Hukum pembiasan cahaya. Indeks absolut dan relatif (koefisien) refraksi. Refleksi internal total

Hukum pembiasan cahaya didirikan secara empiris pada abad ke-17. Ketika cahaya berpindah dari satu medium transparan ke medium transparan lainnya, arah cahaya dapat berubah. Mengubah arah cahaya pada batas media yang berbeda disebut pembiasan cahaya. Kemahatahuan pembiasan adalah perubahan nyata dalam bentuk suatu benda. (contoh: sendok dalam segelas air). Hukum pembiasan cahaya: Pada batas dua media, sinar bias terletak pada bidang datang dan membentuk, dengan normal ke antarmuka dikembalikan pada titik datang, sudut bias sedemikian rupa sehingga: = n 1- jatuh, 2 refleksi, indeks bias n (f. Snelius) - indikator relatif Indeks bias sinar datang pada medium dari ruang hampa udara disebut indeks bias mutlak. Sudut datang di mana sinar bias mulai meluncur sepanjang antarmuka antara dua media tanpa transisi ke media optik lebih padat - membatasi sudut refleksi internal total. Refleksi internal total- refleksi internal, asalkan sudut datang melebihi sudut kritis tertentu. Dalam hal ini, gelombang datang dipantulkan sepenuhnya, dan nilai koefisien refleksi melebihi nilai tertinggi untuk permukaan yang dipoles. Koefisien pemantulan untuk pemantulan internal total tidak bergantung pada panjang gelombang. Dalam optik, fenomena ini diamati untuk spektrum radiasi elektromagnetik yang luas, termasuk rentang sinar-X. Dalam optik geometris, fenomena tersebut dijelaskan dalam istilah hukum Snell. Mengingat bahwa sudut bias tidak dapat melebihi 90°, kita memperoleh bahwa pada sudut datang yang sinusnya lebih besar dari rasio indeks bias yang lebih kecil dengan yang lebih besar, gelombang elektromagnetik harus dipantulkan sepenuhnya ke dalam medium pertama. Contoh: Kecemerlangan terang dari banyak kristal alam, dan khususnya batu mulia dan semimulia segi, dijelaskan oleh refleksi internal total, sebagai akibatnya setiap sinar yang masuk ke kristal membentuk sejumlah besar sinar yang cukup terang yang keluar, berwarna seperti akibat dispersi.

INDIKATOR REFRAKTIF(indeks bias) - optik. karakteristik lingkungan yang terkait dengan pembiasan cahaya pada antarmuka antara dua media optik homogen dan isotropik transparan selama transisi dari satu media ke yang lain dan karena perbedaan kecepatan fase perambatan cahaya di media. Nilai P.p., sama dengan rasio kecepatan tersebut. relatif

P. p. dari lingkungan ini. Jika cahaya jatuh pada medium kedua atau pertama dari (di mana kecepatan rambat cahaya dengan), maka besarannya adalah P. p. absolut dari lingkungan ini. Dalam hal ini, hukum pembiasan dapat ditulis dalam bentuk di mana dan adalah sudut datang dan bias.

Besarnya P.p. mutlak tergantung pada sifat dan struktur zat, keadaan agregasi, suhu, tekanan, dll. Pada intensitas tinggi, p.p. tergantung pada intensitas cahaya (lihat. optik non-linier). Dalam sejumlah zat, P. p. berubah di bawah pengaruh eksternal. listrik bidang ( Efek Kerr- dalam cairan dan gas; elektro-optik efek kantong- dalam kristal).

Untuk media tertentu, pita absorpsi bergantung pada panjang gelombang l cahaya, dan di daerah pita absorpsi ketergantungan ini bersifat anomali (lihat Gambar. Dispersi cahaya). Untuk hampir semua media, pita serapan mendekati 1, di daerah yang terlihat untuk cairan dan padatan, sekitar 1,5; di wilayah IR untuk sejumlah media transparan 4.0 (untuk Ge).

Mereka dicirikan oleh dua fenomena parametrik: biasa (mirip dengan media isotropik) dan luar biasa, yang besarnya tergantung pada sudut datang berkas dan, akibatnya, arah rambat cahaya dalam medium (lihat Gambar. Optik kristal) Untuk media dengan penyerapan (khususnya, untuk logam), koefisien penyerapan adalah kuantitas yang kompleks dan dapat direpresentasikan sebagai di mana n adalah koefisien penyerapan biasa, adalah indeks penyerapan (lihat. Penyerapan cahaya, optik logam).

P.p. bersifat makroskopis. karakteristik lingkungan dan terkait dengannya permitivitas n besar. permeabilitas Klasik teori elektronik (lih. Dispersi cahaya) memungkinkan Anda untuk mengasosiasikan nilai P. p. dengan mikroskopis. karakteristik lingkungan - elektronik polarisasi atom (atau molekul) tergantung pada sifat atom dan frekuensi cahaya, dan medium: di mana N adalah jumlah atom per satuan volume. Bekerja pada atom (molekul) listrik. medan gelombang cahaya menyebabkan pergeseran optik. elektron dari posisi kesetimbangan; atom menjadi terinduksi. momen dipol berubah dalam waktu dengan frekuensi cahaya datang, dan merupakan sumber gelombang koheren sekunder, to-rye. mengganggu insiden gelombang pada medium, mereka membentuk gelombang cahaya yang dihasilkan merambat dalam medium dengan kecepatan fase, dan karena itu

Intensitas sumber cahaya konvensional (non-laser) relatif rendah; medan gelombang cahaya yang bekerja pada atom jauh lebih kecil daripada listrik intra-atom. medan, dan elektron dalam atom dapat dianggap sebagai harmonik. osilator. Dalam pendekatan ini, nilai dari dan P. p.

Mereka adalah nilai konstan (pada frekuensi tertentu), tidak tergantung pada intensitas cahaya. Dalam fluks cahaya intens yang diciptakan oleh laser yang kuat, besarnya listrik. medan gelombang cahaya bisa sepadan dengan muatan listrik intra-atomik. medan dan model harmoni, osilator ternyata tidak dapat diterima. Perhitungan anharmonisitas gaya dalam sistem elektron-atom menyebabkan ketergantungan polarisasi atom, dan karenanya koefisien polarisasi, pada intensitas cahaya. Hubungan antara dan ternyata tidak linier; P. p. dapat direpresentasikan dalam bentuk

Dimana - P.p. pada intensitas cahaya rendah; (biasanya penunjukan yang diterima) - penambahan non-linear ke P. p., atau koefisien. non-linier. P. p. tergantung pada sifat lingkungan, misalnya. untuk kaca silikat

P. p. juga dipengaruhi oleh intensitas tinggi sebagai akibat dari efek elektrostriksi, mengubah kepadatan medium, frekuensi tinggi untuk molekul anisotropik (dalam cairan), serta sebagai akibat dari peningkatan suhu yang disebabkan oleh penyerapan

Hukum fisika memainkan peran yang sangat penting dalam melakukan perhitungan untuk merencanakan strategi khusus untuk produksi produk apa pun atau dalam menyusun proyek untuk konstruksi struktur untuk berbagai tujuan. Banyak nilai yang dihitung, sehingga pengukuran dan perhitungan dilakukan sebelum memulai pekerjaan perencanaan. Misalnya, indeks bias kaca sama dengan rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias.

Jadi pertama ada proses pengukuran sudut, lalu sinusnya dihitung, dan baru kemudian Anda bisa mendapatkan nilai yang diinginkan. Terlepas dari ketersediaan data tabular, ada baiknya melakukan perhitungan tambahan setiap saat, karena buku referensi sering menggunakan kondisi ideal yang hampir tidak mungkin dicapai dalam kehidupan nyata. Oleh karena itu, pada kenyataannya, indikatornya tentu akan berbeda dari yang tabel, dan dalam beberapa situasi ini sangat penting.

Indikator mutlak

Indeks bias absolut tergantung pada merek kaca, karena dalam praktiknya ada sejumlah besar opsi yang berbeda dalam komposisi dan tingkat transparansi. Rata-rata, itu adalah 1,5 dan berfluktuasi di sekitar nilai ini sebesar 0,2 dalam satu arah atau lainnya. Dalam kasus yang jarang terjadi, mungkin ada penyimpangan dari angka ini.

Sekali lagi, jika indikator yang tepat penting, maka pengukuran tambahan sangat diperlukan. Tetapi bahkan mereka tidak memberikan hasil yang dapat diandalkan 100%, karena posisi matahari di langit dan kekeruhan pada hari pengukuran akan mempengaruhi nilai akhir. Untungnya, dalam 99,99% kasus, cukup mengetahui bahwa indeks bias bahan seperti kaca lebih besar dari satu dan kurang dari dua, dan semua persepuluhan dan perseratus lainnya tidak berperan.

Di forum-forum yang membantu menyelesaikan soal-soal fisika sering muncul pertanyaan, berapa indeks bias kaca dan berlian? Banyak orang berpikir bahwa karena kedua zat ini memiliki penampilan yang mirip, maka sifat-sifatnya harus kira-kira sama. Tapi ini adalah delusi.

Pembiasan maksimum untuk kaca akan menjadi sekitar 1,7, sedangkan untuk berlian angka ini mencapai 2,42. Permata ini adalah salah satu dari sedikit bahan di Bumi yang indeks biasnya melebihi 2. Ini karena struktur kristalnya dan penyebaran sinar cahaya yang besar. Faceting memainkan peran minimal dalam perubahan nilai tabel.

Indikator relatif

Indikator relatif untuk beberapa lingkungan dapat dicirikan sebagai berikut:

• - indeks bias kaca relatif terhadap air kira-kira 1,18;
• - indeks bias bahan yang sama relatif terhadap udara sama dengan 1,5;
• - indeks bias relatif terhadap alkohol - 1.1.

Pengukuran indikator dan perhitungan nilai relatif dilakukan sesuai dengan algoritma yang terkenal. Untuk menemukan parameter relatif, Anda perlu membagi satu nilai tabel dengan nilai lainnya. Atau membuat perhitungan eksperimental untuk dua lingkungan, dan kemudian membagi data yang diperoleh. Operasi semacam itu sering dilakukan di kelas laboratorium dalam fisika.

Penentuan indeks bias

Cukup sulit untuk menentukan indeks bias kaca dalam praktek, karena instrumen presisi tinggi diperlukan untuk mengukur data awal. Kesalahan apa pun akan meningkat, karena perhitungan menggunakan rumus kompleks yang membutuhkan tidak adanya kesalahan.

Secara umum koefisien ini menunjukkan berapa kali kecepatan rambat sinar cahaya melambat ketika melewati rintangan tertentu. Oleh karena itu, tipikal hanya untuk bahan transparan. Untuk nilai referensi, yaitu, untuk unit, indeks bias gas diambil. Hal ini dilakukan agar dapat memulai dari beberapa nilai dalam perhitungan.

Jika sinar matahari jatuh pada permukaan kaca dengan indeks bias yang sama dengan nilai tabel, maka dapat diubah dengan beberapa cara:

• 1. Rekatkan film di atas, di mana indeks bias akan lebih tinggi dari kaca. Prinsip ini digunakan dalam pewarnaan kaca mobil untuk meningkatkan kenyamanan penumpang dan memungkinkan pengemudi melihat jalan dengan lebih jelas. Juga, film akan menahan radiasi dan ultraviolet.
• 2. Cat kaca dengan cat. Inilah yang dilakukan oleh produsen kacamata hitam murah, tetapi perlu diketahui bahwa itu bisa berbahaya bagi penglihatan Anda. Dalam model yang baik, kacamata segera diproduksi berwarna menggunakan teknologi khusus.
• 3. Benamkan gelas dalam cairan. Ini hanya berguna untuk eksperimen.

Jika berkas cahaya melewati kaca, maka indeks bias pada bahan berikutnya dihitung menggunakan koefisien relatif, yang dapat diperoleh dengan membandingkan nilai tabel satu sama lain. Perhitungan ini sangat penting dalam desain sistem optik yang membawa beban praktis atau eksperimental. Kesalahan tidak diperbolehkan di sini, karena itu akan menyebabkan seluruh perangkat tidak berfungsi, dan kemudian data apa pun yang diterima dengannya tidak akan berguna.

Untuk menentukan kecepatan cahaya dalam kaca dengan indeks bias, Anda perlu membagi nilai absolut dari kecepatan dalam ruang hampa dengan indeks bias. Vakum digunakan sebagai media referensi, karena pembiasan tidak bekerja di sana karena tidak adanya zat apa pun yang dapat mengganggu pergerakan sinar cahaya tanpa hambatan di sepanjang lintasan tertentu.

Dalam setiap indikator yang dihitung, kecepatannya akan lebih kecil daripada di media referensi, karena indeks bias selalu lebih besar dari satu.

Pembiasan cahaya- fenomena di mana seberkas cahaya, melewati satu medium ke medium lain, berubah arah pada batas media ini.

Pembiasan cahaya terjadi menurut hukum berikut:
Sinar datang dan sinar bias dan garis tegak lurus yang ditarik ke antarmuka antara dua media di titik datang sinar terletak pada bidang yang sama. Rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias adalah nilai konstan untuk dua media:
,
di mana α - sudut datang,
β - sudut bias
n - nilai konstan yang tidak bergantung pada sudut datang.

Ketika sudut datang berubah, sudut bias juga berubah. Semakin besar sudut datang maka semakin besar pula sudut biasnya.
Jika cahaya merambat dari medium optik kurang rapat ke medium lebih rapat, maka sudut bias selalu lebih kecil dari sudut datang: β < α.
Seberkas cahaya yang diarahkan tegak lurus pada antarmuka antara dua media melewati dari satu media ke media lainnya tanpa putus.

indeks bias mutlak suatu zat- nilai yang sama dengan rasio kecepatan fase cahaya (gelombang elektromagnetik) dalam ruang hampa dan dalam media tertentu n=c/v
Nilai n yang termasuk dalam hukum bias disebut indeks bias relatif untuk sepasang media.

Nilai n adalah indeks bias relatif medium B terhadap medium A, dan n" = 1/n adalah indeks bias relatif medium A terhadap medium B.
Nilai ini, ceteris paribus, lebih besar dari satu jika berkas melewati dari media yang lebih rapat ke media yang kurang rapat, dan kurang dari satu saat berkas melewati dari media yang kurang rapat ke media yang lebih rapat (misalnya, dari gas atau dari vakum menjadi cair atau padat). Ada pengecualian untuk aturan ini, dan oleh karena itu merupakan kebiasaan untuk menyebut media secara optik lebih atau kurang padat daripada yang lain.
Seberkas sinar yang jatuh dari ruang hampa udara ke permukaan beberapa medium B dibiaskan lebih kuat daripada ketika jatuh dari medium lain A; Indeks bias sinar datang pada medium dari ruang hampa udara disebut indeks bias absolutnya.

(Mutlak - relatif terhadap vakum.
Relatif - relatif terhadap zat lain (udara yang sama, misalnya).
Indeks relatif dari dua zat adalah rasio indeks absolut mereka.)

Refleksi internal total- refleksi internal, asalkan sudut datang melebihi sudut kritis tertentu. Dalam hal ini, gelombang datang dipantulkan sepenuhnya, dan nilai koefisien refleksi melebihi nilai tertinggi untuk permukaan yang dipoles. Koefisien pemantulan untuk pemantulan internal total tidak bergantung pada panjang gelombang.

Dalam optik, fenomena ini diamati untuk spektrum radiasi elektromagnetik yang luas, termasuk rentang sinar-X.

Dalam optik geometris, fenomena tersebut dijelaskan dalam istilah hukum Snell. Mengingat bahwa sudut bias tidak dapat melebihi 90°, kita memperoleh bahwa pada sudut datang yang sinusnya lebih besar dari rasio indeks bias yang lebih rendah dengan indeks yang lebih besar, gelombang elektromagnetik harus dipantulkan sepenuhnya ke dalam medium pertama.

Sesuai dengan teori gelombang dari fenomena tersebut, gelombang elektromagnetik tetap menembus ke dalam medium kedua - apa yang disebut "gelombang tidak seragam" menyebar di sana, yang meluruh secara eksponensial dan tidak membawa energi bersamanya. Kedalaman karakteristik penetrasi gelombang tidak homogen ke dalam medium kedua adalah urutan panjang gelombang.

Hukum pembiasan cahaya.

Dari semua yang telah dikatakan, kami menyimpulkan:
1 . Pada antarmuka antara dua media dengan kerapatan optik yang berbeda, seberkas cahaya berubah arah ketika melewati dari satu media ke media lainnya.
2. Ketika seberkas cahaya melewati media dengan kerapatan optik yang lebih tinggi, sudut bias lebih kecil dari sudut datang; ketika seberkas cahaya melewati dari media optik lebih rapat ke media kurang rapat, sudut bias lebih besar dari sudut datang.
Pembiasan cahaya disertai dengan pemantulan, dan dengan peningkatan sudut datang, kecerahan sinar yang dipantulkan meningkat, sedangkan yang dibiaskan melemah. Hal ini dapat dilihat dengan melakukan percobaan yang ditunjukkan pada gambar. Akibatnya, sinar yang dipantulkan terbawa bersamanya, semakin banyak energi cahaya, semakin besar sudut datang.

Biarlah M N- antarmuka antara dua media transparan, misalnya, udara dan air, JSC- balok jatuh OV- sinar bias, - sudut datang, - sudut bias, - kecepatan rambat cahaya pada medium pertama, - kecepatan rambat cahaya pada medium kedua.

Pembiasan atau pembiasan adalah fenomena di mana perubahan arah seberkas cahaya, atau gelombang lain, terjadi ketika mereka melintasi batas yang memisahkan dua media, baik transparan (mentransmisikan gelombang ini) dan di dalam media yang sifatnya terus berubah. .

Fenomena refraksi cukup sering kita jumpai dan menganggapnya sebagai fenomena biasa: kita dapat melihat bahwa sebatang tongkat dalam kaca transparan dengan cairan berwarna “patah” pada titik di mana udara dan air terpisah (Gbr. 1). Saat cahaya dibiaskan dan dipantulkan saat hujan, kita bergembira saat melihat pelangi (Gbr. 2).

Indeks bias merupakan karakteristik penting suatu zat yang berkaitan dengan sifat fisikokimianya. Itu tergantung pada nilai suhu, serta pada panjang gelombang gelombang cahaya di mana penentuan dilakukan. Menurut data kontrol kualitas dalam suatu larutan, indeks bias dipengaruhi oleh konsentrasi zat terlarut di dalamnya, serta sifat pelarut. Secara khusus, indeks bias serum darah dipengaruhi oleh jumlah protein yang terkandung di dalamnya, karena fakta bahwa pada kecepatan rambat sinar yang berbeda dalam media dengan kepadatan yang berbeda, arahnya berubah pada antarmuka antara dua media. . Jika kita membagi kecepatan cahaya dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya dalam zat yang dipelajari, kita mendapatkan indeks bias mutlak (indeks bias). Dalam praktiknya, indeks bias relatif (n) ditentukan, yang merupakan rasio kecepatan cahaya di udara dengan kecepatan cahaya dalam zat yang dipelajari.

Indeks bias diukur menggunakan perangkat khusus - refraktometer.

Refraktometri adalah salah satu metode analisis fisik yang paling mudah dan dapat digunakan di laboratorium kendali mutu dalam produksi bahan kimia, makanan, suplemen makanan yang aktif secara biologis, kosmetik, dan jenis produk lainnya dengan waktu dan jumlah sampel yang akan diuji minimal.

Desain refraktometer didasarkan pada kenyataan bahwa sinar cahaya sepenuhnya dipantulkan ketika melewati batas dua media (salah satunya adalah prisma kaca, yang lain adalah larutan uji) (Gbr. 3).

Beras. 3. Skema refraktometer

Dari sumber (1), berkas cahaya jatuh pada permukaan cermin (2), kemudian, dipantulkan, melewati prisma penerang atas (3), kemudian ke prisma ukur bawah (4), yang terbuat dari kaca. dengan indeks bias yang tinggi. Antara prisma (3) dan (4) 1-2 tetes sampel diterapkan menggunakan kapiler. Agar tidak menyebabkan kerusakan mekanis pada prisma, perlu untuk tidak menyentuh permukaannya dengan kapiler.

Lensa mata (9) melihat bidang dengan garis bersilangan untuk mengatur antarmuka. Dengan menggerakkan lensa mata, titik perpotongan bidang harus sejajar dengan antarmuka (Gbr. 4) Bidang prisma (4) memainkan peran antarmuka, pada permukaan di mana berkas cahaya dibiaskan. Karena sinar tersebar, batas cahaya dan bayangan menjadi kabur, berwarna-warni. Fenomena ini dihilangkan oleh kompensator dispersi (5). Kemudian sinar dilewatkan melalui lensa (6) dan prisma (7). Pada pelat (8) ada goresan reticle (dua garis lurus bersilangan), serta skala dengan indeks bias, yang diamati pada lensa mata (9). Digunakan untuk menghitung indeks bias.

Garis pemisah batas bidang akan sesuai dengan sudut refleksi total internal, yang tergantung pada indeks bias sampel.

Refraktometri digunakan untuk menentukan kemurnian dan keaslian suatu zat. Metode ini juga digunakan untuk menentukan konsentrasi zat dalam larutan selama kontrol kualitas, yang dihitung dari grafik kalibrasi (grafik yang menunjukkan ketergantungan indeks bias sampel pada konsentrasinya).

Di KorolevPharm, indeks bias ditentukan sesuai dengan dokumentasi peraturan yang disetujui selama kontrol bahan baku yang masuk, dalam ekstrak produksi kami sendiri, serta dalam produksi produk jadi. Penentuan dilakukan oleh karyawan yang memenuhi syarat dari laboratorium fisik dan kimia terakreditasi menggunakan refraktometer IRF-454 B2M.

Jika, berdasarkan hasil kontrol input bahan baku, indeks bias tidak memenuhi persyaratan yang diperlukan, departemen kontrol kualitas membuat Undang-Undang Ketidaksesuaian, yang menjadi dasar batch bahan baku ini dikembalikan ke pemasok.

Metode penentuan

1. Sebelum memulai pengukuran, kebersihan permukaan prisma yang bersentuhan satu sama lain diperiksa.

2. Pemeriksaan titik nol. Kami menerapkan 2÷3 tetes air suling pada permukaan prisma pengukur, tutup dengan hati-hati dengan prisma yang menyala. Buka jendela pencahayaan dan, dengan menggunakan cermin, atur sumber cahaya ke arah yang paling intens. Dengan memutar sekrup lensa mata, kami memperoleh perbedaan yang jelas dan tajam antara bidang gelap dan terang dalam bidang pandangnya. Kami memutar sekrup dan mengarahkan garis bayangan dan cahaya sehingga bertepatan dengan titik di mana garis berpotongan di jendela atas lensa mata. Pada garis vertikal di jendela bawah lensa mata kita melihat hasil yang diinginkan - indeks bias air suling pada 20 ° C (1.333). Jika pembacaannya berbeda, atur indeks bias ke 1,333 dengan sekrup, dan dengan bantuan kunci (lepaskan sekrup pengatur) kami membawa batas bayangan dan cahaya ke titik perpotongan garis.

3. Menentukan indeks bias. Angkat ruang pencahayaan prisma dan buang airnya dengan kertas saring atau serbet kasa. Selanjutnya, oleskan 1-2 tetes larutan uji ke permukaan prisma pengukur dan tutup bilik. Kami memutar sekrup sampai batas bayangan dan cahaya bertepatan dengan titik perpotongan garis. Pada garis vertikal di jendela bawah lensa mata, kita melihat hasil yang diinginkan - indeks bias sampel uji. Kami menghitung indeks bias pada skala di jendela bawah lensa mata.

4. Dengan menggunakan grafik kalibrasi, kami menetapkan hubungan antara konsentrasi larutan dan indeks bias. Untuk membuat grafik, perlu untuk menyiapkan larutan standar dari beberapa konsentrasi menggunakan preparat bahan kimia murni, mengukur indeks biasnya dan memplot nilai yang diperoleh pada sumbu ordinat, dan memplot konsentrasi larutan yang sesuai pada sumbu absis. Penting untuk memilih interval konsentrasi di mana hubungan linier diamati antara konsentrasi dan indeks bias. Kami mengukur indeks bias sampel uji dan menggunakan grafik untuk menentukan konsentrasinya.