriotyöt

Valon taittuminen. Nesteen taitekertoimen mittaus

refraktometrin kanssa

Tavoite: valon taittumisen ilmiötä koskevien ajatusten syventäminen; nestemäisten väliaineiden taitekertoimen mittausmenetelmien tutkimus; refraktometrin toimintaperiaatteen tutkimus.

Laitteet: refraktometri, suolaliuokset, pipetti, pehmeä liina laitteiden optisten osien pyyhkimiseen.

Teoria

Valon heijastuksen ja taittumisen lait. taitekerroin.

Välineiden välisessä rajapinnassa valo muuttaa etenemissuuntaansa. Osa valoenergiasta palaa ensimmäiseen väliaineeseen, ts. valo heijastuu. Jos toinen väliaine on läpinäkyvä, osa valosta kulkee tietyissä olosuhteissa median välisen rajapinnan läpi muuttaen pääsääntöisesti etenemissuuntaa. Tätä ilmiötä kutsutaan valon taittumiseksi. (Kuva 1).

Riisi. 1. Valon heijastus ja taittuminen tasaisella rajapinnalla kahden median välillä.

Heijastuneiden ja taittuneiden säteiden suunta valon kulkiessa tasaisen rajapinnan läpi kahden läpinäkyvän väliaineen välillä määräytyy valon heijastuksen ja taittumisen lakien mukaan.

Valon heijastuksen laki. Heijastunut säde on samassa tasossa tulevan säteen kanssa ja normaali palautuu liitäntätasoon tulopisteessä. Tulokulma yhtä suuri kuin heijastuskulma
.

Valon taittumisen laki. Taittunut säde on samassa tasossa tulevan säteen kanssa ja normaali palautuu liitäntätasoon tulopisteessä. Tulokulman sinin suhde α taitekulman siniin β näille kahdelle väliaineelle on vakioarvo, jota kutsutaan toisen väliaineen suhteelliseksi taitekertoimeksi suhteessa ensimmäiseen:

Suhteellinen taitekerroin kaksi mediaa on yhtä suuri kuin valonnopeuden suhde ensimmäisessä väliaineessa v 1 valon nopeuteen toisessa väliaineessa v 2:

Jos valo siirtyy tyhjiöstä väliaineeseen, väliaineen taitekerrointa suhteessa tyhjiöön kutsutaan tämän väliaineen absoluuttiseksi taitekertoimeksi ja se on yhtä suuri kuin valon nopeuden suhde tyhjiössä Kanssa valon nopeudelle tietyssä väliaineessa v:

Absoluuttiset taitekertoimet ovat aina suurempia kuin yksi; ilmaa varten n otettu yksikkönä.

Kahden väliaineen suhteellinen taitekerroin voidaan ilmaista niiden absoluuttisilla indekseillä n 1 ja n 2 :

Nesteen taitekertoimen määritys

Nesteiden taitekertoimen nopeaa ja kätevää määritystä varten on olemassa erityisiä optisia instrumentteja - refraktometrejä, joista suurin osa on kaksi prismaa (kuva 2): apu Jne. yksi ja mittaamalla Ex 2. Testineste kaadetaan prismojen väliseen rakoon.

Indikaattorien mittaamisessa voidaan käyttää kahta menetelmää: laidunpalkkimenetelmää (läpinäkyville nesteille) ja kokonaisheijastusmenetelmää (tummille, sameille ja värillisille liuoksille). Tässä työssä käytetään ensimmäistä niistä.

Laidutussädemenetelmässä ulkopuolisesta lähteestä tuleva valo kulkee kasvojen läpi AB prismat Ex 1, leviää mattapinnalleen AC ja sitten kerroksen läpi tutkittava neste tunkeutuu prismaan Ex 2. Mattapinnasta tulee säteiden lähde kaikista suunnista, joten sitä voidaan tarkkailla kasvojen läpi EF prismat Ex 2. Kuitenkin linja AC voidaan nähdä läpi EF vain kulmassa, joka on suurempi kuin jokin rajoittava minimikulma i. Tämän kulman arvo liittyy ainutlaatuisesti prismojen välissä sijaitsevan nesteen taitekertoimeen, joka sattuu olemaan refraktometrin suunnittelun pääidea.

Harkitse valon kulkua kasvojen läpi EF alempi mittausprisma Ex 2. Kuten kuvasta näkyy. 2, soveltamalla kaksi kertaa valon taittumislakia, voimme saada kaksi suhdetta:

(1)

(2)

Ratkaisemalla tämän yhtälöjärjestelmän on helppo päätellä, että nesteen taitekerroin

(3)

riippuu neljästä määrästä: K, r, r 1 ja i. Kaikki eivät kuitenkaan ole itsenäisiä. Esimerkiksi,

r+ s= R , (4)

missä R - prisman taitekulma Ex 2. Lisäksi asettamalla kulma K suurin arvo on 90°, yhtälöstä (1) saadaan:

(5)

Mutta kulman maksimiarvo r , kuten kuvasta näkyy. 2 ja suhteet (3) ja (4) vastaavat kulmien vähimmäisarvoja i ja r 1 , nuo. i min ja r min .

Siten nesteen taitekerroin "liukuvien" säteiden tapauksessa liittyy vain kulmaan i. Tässä tapauksessa kulman vähimmäisarvo on olemassa i, kun reuna AC on edelleen havaittavissa, eli näkökentässä se näyttää olevan peilinvalkoinen. Pienemmillä katselukulmilla reuna ei näy, ja näkökentässä tämä paikka näyttää mustalta. Koska instrumentin teleskooppi vangitsee suhteellisen laajan kulmavyöhykkeen, näkökentässä havaitaan samanaikaisesti vaaleita ja mustia alueita, joiden välinen raja vastaa pienintä havaintokulmaa ja liittyy yksiselitteisesti nesteen taitekertoimeen. Käytä lopullista laskentakaavaa:

(sen johtopäätös on jätetty pois) ja useiden nesteiden, joilla on tunnetut taitekertoimet, on mahdollista kalibroida laite, eli määrittää yksi yhteen vastaavuus nesteiden taitekertoimien ja kulmien välillä i min . Kaikki yllä olevat kaavat on johdettu minkä tahansa aallonpituuden säteille.

Eri aallonpituuksilla oleva valo taittuu ottaen huomioon prisman dispersion. Siten, kun prisma valaistaan ​​valkoisella valolla, käyttöliittymä hämärtyy ja värjäytyy eri väreillä dispersion vuoksi. Siksi jokaisessa refraktometrissä on kompensaattori, jonka avulla voit poistaa dispersion tuloksen. Se voi koostua yhdestä tai kahdesta suoranäköprismasta - Amici-prismasta. Jokainen Amici-prisma koostuu kolmesta lasiprismasta, joilla on erilaiset taitekertoimet ja erilainen dispersio, esimerkiksi ulommat prismat ovat kruunulasia ja keskiprisma piikivilasista (kruunulasi ja piikivilasi ovat lasityyppejä). Kääntämällä kompensaattoriprismaa erikoislaitteen avulla saadaan terävä, väritön kuva rajapinnasta, jonka sijainti vastaa keltaisen natriumviivan taitekerroinarvoa. λ \u003d 5893 Å (prismat on suunniteltu siten, että säteet, joiden aallonpituus on 5893 Å, eivät koe niissä poikkeamia).

Kompensaattorin läpi kulkeneet säteet menevät kaukoputken objektiiviin ja kulkevat sitten kääntöprisman läpi kaukoputken okulaarin läpi katsojan silmään. Säteiden kaavamainen kulku on esitetty kuvassa. 3.

Refraktometrin asteikko on kalibroitu taitekertoimen ja sakkaroosiliuoksen pitoisuuden suhteen vedessä ja se sijaitsee okulaarin polttotasossa.

kokeellinen osa

Tehtävä 1. Refraktometrin tarkistus.

Osoita valo peilillä refraktometrin apuprismaan. Kun apuprisma on ylhäällä, pipetoi muutama tippa tislattua vettä mittausprismaan. Kun apuprisma on alhaalla, saavuta näkökentän paras valaistus ja aseta okulaari siten, että hiusristikko ja taitekerroinasteikko ovat selvästi nähtävissä. Kääntämällä mittausprisman kameraa saat valon ja varjon rajan näkökenttään. Pyöritä kompensaattoripäätä, jotta valon ja varjon rajan värjäytyminen poistetaan. Kohdista valon ja varjon raja hiusristikon kanssa ja mittaa veden taitekerroin n ism . Jos refraktometri toimii, tislatun veden arvon tulee olla n 0 = 1.333, jos lukemat poikkeavat tästä arvosta, sinun on määritettävä korjaus Δn= n ism - 1.333, joka tulee sitten ottaa huomioon refraktometrin jatkotyöskentelyssä. Tee korjaukset taulukkoon 1.

Pöytä 1.

	n 0	n ism	Δ n
H 2 O

Tehtävä 2. Nesteen taitekertoimen määritys.

Määritä tunnettujen pitoisuuksien liuosten taitekertoimet ottaen huomioon löydetty korjaus.

Taulukko 2.

C, noin. %	n ism	n ist

Piirrä natriumkloridiliuosten taitekertoimen riippuvuus pitoisuudesta saatujen tulosten mukaan. Tee johtopäätös n:n riippuvuudesta C:stä; tehdä johtopäätöksiä refraktometrin mittausten tarkkuudesta.

Ota suolaliuos, jonka pitoisuus on tuntematon FROM x , määritä sen taitekerroin ja löydä liuoksen pitoisuus kaaviosta.

Puhdista työpaikka, pyyhi refraktometrien prismat huolellisesti puhtaalla kostealla liinalla.

testikysymykset

Valon heijastus ja taittuminen.

Väliaineen absoluuttiset ja suhteelliset taitekertoimet.

Refraktometrin toimintaperiaate. Liukuva palkin menetelmä.

Kaaviomainen säteiden kulku prismassa. Miksi kompensaattoriprismoja tarvitaan?

Valon eteneminen, heijastuminen ja taittuminen

Valon luonne on sähkömagneettinen. Yksi todiste tästä on sähkömagneettisten aaltojen ja valon nopeuksien yhteensopivuus tyhjiössä.

Homogeenisessa väliaineessa valo etenee suoraviivaisesti. Tätä väitettä kutsutaan valon suoraviivaisen etenemisen laiksi. Tämän lain kokeellinen todiste on pistevalon lähteiden antamat terävät varjot.

Geometristä viivaa, joka ilmaisee valon etenemissuunnan, kutsutaan valonsäteeksi. Isotrooppisessa väliaineessa valonsäteet suunnataan kohtisuoraan aaltorintamaa vastaan.

Samassa vaiheessa värähtelevän väliaineen pisteiden paikkaa kutsutaan aallonpinnaksi, ja joukkoa pisteitä, joihin värähtely on saavuttanut tietyn ajankohdan, kutsutaan aaltorintamaksi. Aaltorintaman tyypistä riippuen erotetaan taso- ja pallomaiset aallot.

Valon etenemisprosessin selittämiseen käytetään hollantilaisen fyysikon H. Huygensin ehdottamaa aaltoteorian yleistä periaatetta aallonrintaman liikkeestä avaruudessa. Huygensin periaatteen mukaan jokainen väliaineen piste, johon valoviritys saavuttaa, on pallomaisten toisioaaltojen keskus, jotka myös etenevät valonnopeudella. Näiden toisioaaltojen rintamien pintaverhokäyrä antaa tosiasiallisesti etenevän aallon etuosan sijainnin sillä hetkellä.

On tarpeen erottaa valonsäteet ja valonsäteet. Valosäde on osa valoaaltoa, joka kuljettaa valoenergiaa tiettyyn suuntaan. Kun valonsäde korvataan sitä kuvaavalla valonsäteellä, jälkimmäisen on katsottava osuvan melko kapean, mutta rajallisen leveän (poikkileikkauksen mitat ovat paljon aallonpituutta suuremmat) valonsäteen akselin kanssa.

On olemassa hajaantuvia, suppenevia ja lähes rinnakkaisia ​​valonsäteitä. Termejä valonsäteet tai yksinkertaisesti valonsäteet käytetään usein, mikä tarkoittaa tällä sarjaa valonsäteitä, jotka kuvaavat todellista valonsädettä.

Valon nopeus tyhjiössä c = 3 108 m/s on universaali vakio, eikä se riipu taajuudesta. Tanskalainen tiedemies O. Römer määritti ensimmäistä kertaa kokeellisesti valon nopeuden tähtitieteellisellä menetelmällä. A. Michelson mittasi valon nopeuden tarkemmin.

Valon nopeus aineessa on pienempi kuin tyhjiössä. Valon nopeuden suhdetta tyhjiössä sen nopeuteen tietyssä väliaineessa kutsutaan väliaineen absoluuttiseksi taitekertoimeksi:

missä c on valon nopeus tyhjiössä, v on valon nopeus tietyssä väliaineessa. Kaikkien aineiden absoluuttiset taitekertoimet ovat suurempia kuin yksikkö.

Kun valo etenee väliaineessa, se absorboituu ja siroaa, ja väliaineen rajapinnalla se heijastuu ja taittuu.

Valon heijastuslaki: tuleva säde, heijastuva säde ja kohtisuora kahden väliaineen väliseen rajapintaan, palautettu säteen tulopisteeseen, ovat samassa tasossa; heijastuskulma g on yhtä suuri kuin tulokulma a (kuva 1). Tämä laki on yhdenmukainen minkä tahansa luonteisten aaltojen heijastuslain kanssa, ja se voidaan saavuttaa Huygensin periaatteen seurauksena.

Valon taittumislaki: tuleva säde, taittunut säde ja kohtisuora kahden väliaineen väliseen rajapintaan, palautettu säteen tulopisteeseen, ovat samassa tasossa; tulokulman sinin suhde taitekulman siniin tietyllä valotaajuudella on vakioarvo, jota kutsutaan toisen väliaineen suhteelliseksi taitekertoimeksi suhteessa ensimmäiseen:

Kokeellisesti vahvistettu valon taittumisen laki selitetään Huygensin periaatteen perusteella. Aaltokäsitteiden mukaan taittuminen on seurausta aallon etenemisnopeuden muutoksesta siirtymisen aikana väliaineesta toiseen, ja suhteellisen taitekertoimen fyysinen merkitys on aallon etenemisnopeuden suhde ensimmäisessä väliaineessa v1. niiden etenemisnopeus toisessa väliaineessa

Väliaineille, joilla on absoluuttiset taitekertoimet n1 ja n2, toisen väliaineen suhteellinen taitekerroin suhteessa ensimmäiseen on yhtä suuri kuin toisen väliaineen absoluuttisen taitekertoimen suhde ensimmäisen väliaineen absoluuttiseen taitekerroin:

Väliainetta, jolla on korkeampi taitekerroin, kutsutaan optisesti tiheämmäksi, valon etenemisnopeus siinä on pienempi. Jos valo siirtyy optisesti tiheämästä väliaineesta optisesti vähemmän tiheään, niin tietyllä tulokulmalla a0 taitekulman tulisi olla yhtä suuri kuin p/2. Taittuneen säteen intensiteetti on tässä tapauksessa nolla. Kahden median väliseen rajapintaan tuleva valo heijastuu siitä kokonaan.

Tulokulmaa a0, jossa valon sisäinen kokonaisheijastus tapahtuu, kutsutaan sisäisen kokonaisheijastuksen rajakulmaksi. Kaikissa tulokulmissa, jotka ovat yhtä suuria tai suurempia kuin a0, tapahtuu valon kokonaisheijastus.

Rajakulman arvo saadaan relaatiosta Jos n2 = 1 (tyhjiö), niin

2 Aineen taitekerroin on arvo, joka on yhtä suuri kuin valon vaihenopeuksien (sähkömagneettisten aaltojen) suhde tyhjiössä ja tietyssä väliaineessa. He puhuvat myös muiden aaltojen, esimerkiksi äänen, taitekertoimesta

Taitekerroin riippuu aineen ominaisuuksista ja säteilyn aallonpituudesta, joidenkin aineiden taitekerroin muuttuu melko voimakkaasti sähkömagneettisten aaltojen taajuuden muuttuessa matalilta taajuuksilta optisiksi ja edelleen, ja voi myös muuttua vielä jyrkemmin tietyillä taajuusasteikon alueet. Oletusarvo on yleensä optinen alue tai kontekstin määrittämä alue.

On optisesti anisotrooppisia aineita, joiden taitekerroin riippuu valon suunnasta ja polarisaatiosta. Tällaiset aineet ovat melko yleisiä, erityisesti nämä ovat kaikki kiteitä, joilla on riittävän alhainen kidehilan symmetria, sekä aineita, jotka altistuvat mekaaniselle muodonmuutokselle.

Taitekerroin voidaan ilmaista väliaineen magneettisen ja permittiivisyyden tulon juurena

(on otettava huomioon, että kiinnostavan taajuusalueen - esimerkiksi optisen - magneettisen permeabiliteetin ja absoluuttisen permittiivisyysindeksin arvot voivat poiketa suuresti näiden arvojen staattisesta arvosta).

Taitekertoimen mittaamiseen käytetään manuaalisia ja automaattisia refraktometrejä. Kun käytetään refraktometriä sokeripitoisuuden määrittämiseen vesiliuoksessa, laitetta kutsutaan sakkarimetriksi.

Säteen tulokulman () sinin ja taitekulman () sinin suhdetta säteen siirtyessä väliaineesta A väliaineeseen B kutsutaan tämän väliaineparin suhteelliseksi taitekertoimeksi.

Suuruus n on väliaineen B suhteellinen taitekerroin väliaineen A suhteen, an" = 1/n on väliaineen A suhteellinen taitekerroin väliaineen B suhteen.

Tämä arvo, ceteris paribus, on yleensä pienempi kuin yksikkö, kun säde siirtyy tiheämmästä väliaineesta vähemmän tiheään väliaineeseen, ja suurempi kuin yksikkö, kun säde siirtyy vähemmän tiheästä väliaineesta tiheämpään väliaineeseen (esimerkiksi kaasusta tai tyhjöstä nesteeksi tai kiinteäksi ). Tästä säännöstä on poikkeuksia, ja siksi on tapana kutsua väliainetta optisesti enemmän tai vähemmän tiheäksi kuin toista (ei pidä sekoittaa optiseen tiheyteen väliaineen opasiteetin mittana).

Ilmattomasta tilasta jonkin väliaineen B pinnalle putoava säde taittuu voimakkaammin kuin pudotessaan sille toisesta väliaineesta A; ilmattomasta avaruudesta väliaineeseen tulevan säteen taitekerrointa kutsutaan sen absoluuttiseksi taitekertoimeksi tai yksinkertaisesti tämän väliaineen taitekertoimeksi, tämä on taitekerroin, jonka määritelmä on annettu artikkelin alussa. Minkä tahansa kaasun, mukaan lukien ilman, taitekerroin normaaleissa olosuhteissa on paljon pienempi kuin nesteiden tai kiinteiden aineiden taitekertoimet, joten suunnilleen (ja suhteellisen hyvällä tarkkuudella) absoluuttinen taitekerroin voidaan arvioida taitekertoimesta suhteessa ilmaan.

Riisi. 3. Häiriöfraktometrin toimintaperiaate. Valosäde on jaettu siten, että sen kaksi osaa kulkee l pituisten kyvettien läpi, jotka on täytetty eri taitekertoimilla omaavilla aineilla. Solusta poistuttaessa säteet saavat tietyn polkueron ja yhteen tuotuina antavat kuvan interferenssimaksimista ja -minimeistä k-kertaisella näytöllä (esitetty kaavamaisesti oikealla). Taitekertoimien ero Dn=n2 –n1 =kl/2, missä l on valon aallonpituus.

Refraktometrit ovat laitteita, joita käytetään aineiden taitekertoimen mittaamiseen. Refraktometrin toimintaperiaate perustuu kokonaisheijastuksen ilmiöön. Jos sironnut valonsäde putoaa kahden taitekerroin omaavan väliaineen rajapinnalle ja optisesti tiheämästä väliaineesta, säteet eivät tietystä tulokulmasta alkaen mene toiseen väliaineeseen, vaan heijastuvat kokonaan rajapinnasta ensimmäinen media. Tätä kulmaa kutsutaan kokonaisheijastuksen rajakulmaksi. Kuvassa 1 on esitetty säteiden käyttäytyminen, kun ne putoavat tämän pinnan tiettyyn virtaan. Säde kulkee rajoittavassa kulmassa. Taittumislain perusteella voit määrittää:, (koska).

Rajakulma riippuu näiden kahden väliaineen suhteellisesta taitekertoimesta. Jos pinnalta heijastuneet säteet suunnataan suppenevaan linssiin, niin linssin polttotasossa näkyy valon ja penumbran raja, ja tämän rajan sijainti riippuu rajakulman arvosta ja näin ollen. , taitekerroin. Yhden median taitekertoimen muutos aiheuttaa muutoksen rajapinnan asennossa. Valon ja varjon välinen raja voi toimia indikaattorina refraktometreissa käytettävän taitekertoimen määrittämisessä. Tätä taitekertoimen määritysmenetelmää kutsutaan kokonaisheijastusmenetelmäksi.

Kokonaisheijastusmenetelmän lisäksi refraktometrit käyttävät laidunpalkkimenetelmää. Tässä menetelmässä sironnut valonsäde osuu rajaan optisesti vähemmän tiheästä väliaineesta kaikissa mahdollisissa kulmissa (kuva 2). Pintaa pitkin liukuva säde (), vastaa - rajoittavaa taitekulmaa (säde kuvassa 2). Jos laitamme linssin pinnalle taittuneiden säteiden () reitille, niin linssin polttotasossa näemme myös terävän rajan valon ja varjon välillä.

Riisi. 2

Koska rajakulman arvon määräävät ehdot ovat samat molemmissa menetelmissä, rajapinnan sijainti on sama. Molemmat menetelmät ovat vastaavia, mutta kokonaisheijastusmenetelmän avulla voit mitata läpinäkymättömien aineiden taitekerrointa

Säteiden polku kolmioprismassa

Kuvassa 9 on esitetty leikkaus lasiprismasta, jonka taso on kohtisuorassa sen sivureunoihin nähden. Prismassa oleva säde poikkeaa alustaan ​​taittuen pinnoilla OA ja 0B. Näiden pintojen välistä kulmaa j kutsutaan prisman taitekulmaksi. Säteen taipumakulma q riippuu prisman j taitekulmasta, prisman materiaalin taitekertoimesta n ja tulokulmasta a. Se voidaan laskea taittumislain (1.4) avulla.

Refraktometri käyttää valkoista valonlähdettä 3. Hajaantumisesta johtuen valon kulkiessa prismien 1 ja 2 läpi valon ja varjon välinen raja muuttuu värilliseksi. Tämän välttämiseksi teleskoopin linssin eteen sijoitetaan kompensaattori 4. Se koostuu kahdesta identtisestä prismasta, joista kukin on liimattu yhteen kolmesta eri taitekerroin omaavasta prismasta. Prismat valitaan siten, että yksivärinen säde, jolla on aallonpituus = 589,3 um. (keltaisen natriumviivan aallonpituus) ei testattu taipumakompensaattorin ohituksen jälkeen. Prismat poikkeuttavat eri aallonpituuksia omaavat säteet eri suuntiin. Siirtämällä kompensaattoriprismoja erikoiskahvan avulla valon ja pimeyden raja tulee mahdollisimman selväksi.

Kompensaattorin ohitetut valonsäteet putoavat teleskoopin linssiin 6. Valo-varjo-rajapinnan kuvaa tarkastellaan kaukoputken okulaarin 7 läpi. Samanaikaisesti okulaarin läpi katsotaan asteikkoa 8. Koska taitekulman raja ja kokonaisheijastuksen rajakulma riippuvat nesteen taitekertoimesta, tämän taitekertoimen arvot piirretään välittömästi refraktometrin asteikko.

Refraktometrin optisessa järjestelmässä on myös pyörivä prisma 5. Sen avulla voit sijoittaa kaukoputken akselin kohtisuoraan prismoihin 1 ja 2 nähden, mikä tekee havainnoinnin helpommaksi.