Mari kita lakukan percobaan. Mari kita tempatkan pelat kaca di tengah cakram optik dan mengarahkan seberkas cahaya ke sana. Kita akan melihat bahwa pada batas udara dengan kaca, cahaya tidak hanya akan dipantulkan, tetapi juga akan menembus ke dalam kaca, mengubah arah rambatnya (Gbr. 84).

Perubahan arah rambat cahaya saat melewati antarmuka antara dua media disebut pembiasan cahaya.

Gambar 84 menunjukkan: AO - sinar datang; OB - sinar yang dipantulkan; OE - sinar bias.

Perhatikan bahwa jika kita mengarahkan sinar ke arah EO, maka karena reversibilitas sinar cahaya, itu akan keluar dari kaca ke arah OA.

Pembiasan cahaya dijelaskan oleh perubahan kecepatan rambat cahaya saat melewati dari satu medium ke medium lainnya. Untuk pertama kalinya penjelasan tentang fenomena ini diberikan pada pertengahan abad ke-17. Ayah Menyan. Menurut Meignan, ketika cahaya berpindah dari satu medium ke medium lainnya, sinar cahaya berubah arahnya dengan cara yang sama seperti arah pergerakan "garis depan tentara" berubah ketika padang rumput yang dilalui para prajurit terhalang oleh tanah yang subur. , yang batasnya membentuk sudut ke depan. Setiap prajurit yang telah mencapai tanah subur memperlambat gerakan mereka, sementara para prajurit yang belum mencapainya terus bergerak dengan kecepatan yang sama. Akibatnya, para prajurit yang memasuki tanah subur mulai tertinggal dari mereka yang berjalan melalui padang rumput, dan barisan pasukan berbalik (Gbr. 85).

Untuk menentukan ke arah mana seberkas cahaya akan menyimpang ketika melewati antarmuka antara dua media, perlu diketahui di media mana kecepatan cahaya lebih kecil dan di mana lebih besar.

Cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Oleh karena itu, semua yang dikatakan tentang kecepatan rambat gelombang elektromagnetik (lihat 28) berlaku sama untuk kecepatan cahaya. Jadi, misalnya, kecepatan cahaya dalam ruang hampa maksimum dan sama dengan:

c = 299792 km/s 300000 km/s.

Kecepatan cahaya dalam materi v selalu lebih kecil daripada di ruang hampa:

Nilai kecepatan cahaya pada berbagai media diberikan pada Tabel 6.

Dari kedua media tersebut, media yang kecepatan cahayanya lebih kecil disebut lebih padat secara optik, dan yang kecepatan cahayanya lebih besar - kurang rapat secara optik. Misalnya, air secara optik lebih padat daripada udara, dan kaca lebih rapat secara optik daripada air.

Pengalaman menunjukkan bahwa, masuk ke media yang lebih rapat secara optik, seberkas cahaya menyimpang dari arah aslinya menuju tegak lurus antarmuka antara dua media (Gbr. 86, a), dan masuk ke media yang kurang rapat secara optik, sinar cahaya menyimpang ke sisi sebaliknya (Gbr. 86, b).

Sudut antara sinar bias dan tegak lurus antarmuka antara dua media di titik datang sinar disebut sudut bias. Gambar 86

- sudut datang, - sudut bias.

Gambar 86 menunjukkan bahwa sudut bias dapat lebih besar atau lebih kecil dari sudut datang. Bisakah sudut-sudut ini cocok? Mereka bisa, tetapi hanya ketika seberkas cahaya jatuh pada antarmuka pada sudut yang tepat; dalam hal ini = = 0.

Kemampuan untuk membiaskan sinar dalam media yang berbeda berbeda. Semakin nyata perbedaan kecepatan cahaya dalam dua media, semakin kuat sinar dibiaskan pada batas di antara keduanya.

Salah satu bagian utama dari banyak instrumen optik adalah prisma segitiga kaca (Gbr. 87, a). Gambar 87, b menunjukkan lintasan balok dalam prisma seperti itu: sebagai akibat dari pembiasan ganda, prisma segitiga membelokkan sinar yang datang di atasnya ke samping ke arah alasnya.

Pembiasan cahaya adalah alasan mengapa kedalaman reservoir (sungai, kolam, pemandian air) bagi kita tampaknya kurang dari yang sebenarnya. Memang, untuk melihat titik S di dasar reservoir, sinar cahaya yang keluar darinya perlu jatuh ke mata pengamat (Gbr. 88). Tapi setelah pembiasan di perbatasan air dengan udara, berkas cahaya akan dirasakan oleh mata sebagai cahaya yang datang dari bayangan imajiner S 1 yang terletak lebih tinggi dari titik S yang sesuai di dasar reservoir. Dapat dibuktikan bahwa kedalaman semu h suatu badan air kira-kira dari kedalaman sebenarnya H.

Fenomena ini pertama kali dijelaskan oleh Euclid. Salah satu bukunya menceritakan tentang pengalaman dengan cincin itu. Pengamat melihat piala dengan cincin tergeletak di bawahnya sedemikian rupa sehingga tepi piala tidak memungkinkan untuk dilihat; kemudian, tanpa mengubah posisi mata, mereka mulai menuangkan air ke dalam piala, dan setelah beberapa saat cincin itu menjadi terlihat.

Pembiasan cahaya juga menjelaskan banyak fenomena lain, misalnya pecahnya sendok yang dicelupkan ke dalam segelas air; lebih tinggi dari posisi sebenarnya dari bintang-bintang dan Matahari di atas cakrawala, dll.

1. Apa yang disebut pembiasan cahaya? 2. Sudut apa yang disebut sudut bias? Bagaimana penunjukannya? 3. Berapakah kelajuan cahaya dalam ruang hampa? 4. Media mana yang lebih rapat secara optik: es atau kuarsa? Mengapa? 5. Dalam hal apa sudut bias cahaya lebih kecil dari sudut datang dan lebih besar? 6. Berapa sudut datang sinar jika sinar bias tegak lurus dengan antarmuka antara media? 7. Mengapa seorang pengamat melihat ke bawah air, kedalaman reservoir tampaknya lebih kecil dari yang sebenarnya? Berapakah kedalaman sungai jika sebenarnya 2 m? 8. Ada pecahan kaca, kuarsa dan berlian di udara. Pada permukaan manakah sinar cahaya paling banyak dibiaskan?

tugas eksperimental. Ulangi pengalaman Euclid. Letakkan cincin (atau koin) di dasar cangkir teh, lalu letakkan di depan Anda sehingga ujung cangkir menutupi bagian bawahnya. Jika, tanpa mengubah posisi relatif cangkir dan mata, tuangkan air ke dalamnya, maka cincin (atau koin) menjadi terlihat. Mengapa?

Pada batas transisi dari satu medium ke medium lain, jika secara signifikan lebih panjang dari panjang gelombang, perubahan arah sinar cahaya diamati. Dalam hal ini, sebagian energi dipantulkan, yaitu, dikembalikan ke media yang sama, dan sebagian dibiaskan, menembus media lain. Dengan menggunakan hukum pemantulan dan pembiasan cahaya, seseorang dapat menjelaskan arah mana dari sinar pantul dan sinar bias dan berapa proporsi energi cahaya yang dipantulkan atau dipindahkan dari satu medium ke medium lainnya. Agar fenomena pemantulan dan pembiasan cahaya terjadi, tubuh harus cukup halus, tidak matte, dan memiliki struktur internal yang cukup seragam. Contoh kasus seperti itu adalah antarmuka antara air dan udara dalam wadah yang lebar. Badan logam yang dipoles juga memiliki permukaan cermin.

Untuk memahami esensi dari hukum-hukum ini, Anda dapat melakukan percobaan sederhana. Aliran sinar yang sempit harus diarahkan ke air yang dituangkan ke dalam bejana besar. Terlihat bahwa sebagian sinar akan dipantulkan ke permukaan, dan sebagian lagi akan masuk ke dalam air. Selain itu, kita akan melihat apa yang terjadi pembiasan cahaya dalam air.

Hukum refleksi

Hukum pemantulan menentukan perubahan arah berkas cahaya ketika bertemu permukaan reflektif. Ini terdiri dari fakta bahwa baik sinar datang dan sinar pantul berada pada bidang yang sama dengan tegak lurus permukaan, dan tegak lurus ini membagi sudut antara sinar-sinar ini menjadi bagian yang sama.

Lebih sering dirumuskan sebagai berikut: sudut datang dan sudut pantulan cahaya adalah sama:

α=γ

Formulasi ini kurang akurat karena tidak menentukan arah pantul sinar yang tepat.

Hukum pemantulan berasal dari prinsip-prinsip optik gelombang. Secara eksperimental, ditemukan oleh Euclid pada abad ke-3 SM. Ini dapat dianggap sebagai konsekuensi dari penggunaan prinsip Fermat untuk permukaan cermin.

Setiap media memiliki tingkat kemampuan reflektif dan menyerap tertentu. Nilai yang menunjukkan reflektifitas permukaan adalah reflektansi cahaya. Ini menentukan berapa fraksi energi yang dibawa ke permukaan adalah energi yang dibawa menjauh darinya oleh radiasi yang dipantulkan. Nilainya tergantung pada banyak faktor, termasuk sudut datang dan komposisi radiasi.

Sebagai hasil transisi dari medium yang lebih rapat ke medium yang kurang rapat secara optik (katakanlah, menjadi udara dari kaca), terjadi pemantulan total, yang berarti bahwa berkas yang dibiaskan menghilang.

Pemantulan total diamati ketika sinar jatuh pada merkuri cair atau perak yang diendapkan pada kaca.

Fenomena ini terjadi jika sudut datang melebihi batas sudut pantul cahaya total pr.

Jika sebuah = pr, kemudian dosa = 1, sebuah sin pr = n2/n1

Ketika media kedua adalah udara (mis. n2 1), rumus ini mengambil bentuk berikut:

sin pr=1/n

Sudut kritis untuk transisi dari kaca ke udara adalah 42° (pada n=1,5), untuk transisi dari air ke udara - 48,7 ° (at n=1,33).

Total pantulan cahaya internal

Di alam, contoh refleksi total adalah berbagai fatamorgana dan fatamorgana. Mereka muncul sebagai akibat refleksi pada batas lapisan udara dengan suhu yang berbeda. Di samping itu, pemantulan total cahaya juga menjelaskan kecemerlangan terang dari batu mulia, ketika setiap sinar yang masuk membentuk banyak sinar keluar yang terang.

Jika, berada di bawah air, Anda melihat permukaan pada sudut tertentu, Anda tidak dapat melihat apa yang ada di udara, tetapi bayangan cermin benda-benda di bawah air. Ini adalah contoh lain dari refleksi internal total.

Dalam kasus ketika sudut datang pada batas antara dua media dielektrik tidak sama dengan nol, baik sinar pantul dan sinar bias menjadi terpolarisasi sebagian. Polarisasi cahaya pada refleksi ditentukan oleh sudut datangnya. Sudut di mana sinar yang dipantulkan terpolarisasi sepenuhnya, dan sinar yang dibiaskan memiliki tingkat polarisasi maksimum yang mungkin, disebut sudut Brewster.

Harap dicatat bahwa informasi tentang memilih filter lensa tersedia di alamat ini: .

Hukum pemantulan dan pembiasan cahaya foto

Di bawah ini adalah foto-foto dengan topik artikel "Hukum pemantulan dan pembiasan cahaya". Untuk membuka galeri foto, cukup klik pada thumbnail gambar.

• Sudut insiden adalah sudut antara berkas cahaya datang dan tegak lurus antarmuka antara dua media, dipulihkan pada titik datang (Gbr. 1).

• Sudut refleksi adalah sudut antara berkas cahaya yang dipantulkan dan tegak lurus terhadap permukaan pantul, dikembalikan pada titik datang (lihat Gambar 1).

• sudut refraksi adalah sudut antara berkas cahaya yang dibiaskan dan tegak lurus terhadap antarmuka antara dua media, dikembalikan pada titik datang (lihat Gambar 1).

• di bawah balok memahami garis di mana energi gelombang elektromagnetik ditransfer. Mari kita setuju untuk menggambarkan sinar optik secara grafis menggunakan sinar geometris dengan panah. Dalam optik geometris, sifat gelombang cahaya tidak diperhitungkan (lihat Gambar 1).

• Sinar datang dari satu titik disebut berbeda, dan berkumpul di satu titik - konvergen. Contoh sinar divergen adalah cahaya yang diamati dari bintang-bintang yang jauh, dan contoh sinar konvergen adalah sekumpulan sinar yang masuk ke pupil mata kita dari berbagai objek.

Ketika mempelajari sifat-sifat sinar cahaya, empat hukum dasar optik geometris ditetapkan secara eksperimental:

• hukum perambatan cahaya bujursangkar;
• hukum independensi sinar cahaya;
• hukum pemantulan sinar cahaya;
• hukum pembiasan sinar cahaya.

Pembiasan cahaya

Pengukuran telah menunjukkan bahwa kecepatan cahaya dalam materi selalu lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa c.

• Perbandingan cepat rambat cahaya dalam ruang hampa c kecepatannya dalam medium tertentu disebut indeks bias mutlak:

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

Frasa " indeks bias mutlak medium"sering diganti dengan" indeks bias medium».

Pertimbangkan insiden sinar pada antarmuka datar antara dua media transparan dengan indeks bias n 1 dan n 2 di beberapa sudut (Gbr. 2).

• Perubahan arah rambat berkas cahaya ketika melewati antarmuka antara dua media disebut pembiasan cahaya.

Hukum pembiasan:

• rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias adalah nilai konstan untuk dua media yang diberikan

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

• sinar datang dan dibiaskan terletak pada bidang yang sama dengan garis tegak lurus yang ditarik pada titik datang sinar ke bidang antarmuka antara dua media.

Untuk pembiasan, prinsip reversibilitas sinar cahaya:

• sinar cahaya yang merambat sepanjang lintasan sinar bias, dibiaskan di suatu titik HAI pada antarmuka antara media, merambat lebih jauh di sepanjang jalur sinar datang.

Ini mengikuti dari hukum pembiasan bahwa jika medium kedua lebih rapat secara optis melalui medium pertama,

• itu. n 2 > n 1 , lalu > \(\left(\frac(n_2)(n_1) > 1, \;\;\; \frac(sin \alpha )(sin \gamma ) > 1 \kanan)\) (Gbr. 3a);
• jika n 2 < n 1 , maka< γ (рис. 3, б).

Beras. 3

Penyebutan pertama pembiasan cahaya dalam air dan kaca ditemukan dalam karya Claudius Ptolemy "Optik", yang diterbitkan pada abad II Masehi. Hukum pembiasan cahaya secara eksperimental ditetapkan pada tahun 1620 oleh ilmuwan Belanda Willebrod Snellius. Perhatikan bahwa, terlepas dari Snell, hukum pembiasan juga ditemukan oleh Rene Descartes.

Hukum pembiasan cahaya memungkinkan Anda menghitung jalur sinar di berbagai sistem optik.

Pada antarmuka antara dua media transparan, pemantulan gelombang biasanya diamati bersamaan dengan pembiasan. Menurut hukum kekekalan energi, jumlah energi yang dipantulkan W o dan dibiaskan W gelombang np sama dengan energi gelombang datang W n:

W n = W np + W o.

refleksi total

Seperti disebutkan di atas, ketika cahaya melewati dari media optik lebih rapat ke media optik kurang rapat ( n 1 > n 2), sudut bias menjadi lebih besar dari sudut datang (lihat Gambar 3, b).

Ketika sudut datang meningkat (Gbr. 4), pada nilai tertentu 3 , sudut bias akan menjadi = 90°, yaitu, cahaya tidak akan memasuki medium kedua. Pada sudut besar 3 cahaya hanya akan dipantulkan. Energi gelombang yang dibiaskan Wnp dalam hal ini, itu akan menjadi sama dengan nol, dan energi gelombang yang dipantulkan akan sama dengan energi yang datang: W n = W o. Oleh karena itu, mulai dari sudut datang 3 (selanjutnya disebut sebagai 0), semua energi cahaya dipantulkan dari antarmuka antara media ini.

Fenomena ini disebut refleksi total (lihat Gambar 4).

• Sudut 0 di mana refleksi total dimulai disebut membatasi sudut refleksi total.

Nilai sudut 0 ditentukan dari hukum bias, asalkan sudut bias = 90°:

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

literatur

Zhilko, V.V. Fisika: buku teks. Tunjangan untuk pendidikan umum kelas 11. sekolah dari Rusia lang. pelatihan / V.V. Zhilko, L.G. Markovich. - Minsk: Nar. Asveta, 2009. - S. 91-96.

Hukum pembiasan cahaya.

Arti fisis indeks bias. Cahaya dibiaskan karena adanya perubahan kecepatan rambat ketika berpindah dari satu medium ke medium lainnya. Indeks bias medium kedua relatif terhadap yang pertama secara numerik sama dengan rasio kecepatan cahaya dalam medium pertama dengan kecepatan cahaya dalam medium kedua:

Dengan demikian, indeks bias menunjukkan berapa kali kecepatan cahaya dalam medium dari mana berkas keluar lebih besar (kurang) dari kecepatan cahaya dalam medium yang masuk.

Karena kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa adalah konstan, disarankan untuk menentukan indeks bias berbagai media sehubungan dengan ruang hampa. rasio kecepatan dengan perambatan cahaya dalam ruang hampa dengan kecepatan rambatnya dalam medium tertentu disebut indeks bias mutlak zat yang diberikan () dan merupakan karakteristik utama dari sifat optiknya,

,

itu. indeks bias media kedua relatif terhadap yang pertama sama dengan rasio indeks absolut media ini.

Biasanya, sifat optik suatu zat dicirikan oleh indeks bias n relatif terhadap udara, yang sedikit berbeda dari indeks bias absolut. Dalam hal ini, medium, di mana indeks absolut lebih besar, disebut lebih rapat secara optik.

Membatasi sudut refraksi. Jika cahaya merambat dari medium dengan indeks bias lebih rendah ke medium dengan indeks bias lebih tinggi ( n 1< n 2 ), maka sudut bias lebih kecil dari sudut datang

r< i (Gbr. 3).

Beras. 3. Pembiasan cahaya selama transisi

dari medium yang kurang rapat secara optik ke medium

optik lebih padat.

Ketika sudut datang meningkat menjadi saya m = 90° (balok 3, Gbr. 2) cahaya di medium kedua hanya akan merambat di dalam sudut r pr ditelepon membatasi sudut bias. Di daerah medium kedua dalam sudut tambahan untuk membatasi sudut bias (90° - saya pr ), tidak ada cahaya yang menembus (area ini diarsir pada Gambar 3).

Batasi sudut bias r pr

Tapi sin i m = 1, oleh karena itu .

Fenomena refleksi internal total. Ketika cahaya merambat dari medium dengan indeks bias tinggi n 1 > n 2 (Gbr. 4), maka sudut bias lebih besar dari sudut datang. Cahaya dibiaskan (melewati medium kedua) hanya dalam sudut datang saya pr , yang sesuai dengan sudut bias rm = 90 °.

Beras. 4. Pembiasan cahaya selama transisi dari medium yang lebih rapat secara optik ke medium

kurang rapat optik.

Cahaya datang pada sudut besar dipantulkan sepenuhnya dari batas media (Gbr. 4 balok 3). Fenomena ini disebut refleksi internal total, dan sudut datang saya pr adalah sudut pembatas dari refleksi internal total.

Membatasi sudut refleksi internal total saya pr ditentukan dengan syarat:

, maka sin r m = 1, oleh karena itu, .

Jika cahaya merambat dari suatu medium ke ruang hampa atau ke udara, maka

Karena reversibilitas lintasan sinar untuk kedua media ini, sudut bias pembatas dalam transisi dari media pertama ke media kedua sama dengan sudut pembatas pantulan internal total ketika berkas melewati dari media kedua ke media pertama. .

Sudut pembatas total refleksi internal untuk kaca kurang dari 42°. Oleh karena itu, sinar yang merambat melalui kaca dan datang pada permukaannya dengan sudut 45° dipantulkan sepenuhnya. Sifat kaca ini digunakan dalam prisma putar (Gbr. 5a) dan reversibel (Gbr. 4b), yang sering digunakan dalam instrumen optik.

Beras. 5: a – prisma putar; b - prisma terbalik.

serat optik. Refleksi internal total digunakan dalam konstruksi fleksibel panduan cahaya. Cahaya, masuk ke dalam serat transparan yang dikelilingi oleh zat dengan indeks bias lebih rendah, dipantulkan berkali-kali dan merambat di sepanjang serat ini (Gbr. 6).

Gbr.6. Lintasan cahaya di dalam serat transparan yang dikelilingi oleh materi

dengan indeks bias yang lebih rendah.

Untuk mentransmisikan fluks cahaya tinggi dan mempertahankan fleksibilitas sistem pemandu cahaya, serat individu dirakit menjadi bundel - panduan cahaya. Cabang optik yang berhubungan dengan transmisi cahaya dan gambar melalui pemandu cahaya disebut serat optik. Istilah yang sama mengacu pada bagian dan perangkat serat optik itu sendiri. Dalam kedokteran, panduan cahaya digunakan untuk menerangi rongga internal dengan cahaya dingin dan mengirimkan gambar.

Bagian praktis

Alat untuk menentukan indeks bias zat disebut refraktometer(Gbr. 7).

Gbr.7. Skema optik refraktometer.

1 - cermin, 2 - kepala pengukur, 3 - sistem prisma untuk menghilangkan dispersi, 4 - lensa, 5 - prisma putar (rotasi balok sebesar 90 0), 6 - skala (dalam beberapa refraktometer

ada dua skala: skala indeks bias dan skala konsentrasi larutan),

7 - lensa mata.

Bagian utama dari refraktometer adalah kepala pengukur, terdiri dari dua prisma: yang menerangi, yang terletak di bagian lipat kepala, dan yang mengukur.

Di pintu keluar prisma yang menerangi, permukaan mattenya menciptakan seberkas cahaya yang tersebar yang melewati cairan uji (2-3 tetes) di antara prisma. Sinar jatuh pada permukaan prisma ukur pada sudut yang berbeda, termasuk pada sudut 90 0 . Dalam prisma pengukur, sinar dikumpulkan di wilayah sudut pembiasan terbatas, yang menjelaskan pembentukan batas bayangan cahaya pada layar perangkat.

Gbr.8. Jalur balok di kepala pengukur:

1 – prisma bercahaya, 2 – cairan yang diselidiki,

3 - mengukur prisma, 4 - layar.

PENENTUAN PERSENTASE GULA DALAM LARUTAN

Cahaya alami dan terpolarisasi. cahaya tampak- Ini gelombang elektromagnetik dengan frekuensi osilasi dalam rentang dari 4∙10 14 hingga 7,5∙10 14 Hz. Gelombang elektromagnetik adalah melintang: vektor E dan H dari kekuatan medan listrik dan magnet saling tegak lurus dan terletak pada bidang yang tegak lurus terhadap vektor kecepatan rambat gelombang.

Karena fakta bahwa baik efek kimia dan biologis cahaya terutama terkait dengan komponen listrik dari gelombang elektromagnetik, vektor E intensitas medan ini disebut vektor cahaya, dan bidang osilasi dari vektor ini adalah bidang osilasi gelombang cahaya.

Dalam sumber cahaya apa pun, gelombang dipancarkan oleh banyak atom dan molekul, vektor cahaya dari gelombang ini terletak di berbagai bidang, dan osilasi terjadi dalam fase yang berbeda. Akibatnya, bidang osilasi vektor cahaya dari gelombang yang dihasilkan terus menerus mengubah posisinya dalam ruang (Gbr. 1). Cahaya ini disebut alami, atau tidak terpolarisasi.

Beras. 1. Representasi skematis dari sinar dan cahaya alami.

Jika kita memilih dua bidang yang saling tegak lurus melewati seberkas cahaya alami dan memproyeksikan vektor E pada bidang tersebut, maka rata-rata proyeksi ini akan sama. Dengan demikian, lebih mudah untuk menggambarkan seberkas cahaya alami sebagai garis lurus di mana jumlah yang sama dari kedua proyeksi berada dalam bentuk garis dan titik:

Ketika cahaya melewati kristal, dimungkinkan untuk mendapatkan cahaya yang bidang osilasi gelombangnya menempati posisi konstan di ruang angkasa. Cahaya ini disebut datar- atau terpolarisasi linier. Karena susunan atom dan molekul yang teratur dalam kisi spasial, kristal hanya mentransmisikan osilasi vektor cahaya yang terjadi dalam karakteristik bidang tertentu dari kisi yang diberikan.

Gelombang cahaya terpolarisasi bidang mudah digambarkan sebagai berikut:

Polarisasi cahaya juga bisa parsial. Dalam hal ini, amplitudo osilasi vektor cahaya di salah satu bidang secara signifikan melebihi amplitudo osilasi di bidang lain.

Cahaya terpolarisasi sebagian secara konvensional dapat digambarkan sebagai berikut: , dst. Rasio jumlah garis dan titik menentukan tingkat polarisasi cahaya.

Dalam semua metode untuk mengubah cahaya alami menjadi cahaya terpolarisasi, komponen dengan orientasi bidang polarisasi yang terdefinisi dengan baik akan dipilih seluruhnya atau sebagian dari cahaya alami.

Metode untuk memperoleh cahaya terpolarisasi: a) pemantulan dan pembiasan cahaya pada batas dua dielektrik; b) transmisi cahaya melalui kristal uniaksial anisotropik optik; c) transmisi cahaya melalui media, anisotropi optik yang dibuat secara artifisial oleh aksi medan listrik atau magnet, serta karena deformasi. Metode ini didasarkan pada fenomena anisotropi.

Anisotropi adalah ketergantungan sejumlah properti (mekanik, termal, listrik, optik) pada arah. Benda yang sifat-sifatnya sama ke segala arah disebut isotropik.

Polarisasi juga diamati selama hamburan cahaya. Derajat polarisasi semakin tinggi, semakin kecil ukuran partikel tempat terjadinya hamburan.

Perangkat yang dirancang untuk menghasilkan cahaya terpolarisasi disebut polarizer.

Polarisasi cahaya selama pemantulan dan pembiasan pada antarmuka antara dua dielektrik. Ketika cahaya alami dipantulkan dan dibiaskan pada antarmuka antara dua dielektrik isotropik, polarisasi liniernya terjadi. Pada sudut datang yang berubah-ubah, polarisasi cahaya yang dipantulkan adalah parsial. Sinar pantul didominasi oleh osilasi tegak lurus terhadap bidang datang, sedangkan sinar bias didominasi oleh osilasi sejajar dengannya (Gbr. 2).

Beras. 2. Polarisasi parsial cahaya alami selama pemantulan dan pembiasan

Jika sudut datang memenuhi kondisi tg i B = n 21, maka cahaya yang dipantulkan terpolarisasi sempurna (hukum Brewster), dan sinar bias terpolarisasi tidak sepenuhnya, tetapi maksimal (Gbr. 3). Dalam hal ini sinar pantul dan sinar bias saling tegak lurus.

adalah indeks bias relatif dari dua media, i B adalah sudut Brewster.

Beras. 3. Polarisasi total sinar pantul selama pemantulan dan pembiasan

pada antarmuka antara dua dielektrik isotropik.

Refraksi ganda. Ada sejumlah kristal (kalsit, kuarsa, dll.) di mana seberkas cahaya, yang dibiaskan, terbagi menjadi dua berkas dengan sifat yang berbeda. Kalsit (Spar Islandia) adalah kristal dengan kisi heksagonal. Sumbu simetri prisma heksagonal yang membentuk selnya disebut sumbu optik. Sumbu optik bukanlah garis, tetapi arah dalam kristal. Setiap garis yang sejajar dengan arah ini juga merupakan sumbu optik.

Jika sebuah pelat dipotong dari kristal kalsit sehingga wajahnya tegak lurus terhadap sumbu optik, dan seberkas cahaya diarahkan sepanjang sumbu optik, maka tidak ada perubahan yang akan terjadi di dalamnya. Namun, jika balok diarahkan pada sudut sumbu optik, maka itu akan dibagi menjadi dua balok (Gbr. 4), yang satu disebut biasa, yang kedua - luar biasa.

Beras. 4. Birefringence ketika cahaya melewati pelat kalsit.

MN adalah sumbu optik.

Berkas sinar biasa terletak pada bidang datang dan memiliki indeks bias yang biasa untuk zat tertentu. Berkas luar biasa terletak pada bidang yang melewati berkas datang dan sumbu optik kristal, yang ditarik pada titik datang berkas. Pesawat ini disebut bidang utama kristal. Indeks bias sinar biasa dan sinar luar biasa berbeda.

Sinar biasa dan sinar luar biasa terpolarisasi. Bidang osilasi sinar biasa tegak lurus terhadap bidang utama. Osilasi sinar luar biasa terjadi di bidang utama kristal.

Fenomena birefringence disebabkan oleh anisotropi kristal. Sepanjang sumbu optik, kecepatan gelombang cahaya untuk sinar biasa dan luar biasa adalah sama. Di arah lain, kecepatan gelombang luar biasa dalam kalsit lebih besar daripada gelombang biasa. Perbedaan terbesar antara kecepatan kedua gelombang terjadi pada arah tegak lurus sumbu optik.

Menurut prinsip Huygens, dengan birefringence pada setiap titik pada permukaan gelombang yang mencapai batas kristal, dua gelombang elementer muncul secara bersamaan (bukan satu, seperti pada media biasa), yang merambat dalam kristal.

Kecepatan rambat satu gelombang ke segala arah adalah sama, yaitu gelombang memiliki bentuk bola dan disebut biasa. Kecepatan rambat gelombang lain dalam arah sumbu optik kristal sama dengan kecepatan gelombang biasa, dan dalam arah tegak lurus sumbu optik berbeda dari itu. Gelombang memiliki bentuk ellipsoid dan disebut luar biasa(Gbr.5).

Beras. 5. Perambatan gelombang biasa (o) dan luar biasa (e) dalam kristal

dengan pembiasan ganda.

Prisma Nicholas. Untuk mendapatkan cahaya terpolarisasi, digunakan prisma polarisasi Nicol. Prisma dengan bentuk dan ukuran tertentu dipotong dari kalsit, kemudian digergaji di sepanjang bidang diagonal dan direkatkan dengan balsam Kanada. Ketika seberkas cahaya datang pada permukaan atas sepanjang sumbu prisma (Gbr. 6), sinar luar biasa datang pada bidang perekatan dengan sudut yang lebih kecil dan melewati hampir tanpa mengubah arah. Balok biasa jatuh pada sudut yang lebih besar dari sudut pantul total untuk balsam Kanada, dipantulkan dari bidang perekatan dan diserap oleh permukaan prisma yang menghitam. Prisma Nicol menghasilkan cahaya terpolarisasi penuh, bidang osilasinya terletak pada bidang utama prisma.

Beras. 6. Prisma Nicolas. Skema perjalanan biasa

dan sinar yang luar biasa.

Dikroisme. Ada kristal yang menyerap sinar biasa dan luar biasa dengan cara yang berbeda. Jadi, jika seberkas cahaya alami diarahkan pada kristal turmalin yang tegak lurus dengan arah sumbu optik, maka dengan ketebalan pelat hanya beberapa milimeter, sinar biasa akan diserap sepenuhnya, dan hanya sinar luar biasa yang akan keluar darinya. kristal (Gbr. 7).

Beras. 7. Lintasan cahaya melalui kristal turmalin.

Perbedaan sifat serapan sinar biasa dan sinar luar biasa disebut penyerapan anisotropi, atau dikroisme. Dengan demikian, kristal turmalin juga dapat digunakan sebagai polarizer.

Polaroid. Saat ini, polarizer banyak digunakan. polaroid. Untuk membuat polaroid, film transparan direkatkan di antara dua pelat kaca atau kaca plexiglass, yang mengandung kristal cahaya polarisasi zat dikroat (misalnya, iodokuinon sulfat). Selama proses pembuatan film, kristal diorientasikan sedemikian rupa sehingga sumbu optiknya sejajar. Seluruh sistem diperbaiki dalam bingkai.

Biaya polaroid yang rendah dan kemungkinan pembuatan pelat dengan area yang luas memastikan penerapannya yang luas dalam praktik.

Analisis cahaya terpolarisasi. Untuk mempelajari sifat dan derajat polarisasi cahaya, alat yang disebut analisa. Sebagai penganalisis, perangkat yang sama digunakan yang berfungsi untuk mendapatkan cahaya terpolarisasi linier - polarizer, tetapi disesuaikan untuk rotasi di sekitar sumbu longitudinal. Alat analisa hanya melewatkan getaran yang bertepatan dengan bidang utamanya. Jika tidak, hanya komponen osilasi yang bertepatan dengan bidang ini yang melewati penganalisis.

Jika gelombang cahaya yang masuk ke alat analisis terpolarisasi linier, maka intensitas gelombang yang keluar dari alat analisis memenuhi Hukum Malus:

,

di mana I 0 adalah intensitas cahaya yang masuk, adalah sudut antara bidang cahaya yang masuk dan cahaya yang ditransmisikan oleh penganalisis.

Bagian cahaya melalui sistem polarizer-analyzer ditunjukkan secara skematis pada gambar. delapan.

Beras. Fig. 8. Skema lewatnya cahaya melalui sistem polarizer-analyzer (P - polarizer,

A - penganalisis, E - layar):

a) bidang utama polarizer dan analyzer bertepatan;

b) bidang utama polarizer dan analyzer terletak pada sudut tertentu;

c) bidang utama polarizer dan analyzer saling tegak lurus.

Jika bidang utama polarisator dan penganalisis bertepatan, maka cahaya sepenuhnya melewati penganalisis dan menerangi layar (Gbr. 7a). Jika mereka terletak pada sudut tertentu, cahaya melewati penganalisis, tetapi semakin dilemahkan (Gbr. 7b), semakin dekat sudut ini dengan 90 0 . Jika bidang-bidang ini saling tegak lurus, maka cahaya dipadamkan sepenuhnya oleh penganalisis (Gbr. 7c)

Rotasi bidang osilasi cahaya terpolarisasi. Polarimetri. Beberapa kristal, serta larutan zat organik, memiliki kemampuan untuk memutar bidang osilasi cahaya terpolarisasi yang melewatinya. Zat-zat tersebut disebut secara optik sebuah aktif. Ini termasuk gula, asam, alkaloid, dll.

Untuk sebagian besar zat optik aktif, ditemukan adanya dua modifikasi yang memutar bidang polarisasi, masing-masing, searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam (untuk pengamat yang melihat ke arah sinar). Modifikasi pertama disebut dekstrorotatori, atau positif kedua - levorotary, atau negatif.

Aktivitas optik alami suatu zat dalam keadaan non-kristal disebabkan oleh asimetri molekul. Dalam zat kristal, aktivitas optik juga dapat disebabkan oleh kekhasan susunan molekul dalam kisi.

Dalam zat padat, sudut rotasi bidang polarisasi berbanding lurus dengan panjang d lintasan berkas cahaya dalam benda:

dimana adalah kemampuan rotasi (rotasi spesifik), tergantung pada jenis zat, suhu dan panjang gelombang. Untuk modifikasi rotasi kiri dan kanan, kemampuan rotasinya sama besarnya.

Untuk solusi, sudut rotasi bidang polarisasi

,

di mana adalah rotasi spesifik, c adalah konsentrasi zat aktif optik dalam larutan. Nilai tergantung pada sifat zat aktif optik dan pelarut, suhu dan panjang gelombang cahaya. Rotasi spesifik- ini adalah peningkatan sudut rotasi 100 kali untuk larutan setebal 1 dm pada konsentrasi zat 1 gram per 100 cm 3 larutan pada suhu 20 0 C dan pada panjang gelombang cahaya =589 nm. Metode yang sangat sensitif untuk menentukan konsentrasi c, berdasarkan rasio ini, disebut polarimetri (sakharimetri).

Ketergantungan rotasi bidang polarisasi pada panjang gelombang cahaya disebut dispersi rotasi. Pada aproksimasi pertama, ada Hukum Bio:

di mana A adalah koefisien tergantung pada sifat zat dan suhu.

Dalam pengaturan klinis, metode polarimetri digunakan untuk menentukan konsentrasi gula dalam urin. Alat yang digunakan untuk ini disebut sakharimeter(Gbr. 9).

Beras. 9. Tata letak optik sakharimeter:

Dan - sumber cahaya alami;

C - filter cahaya (monokromator), yang memastikan koordinasi operasi perangkat

dengan hukum Biot;

L adalah lensa konvergen yang memberikan berkas cahaya paralel pada output;

P - polarisator;

K – tabung dengan larutan uji;

A - analyzer dipasang pada disk berputar D dengan divisi.

Saat melakukan penelitian, penganalisis pertama kali disetel ke penggelapan maksimum bidang pandang tanpa larutan uji. Kemudian tabung dengan larutan ditempatkan di perangkat dan, dengan memutar penganalisis, bidang pandang digelapkan lagi. Yang lebih kecil dari dua sudut di mana penganalisis harus diputar adalah sudut rotasi untuk analit. Sudut digunakan untuk menghitung konsentrasi gula dalam larutan.

Untuk menyederhanakan perhitungan, tabung dengan larutan dibuat sedemikian panjang sehingga sudut rotasi alat analisis (dalam derajat) secara numerik sama dengan konsentrasi dengan larutan (dalam gram per 100 cm 3). Panjang tabung glukosa adalah 19 cm.

mikroskop polarisasi. Metode ini didasarkan pada anisotropi beberapa komponen sel dan jaringan yang muncul ketika diamati dalam cahaya terpolarisasi. Struktur yang terdiri dari molekul yang disusun secara paralel atau piringan yang disusun dalam bentuk tumpukan, ketika dimasukkan ke dalam media dengan indeks bias yang berbeda dari indeks bias partikel struktur, menunjukkan kemampuan untuk pembiasan ganda. Ini berarti bahwa struktur hanya akan mentransmisikan cahaya terpolarisasi jika bidang polarisasi sejajar dengan sumbu panjang partikel. Ini tetap berlaku bahkan ketika partikel tidak memiliki birefringence sendiri. Optik anisotropi diamati pada otot, jaringan ikat (kolagen) dan serabut saraf.

Nama otot rangka lurik" karena perbedaan sifat optik dari masing-masing bagian serat otot. Ini terdiri dari area substansi jaringan yang lebih gelap dan lebih terang. Ini memberi serat lurik melintang. Studi tentang serat otot dalam cahaya terpolarisasi mengungkapkan bahwa area yang lebih gelap adalah anisotropik dan memiliki sifat birefringence, sedangkan daerah yang lebih gelap adalah isotropik. kolagen serat bersifat anisotropik, sumbu optiknya terletak di sepanjang sumbu serat. Misel dalam bubur neurofibril juga anisotropik, tetapi sumbu optiknya terletak dalam arah radial. Mikroskop polarisasi digunakan untuk pemeriksaan histologis struktur ini.

Komponen terpenting dari mikroskop polarisasi adalah polarizer, yang terletak di antara sumber cahaya dan kapasitor. Selain itu, mikroskop memiliki panggung berputar atau tempat sampel, penganalisis yang terletak di antara objektif dan lensa okuler, yang dapat dipasang sehingga sumbunya tegak lurus dengan sumbu polarizer, dan kompensator.

Ketika polarizer dan analyzer disilangkan dan objek hilang atau isotropik bidang tampak gelap merata. Jika ada objek dengan birefringence, dan terletak sehingga sumbunya membentuk sudut terhadap bidang polarisasi, berbeda dari 0 0 atau dari 90 0 , itu akan membagi cahaya terpolarisasi menjadi dua komponen - sejajar dan tegak lurus terhadap bidang analisa. Akibatnya, sebagian cahaya akan melewati penganalisis, menghasilkan gambar objek yang cerah dengan latar belakang gelap. Ketika objek berputar, kecerahan gambarnya akan berubah, mencapai maksimum pada sudut 45 0 relatif terhadap polarizer atau analyzer.

Mikroskop polarisasi digunakan untuk mempelajari orientasi molekul dalam struktur biologis (misalnya sel otot), serta selama pengamatan struktur yang tidak terlihat dengan metode lain (misalnya gelendong mitosis selama pembelahan sel), identifikasi struktur heliks.

Cahaya terpolarisasi digunakan dalam kondisi model untuk menilai tekanan mekanis yang terjadi pada jaringan tulang. Metode ini didasarkan pada fenomena fotoelastisitas, yang terdiri dari terjadinya anisotropi optik pada padatan isotropik awalnya di bawah aksi beban mekanis.

PENENTUAN PANJANG GELOMBANG CAHAYA MENGGUNAKAN Kisi difraksi

Gangguan ringan. Interferensi cahaya adalah fenomena yang terjadi ketika gelombang cahaya ditumpangkan dan disertai dengan amplifikasi atau redamannya. Pola interferensi yang stabil muncul ketika gelombang koheren ditumpangkan. Gelombang koheren disebut gelombang dengan frekuensi yang sama dan fase yang sama atau memiliki pergeseran fase yang konstan. Amplifikasi gelombang cahaya selama interferensi (kondisi maksimum) terjadi jika cocok dengan jumlah setengah panjang gelombang yang genap:

di mana k – urutan maksimum, k=0,±1,±2,±,…±n;

λ adalah panjang gelombang cahaya.

Pelemahan gelombang cahaya selama interferensi (kondisi minimum) diamati jika jumlah ganjil setengah panjang gelombang masuk ke dalam perbedaan jalur optik :

di mana k adalah urutan minimum.

Perbedaan lintasan optik dua berkas adalah perbedaan jarak dari sumber ke titik pengamatan pola interferensi.

Interferensi dalam film tipis. Interferensi pada lapisan tipis dapat diamati pada gelembung sabun, pada titik minyak tanah di permukaan air ketika disinari oleh sinar matahari.

Biarkan balok 1 jatuh pada permukaan film tipis (lihat Gambar 2). Berkas, dibiaskan pada antarmuka udara-film, melewati film, dipantulkan dari permukaan bagian dalam, mendekati permukaan luar film, dibiaskan pada antarmuka film-udara, dan berkas muncul. Kami mengarahkan balok 2 ke titik keluar balok, yang melewati sejajar dengan balok 1. Balok 2 dipantulkan dari permukaan film , ditumpangkan pada balok , dan kedua balok berinterferensi.

Saat menyinari film dengan cahaya polikromatik, kami mendapatkan gambar pelangi. Ini disebabkan oleh fakta bahwa ketebalan film tidak seragam. Akibatnya, perbedaan jalur dengan magnitudo yang berbeda muncul, yang sesuai dengan panjang gelombang yang berbeda (film sabun berwarna, warna warni sayap beberapa serangga dan burung, lapisan minyak atau minyak pada permukaan air, dll.).

Interferensi cahaya digunakan dalam perangkat - interferometer. Interferometer adalah perangkat optik yang dapat digunakan untuk memisahkan dua berkas secara spasial dan membuat perbedaan jalur tertentu di antara keduanya. Interferometer digunakan untuk menentukan panjang gelombang dengan tingkat akurasi yang tinggi dari jarak kecil, indeks bias zat dan menentukan kualitas permukaan optik.

Untuk tujuan sanitasi dan higienis, interferometer digunakan untuk menentukan kandungan gas berbahaya.

Kombinasi interferometer dan mikroskop (mikroskop interferensi) digunakan dalam biologi untuk mengukur indeks bias, konsentrasi bahan kering, dan ketebalan objek mikro transparan.

Prinsip Huygens-Fresnel. Menurut Huygens, setiap titik medium, yang dicapai gelombang primer pada saat tertentu, merupakan sumber gelombang sekunder. Fresnel menyempurnakan posisi Huygens ini dengan menambahkan bahwa gelombang sekunder koheren, yaitu. ketika ditumpangkan, mereka akan memberikan pola interferensi yang stabil.

Difraksi cahaya. Difraksi cahaya adalah fenomena penyimpangan cahaya dari propagasi bujursangkar.

Difraksi pada balok paralel dari satu celah. Biar target melebar di seberkas cahaya monokromatik paralel jatuh (lihat Gambar 3):

Sebuah lensa dipasang di jalur sinar L , di bidang fokus tempat layar berada E . Kebanyakan balok tidak berdifraksi; tidak mengubah arah mereka, dan mereka difokuskan oleh lensa L di tengah layar, membentuk maksimum pusat atau maksimum orde nol. Sinar difraksi pada sudut difraksi yang sama φ , akan membentuk maxima pada layar 1,2,3,…, n - pesanan.

Jadi, pola difraksi yang diperoleh dari satu celah pada berkas paralel bila disinari dengan cahaya monokromatik adalah garis terang dengan penerangan maksimal di tengah layar, kemudian muncul garis gelap (minimal orde 1), kemudian muncul garis terang ( maksimal order ke 1)), dark band (minimal order ke 2), maksimal order ke-2, dst. Pola difraksi simetris terhadap maksimum pusat. Ketika celah disinari dengan cahaya putih, sistem pita berwarna terbentuk di layar, hanya maksimum pusat yang akan mempertahankan warna cahaya datang.

Kondisi maksimal dan min difraksi. Jika dalam perbedaan jalur optik Δ muat sejumlah ganjil ruas sama dengan , maka terjadi peningkatan intensitas cahaya ( maksimal difraksi):

di mana k adalah urutan maksimum; k =±1,±2,±…,± n;

λ adalah panjang gelombang.

Jika dalam perbedaan jalur optik Δ muat sejumlah genap sama dengan , maka terjadi pelemahan intensitas cahaya ( min difraksi):

di mana k adalah urutan minimum.

Kisi difraksi. Kisi difraksi terdiri dari pita bolak-balik yang tidak tembus cahaya dengan pita (celah) yang transparan terhadap cahaya dan dengan lebar yang sama.

Ciri utama kisi difraksi adalah periodenya d . periode kisi difraksi adalah lebar total pita transparan dan pita buram:

Sebuah kisi difraksi digunakan dalam instrumen optik untuk meningkatkan resolusi instrumen. Resolusi kisi difraksi bergantung pada orde spektrum k dan pada jumlah pukulan N :

di mana R - resolusi.

Turunan dari rumus kisi difraksi. Mari kita arahkan dua sinar sejajar ke kisi difraksi: 1 dan 2 sehingga jarak antara keduanya sama dengan periode kisi d .

Pada titik TETAPI dan PADA balok 1 dan 2 difraksi, menyimpang dari arah bujursangkar pada sudut φ adalah sudut difraksi.

sinar dan difokuskan oleh lensa L ke layar yang terletak di bidang fokus lensa (Gbr. 5). Setiap celah kisi dapat dianggap sebagai sumber gelombang sekunder (prinsip Huygens-Fresnel). Pada layar di titik D, kami mengamati pola interferensi maksimum.

Dari satu titik TETAPI di jalan balok jatuhkan tegak lurus dan dapatkan titik C. pertimbangkan segitiga ABC : segitiga siku-siku =Рφ sebagai sudut dengan sisi yang saling tegak lurus. Dari Δ ABC:

di mana AB=d (dengan konstruksi),

SW = adalah perbedaan jalur optik.

Karena di titik D kita amati interferensi maksimum, maka

di mana k adalah urutan maksimum,

λ adalah panjang gelombang cahaya.

Memasukkan nilai-nilai AB=d, ke dalam rumus untuk dosa :

Dari sini kita mendapatkan:

Secara umum, rumus kisi difraksi memiliki bentuk:

Tanda ± menunjukkan bahwa pola interferensi pada layar adalah simetris terhadap maksimum pusat.

Dasar fisik holografi. Holografi adalah metode perekaman dan rekonstruksi medan gelombang, yang didasarkan pada fenomena difraksi dan interferensi gelombang. Jika hanya intensitas gelombang yang dipantulkan dari objek yang ditetapkan pada foto biasa, maka fase gelombang juga direkam pada hologram, yang memberikan informasi tambahan tentang objek dan memungkinkan untuk memperoleh gambar tiga dimensi dari gelombang. objek.