Indeks bias medium relatif terhadap ruang hampa, yaitu, untuk kasus transisi sinar cahaya dari ruang hampa ke medium, disebut absolut dan ditentukan oleh rumus (27.10): n=c/v.

Dalam perhitungan, indeks bias absolut diambil dari tabel, karena nilainya ditentukan dengan cukup akurat menggunakan eksperimen. Karena c lebih besar dari v, maka indeks bias mutlak selalu lebih besar dari satu.

Jika radiasi cahaya berpindah dari ruang hampa ke medium, maka rumus hukum pembiasan kedua ditulis sebagai:

sin i/sin = n. (29.6)

Rumus (29.6) juga sering digunakan dalam praktek ketika sinar melewati dari udara ke medium, karena kecepatan rambat cahaya di udara berbeda sangat sedikit dari c. Hal ini terlihat dari indeks bias mutlak udara sebesar 1,0029.

Ketika berkas bergerak dari medium ke ruang hampa (ke udara), maka rumus hukum pembiasan kedua berbentuk:

sin i/sin = 1/n. (29.7)

Dalam hal ini, sinar, ketika meninggalkan medium, harus bergerak menjauh dari tegak lurus ke antarmuka antara medium dan ruang hampa.

Mari kita cari tahu bagaimana Anda dapat menemukan indeks bias relatif n21 dari indeks bias absolut. Biarkan cahaya melewati medium dengan indeks absolut n1 ke medium dengan indeks absolut n2. Maka n1 = c/V1 dann2 = s/v2, dari mana:

n2/n1=v1/v2=n21. (29.8)

Rumus untuk hukum pembiasan kedua untuk kasus seperti itu sering ditulis sebagai berikut:

sini/sinβ = n2/n1. (29.9)

Mari kita ingat itu dengan Eksponen mutlak teori Maxwell pembiasan dapat ditemukan dari relasi: n = (με). Karena untuk zat transparan terhadap radiasi cahaya, praktis sama dengan satu, kita dapat mengasumsikan bahwa:

n = . (29.10)

Karena frekuensi osilasi dalam radiasi cahaya adalah urutan 10 14 Hz, baik dipol maupun ion dalam dielektrik, yang memiliki massa yang relatif besar, memiliki waktu untuk mengubah posisinya dengan frekuensi seperti itu, dan sifat dielektrik suatu zat di bawah kondisi ini hanya ditentukan oleh polarisasi elektronik atom-atomnya. Ini menjelaskan perbedaan antara nilai =n 2 dari (29.10) dan st dalam elektrostatika. Jadi, untuk air \u003d n 2 \u003d 1,77, dan st \u003d 81; dielektrik padat ionik NaCl =2,25, dan st =5,6. Ketika suatu zat terdiri dari atom homogen atau molekul non-polar, yaitu, ia tidak memiliki ion atau dipol alami, maka polarisasinya hanya dapat elektronik. Untuk zat serupa, dari (29.10) dan st bertepatan. Contoh zat semacam itu adalah berlian, yang hanya terdiri dari atom karbon.

Perhatikan bahwa nilai indeks bias mutlak, selain jenis zat, juga tergantung pada frekuensi osilasi, atau pada panjang gelombang radiasi. . Ketika panjang gelombang berkurang, sebagai suatu peraturan, indeks bias meningkat.

Tiket 75.

Hukum pemantulan cahaya: sinar datang dan sinar pantul, serta tegak lurus antarmuka antara dua media, dipulihkan pada titik datang sinar, terletak pada bidang yang sama (bidang datang). Sudut pantul sama dengan sudut datang .

Hukum pembiasan cahaya: sinar datang dan sinar bias, serta tegak lurus antarmuka antara dua media, dipulihkan pada titik datang sinar, terletak pada bidang yang sama. Rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias adalah nilai konstan untuk dua media yang diberikan:

Hukum pemantulan dan pembiasan dijelaskan dalam fisika gelombang. Menurut konsep gelombang, pembiasan adalah konsekuensi dari perubahan kecepatan rambat gelombang selama transisi dari satu medium ke medium lainnya. Arti fisik dari indeks bias adalah perbandingan cepat rambat gelombang di medium pertama 1 dengan cepat rambat gelombang di medium kedua 2:

Gambar 3.1.1 mengilustrasikan hukum pemantulan dan pembiasan cahaya.

Sebuah medium dengan indeks bias mutlak lebih rendah disebut optik kurang rapat.

Ketika cahaya berpindah dari medium yang lebih rapat secara optik ke media yang kurang rapat secara optik n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать fenomena refleksi total, yaitu, hilangnya sinar bias. Fenomena ini diamati pada sudut datang yang melebihi sudut kritis tertentu pr, yang disebut membatasi sudut refleksi internal total(lihat gambar 3.1.2).

Untuk sudut datang = pr sin = 1; nilai sin pr \u003d n 2 / n 1< 1.

Jika medium kedua adalah udara (n 2 1), maka akan lebih mudah untuk menulis ulang rumus sebagai

Fenomena refleksi internal total menemukan aplikasi di banyak perangkat optik. Aplikasi yang paling menarik dan praktis penting adalah pembuatan panduan cahaya serat, yang tipis (dari beberapa mikrometer hingga milimeter) filamen bengkok sewenang-wenang dari bahan optik transparan (kaca, kuarsa). Cahaya yang jatuh pada ujung serat dapat merambat sepanjang serat tersebut dalam jarak yang jauh karena pemantulan internal total dari permukaan samping (Gbr. 3.1.3). Arah ilmiah dan teknis yang terlibat dalam pengembangan dan penerapan panduan cahaya optik disebut serat optik.

Dispe "rsiya light" itu (penguraian cahaya)- ini adalah fenomena karena ketergantungan indeks bias mutlak suatu zat pada frekuensi (atau panjang gelombang) cahaya (dispersi frekuensi), atau, hal yang sama, ketergantungan kecepatan fase cahaya dalam suatu zat pada panjang gelombang (atau frekuensi). Eksperimental ditemukan oleh Newton sekitar 1672, meskipun secara teoritis dijelaskan dengan baik jauh kemudian.

Dispersi spasial adalah ketergantungan tensor dari permitivitas media pada vektor gelombang. Ketergantungan ini menyebabkan sejumlah fenomena yang disebut efek polarisasi spasial.

Salah satu contoh dispersi yang paling jelas - penguraian cahaya putih ketika melewatinya melalui prisma (percobaan Newton). Inti dari fenomena dispersi adalah perbedaan dalam kecepatan rambat sinar cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda dalam zat transparan - media optik (sedangkan dalam ruang hampa kecepatan cahaya selalu sama, terlepas dari panjang gelombang dan karenanya warnanya) . Biasanya, semakin tinggi frekuensi gelombang cahaya, semakin besar indeks bias medium untuk itu dan semakin rendah kecepatan gelombang dalam medium:

Eksperimen Newton Eksperimen penguraian cahaya putih menjadi spektrum: Newton mengarahkan seberkas sinar matahari melalui lubang kecil ke prisma kaca. Naik ke prisma, sinar dibiaskan dan memberikan gambar memanjang di dinding yang berlawanan dengan pergantian warna-warni - spektrum. Percobaan pancaran cahaya monokromatis melalui prisma: Newton menempatkan kaca merah di jalur sinar matahari, di belakangnya ia menerima cahaya monokromatik (merah), kemudian sebuah prisma dan mengamati di layar hanya titik merah dari sinar cahaya. Pengalaman dalam sintesis (memperoleh) cahaya putih: Pertama, Newton mengarahkan sinar matahari pada sebuah prisma. Kemudian, setelah mengumpulkan sinar berwarna yang muncul dari prisma dengan bantuan lensa konvergen, Newton menerima gambar putih sebuah lubang di dinding putih, bukan strip berwarna. kesimpulan Newton:- prisma tidak mengubah cahaya, tetapi hanya menguraikannya menjadi komponen - sinar cahaya yang berbeda warna berbeda dalam tingkat pembiasan; sinar violet paling kuat dibiaskan, cahaya merah dibiaskan kurang kuat - cahaya merah, yang kurang dibiaskan, memiliki kecepatan tertinggi, dan ungu memiliki terendah, oleh karena itu prisma menguraikan cahaya. Ketergantungan indeks bias cahaya pada warnanya disebut dispersi.

Temuan:- prisma menguraikan cahaya - cahaya putih adalah kompleks (komposit) - sinar ungu dibiaskan lebih dari yang merah. Warna seberkas cahaya ditentukan oleh frekuensi osilasinya. Ketika berpindah dari satu medium ke medium lainnya, kecepatan cahaya dan panjang gelombang berubah, tetapi frekuensi yang menentukan warna tetap konstan. Batas-batas rentang cahaya putih dan komponennya biasanya dicirikan oleh panjang gelombangnya dalam ruang hampa. Cahaya putih adalah kumpulan panjang gelombang dari 380 hingga 760 nm.

Tiket 77.

Penyerapan cahaya. hukum Bouguer

Penyerapan cahaya dalam suatu zat dikaitkan dengan konversi energi medan elektromagnetik gelombang menjadi energi termal zat (atau menjadi energi radiasi photoluminescent sekunder). Hukum penyerapan cahaya (hukum Bouguer) memiliki bentuk:

saya = saya 0 exp(- x),(1)

di mana Saya 0 , Saya- masukan intensitas cahaya (x=0) dan keluar dari lapisan ketebalan sedang X, - koefisien penyerapan, itu tergantung pada .

Untuk dielektrik =10 -1  10 -5 m -1 , untuk logam =10 5  10 7 m -1 , oleh karena itu logam tidak tembus cahaya.

Ketergantungan ( ) menjelaskan warna benda penyerap. Misalnya, kaca yang menyerap sedikit cahaya merah akan tampak merah jika disinari dengan cahaya putih.

Penghamburan cahaya. hukum Rayleigh

Difraksi cahaya dapat terjadi dalam medium optik yang tidak homogen, misalnya dalam medium keruh (asap, kabut, udara berdebu, dll.). Difraksi pada ketidakhomogenan medium, gelombang cahaya menciptakan pola difraksi yang ditandai dengan distribusi intensitas yang cukup seragam ke segala arah.

Difraksi seperti itu oleh ketidakhomogenan kecil disebut hamburan cahaya.

Fenomena ini diamati jika seberkas sinar matahari yang sempit melewati udara berdebu, menyebar pada partikel debu dan menjadi terlihat.

Jika dimensi ketidakhomogenan kecil dibandingkan dengan panjang gelombang (tidak lebih dari 0,1  ), maka intensitas cahaya yang dihamburkan berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang, yaitu

Saya kasar ~ 1/  4 , (2)

hubungan ini disebut hukum Rayleigh.

Hamburan cahaya juga diamati pada media murni yang tidak mengandung partikel asing. Misalnya, dapat terjadi pada fluktuasi (penyimpangan acak) kepadatan, anisotropi, atau konsentrasi. Hamburan seperti itu disebut molekul. Ini menjelaskan, misalnya, warna biru langit. Memang, menurut (2), sinar biru dan biru tersebar lebih kuat daripada merah dan kuning, karena memiliki panjang gelombang yang lebih pendek, sehingga menyebabkan warna langit menjadi biru.

Tiket 78.

Polarisasi cahaya- satu set fenomena optik gelombang, di mana sifat transversal gelombang cahaya elektromagnetik dimanifestasikan. gelombang transversal- partikel medium berosilasi dalam arah tegak lurus terhadap arah rambat gelombang ( gambar 1).

Gambar 1 gelombang transversal

gelombang cahaya elektromagnetik pesawat terpolarisasi(polarisasi linier), jika arah osilasi vektor E dan B tetap dan terletak pada bidang tertentu ( gambar 1). Gelombang cahaya terpolarisasi bidang disebut pesawat terpolarisasi cahaya (terpolarisasi linier). tidak terpolarisasi gelombang (alami) - gelombang cahaya elektromagnetik di mana arah osilasi vektor E dan B dalam gelombang ini dapat terletak di semua bidang yang tegak lurus terhadap vektor kecepatan v. cahaya tak terpolarisasi- gelombang cahaya, di mana arah osilasi vektor E dan B berubah secara acak sehingga semua arah osilasi pada bidang yang tegak lurus terhadap berkas perambatan gelombang memiliki peluang yang sama ( gbr.2).

Gbr.2 cahaya tak terpolarisasi

gelombang terpolarisasi- di mana arah vektor E dan B tetap tidak berubah dalam ruang atau berubah menurut hukum tertentu. Radiasi, di mana arah vektor E berubah secara acak - tidak terpolarisasi. Contoh radiasi tersebut dapat berupa radiasi termal (atom dan elektron yang didistribusikan secara acak). Bidang polarisasi- ini adalah bidang yang tegak lurus terhadap arah osilasi vektor E. Mekanisme utama terjadinya radiasi terpolarisasi adalah hamburan radiasi oleh elektron, atom, molekul, dan partikel debu.

1.2. Jenis polarisasi Ada tiga jenis polarisasi. Mari kita definisikan mereka. 1. Linier Terjadi jika vektor listrik E mempertahankan posisinya dalam ruang. Ini semacam menyoroti bidang di mana vektor E berosilasi. 2. Surat Edaran Ini adalah polarisasi yang terjadi ketika vektor listrik E berputar di sekitar arah rambat gelombang dengan kecepatan sudut yang sama dengan frekuensi sudut gelombang, sambil mempertahankan nilai absolutnya. Polarisasi ini mencirikan arah rotasi vektor E pada bidang yang tegak lurus terhadap garis pandang. Contohnya adalah radiasi siklotron (sistem elektron yang berputar dalam medan magnet). 3. Elips Terjadi bila besaran vektor listrik E berubah sehingga menggambarkan suatu elips (perputaran vektor E). Polarisasi elips dan lingkaran adalah kanan (perputaran vektor E terjadi searah jarum jam, jika Anda melihat ke arah gelombang yang merambat) dan kiri (rotasi vektor E terjadi berlawanan arah jarum jam, jika Anda melihat ke arah gelombang yang merambat).

Bahkan, yang paling umum polarisasi parsial (gelombang elektromagnetik terpolarisasi sebagian). Secara kuantitatif dicirikan oleh besaran tertentu yang disebut derajat polarisasi R, yang didefinisikan sebagai: P = (Imaks - Imin) / (Imaks + Imin) di mana Imax,segera- kerapatan fluks energi elektromagnetik tertinggi dan terendah melalui penganalisis (Polaroid, Nicol prisma…). Dalam praktiknya, polarisasi radiasi sering digambarkan dengan parameter Stokes (fluks radiasi dengan arah polarisasi tertentu ditentukan).

Tiket 79.

Jika cahaya alami jatuh pada antarmuka antara dua dielektrik (misalnya, udara dan kaca), maka sebagian dipantulkan, dan sebagian dibiaskan dan merambat di medium kedua. Dengan menempatkan penganalisis (misalnya, turmalin) di jalur sinar yang dipantulkan dan dibiaskan, kami memastikan bahwa sinar yang dipantulkan dan dibiaskan terpolarisasi sebagian: ketika penganalisis diputar di sekitar sinar, intensitas cahaya meningkat dan menurun secara berkala ( kepunahan total tidak diamati!). Studi lebih lanjut menunjukkan bahwa pada sinar yang dipantulkan, getaran yang tegak lurus terhadap bidang datang (pada Gambar 275 ditunjukkan oleh titik-titik), pada sinar yang dibiaskan - osilasi sejajar dengan bidang datang (ditunjukkan oleh panah).

Derajat polarisasi (tingkat pemisahan gelombang cahaya dengan orientasi tertentu dari vektor listrik (dan magnet)) tergantung pada sudut datang sinar dan indeks bias. Fisikawan Skotlandia D. Pembuat bir(1781-1868) didirikan hukum, yang menyatakan bahwa pada sudut datang saya B (Sudut Brewster), ditentukan oleh relasi

(n 21 - indeks bias media kedua relatif terhadap yang pertama), sinar pantul terpolarisasi bidang(hanya berisi osilasi tegak lurus terhadap bidang datang) (Gbr. 276). Sinar bias pada sudut datangsaya B terpolarisasi secara maksimal, tetapi tidak sepenuhnya.

Jika cahaya datang pada antarmuka pada sudut Brewster, maka sinar pantul dan sinar bias saling tegak lurus(tg saya B=sin saya B/cos saya b, n 21 = dosa saya B / dosa saya 2 (saya 2 - sudut bias), dari mana cos saya B=sin saya 2). Karena itu, saya B + saya 2 =  /2, tapi saya’ B = saya B (hukum pemantulan), jadi saya’ B+ saya 2 =  /2.

Derajat polarisasi cahaya yang dipantulkan dan dibiaskan pada sudut datang yang berbeda dapat dihitung dari persamaan Maxwell, jika kita memperhitungkan kondisi batas untuk medan elektromagnetik pada antarmuka antara dua dielektrik isotropik (yang disebut formula Fresnel).

Tingkat polarisasi cahaya yang dibiaskan dapat ditingkatkan secara signifikan (dengan pembiasan berulang, asalkan cahaya jatuh setiap kali pada antarmuka pada sudut Brewster). Jika, misalnya, untuk kaca ( n= 1.53), tingkat polarisasi sinar yang dibiaskan adalah 15%, kemudian setelah pembiasan oleh 8-10 pelat kaca yang ditumpangkan satu sama lain, cahaya yang muncul dari sistem seperti itu akan hampir sepenuhnya terpolarisasi. Himpunan pelat ini disebut kaki. Kaki dapat digunakan untuk menganalisis cahaya terpolarisasi baik dalam pantulannya maupun dalam pembiasannya.

Tiket 79 (untuk memacu)

Seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman, selama pembiasan dan pemantulan cahaya, cahaya yang dibiaskan dan dipantulkan ternyata terpolarisasi, dan pemantulan. cahaya dapat sepenuhnya terpolarisasi pada sudut datang tertentu, tetapi cahaya selalu terpolarisasi sebagian Berdasarkan rumus Frinel, dapat ditunjukkan bahwa pemantulan. cahaya terpolarisasi dalam bidang tegak lurus terhadap bidang datang, dan pembiasan. cahaya terpolarisasi pada bidang yang sejajar dengan bidang datang.

Sudut datang di mana refleksi cahaya terpolarisasi penuh disebut sudut Brewster.Sudut Brewster ditentukan dari hukum Brewster: -Hukum Brewster.Dalam hal ini, sudut antara refleksi. dan istirahat. sinar akan sama. Untuk sistem kaca udara, sudut Brewster sama. Untuk mendapatkan polarisasi yang baik, mis. , ketika cahaya dibiaskan, banyak permukaan patah yang digunakan, yang disebut Kaki Stoletov.

Tiket 80.

Pengalaman menunjukkan bahwa selama interaksi cahaya dengan materi, tindakan utama (fisiologis, fotokimia, fotolistrik, dll.) disebabkan oleh osilasi vektor, yang dalam hubungan ini kadang-kadang disebut vektor cahaya. Oleh karena itu, untuk menggambarkan pola polarisasi cahaya, perilaku vektor dipantau.

Bidang yang dibentuk oleh vektor dan disebut bidang polarisasi.

Jika vektor osilasi terjadi pada satu bidang tetap, maka cahaya (sinar) seperti itu disebut terpolarisasi linier. Ini secara sewenang-wenang ditunjuk sebagai berikut. Jika balok terpolarisasi pada bidang yang tegak lurus (pada bidang xz, lihat gambar. 2 di kuliah kedua), maka dilambangkan.

Cahaya alami (dari sumber biasa, matahari) terdiri dari gelombang yang memiliki bidang polarisasi yang berbeda dan terdistribusi secara acak (lihat Gambar 3).

Cahaya alami kadang-kadang secara konvensional disebut sebagai ini. Ini juga disebut non-terpolarisasi.

Jika selama perambatan gelombang vektor berputar dan pada saat yang sama ujung vektor menggambarkan lingkaran, maka cahaya seperti itu disebut terpolarisasi sirkular, dan polarisasinya melingkar atau melingkar (kanan atau kiri). Ada juga polarisasi elips.

Ada perangkat optik (film, pelat, dll.) - polarizer, yang memancarkan cahaya terpolarisasi linier atau cahaya terpolarisasi sebagian dari cahaya alami.

Polarizer yang digunakan untuk menganalisis polarisasi cahaya disebut analisa.

Bidang polarizer (atau analyzer) adalah bidang polarisasi cahaya yang ditransmisikan oleh polarizer (atau analyzer).

Biarkan polarizer (atau penganalisa) datang dengan cahaya terpolarisasi linier dengan amplitudo E 0 . Amplitudo cahaya yang ditransmisikan adalah E=E 0 karena j, dan intensitas saya = saya 0 karena 2 j.

Rumus ini menyatakan hukum Malus:

Intensitas cahaya terpolarisasi linier yang melewati penganalisis sebanding dengan kuadrat kosinus sudut j antara bidang osilasi cahaya datang dan bidang penganalisis.

Tiket 80 (untuk taji)

Polarizer adalah perangkat yang memungkinkan untuk mendapatkan cahaya terpolarisasi. Analyzer adalah perangkat yang dengannya Anda dapat menganalisis apakah cahaya terpolarisasi atau tidak. Secara struktural, polarizer dan analyzer adalah sama. maka semua arah vektor E memiliki kemungkinan yang sama. Masing-masing vektor dapat didekomposisi menjadi dua komponen yang saling tegak lurus: salah satunya sejajar dengan bidang polarisasi polarizer, dan yang lainnya tegak lurus terhadapnya.

Jelas, intensitas cahaya yang meninggalkan polarizer akan sama. Mari kita tunjukkan intensitas cahaya yang meninggalkan polarizer dengan (). Jika penganalisis ditempatkan pada jalur polarizer, bidang utama yang membuat sudut dengan bidang utama polarisator, maka intensitas cahaya yang meninggalkan alat analisa ditentukan oleh hukum.

Tiket 81.

Mempelajari pendaran larutan garam uranium di bawah aksi -sinar radium, fisikawan Soviet P. A. Cherenkov menarik perhatian pada fakta bahwa air itu sendiri bersinar, di mana tidak ada garam uranium. Ternyata ketika sinar (lihat radiasi Gamma) dilewatkan melalui cairan murni, mereka semua mulai bersinar. S. I. Vavilov, di bawah arahan siapa P. A. Cherenkov bekerja, berhipotesis bahwa cahaya itu terkait dengan pergerakan elektron yang tersingkir oleh radium kuanta dari atom. Memang, pancaran sangat bergantung pada arah medan magnet dalam cairan (ini menunjukkan bahwa penyebabnya adalah pergerakan elektron).

Tetapi mengapa elektron yang bergerak dalam cairan memancarkan cahaya? Jawaban yang benar untuk pertanyaan ini diberikan pada tahun 1937 oleh fisikawan Soviet I. E. Tamm dan I. M. Frank.

Sebuah elektron, bergerak dalam suatu zat, berinteraksi dengan atom sekitarnya. Di bawah aksi medan listriknya, elektron atom dan inti dipindahkan ke arah yang berlawanan - mediumnya terpolarisasi. Polarisasi dan kemudian kembali ke keadaan awal, atom-atom medium yang terletak di sepanjang lintasan elektron memancarkan gelombang cahaya elektromagnetik. Jika kecepatan elektron v lebih kecil dari kecepatan rambat cahaya dalam medium (- indeks bias), maka medan elektromagnetik akan menyusul elektron, dan zat akan memiliki waktu untuk terpolarisasi dalam ruang di depan elektron. Polarisasi medium di depan elektron dan di belakangnya berlawanan arah, dan radiasi atom yang terpolarisasi berlawanan, "menambah", "memadamkan" satu sama lain. Ketika atom, yang elektron belum mencapai, tidak punya waktu untuk mempolarisasi, dan radiasi muncul, diarahkan sepanjang lapisan kerucut sempit dengan titik yang bertepatan dengan elektron yang bergerak, dan sudut pada titik c. Munculnya "kerucut" cahaya dan kondisi radiasi dapat diperoleh dari prinsip umum perambatan gelombang.

Beras. 1. Mekanisme pembentukan muka gelombang

Biarkan elektron bergerak sepanjang sumbu OE (lihat Gambar 1) dari saluran kosong yang sangat sempit dalam zat transparan homogen dengan indeks bias (saluran kosong diperlukan agar tidak memperhitungkan tumbukan elektron dengan atom dalam a pertimbangan teoritis). Setiap titik pada garis OE yang berturut-turut ditempati oleh elektron akan menjadi pusat emisi cahaya. Gelombang yang memancar dari titik berurutan O, D, E saling berinterferensi dan diperkuat jika beda fase di antara keduanya adalah nol (lihat Interferensi). Kondisi ini dipenuhi untuk arah yang membentuk sudut 0 dengan lintasan elektron. Sudut 0 ditentukan oleh rasio :.

Memang, pertimbangkan dua gelombang yang dipancarkan dalam arah dengan sudut 0 terhadap kecepatan elektron dari dua titik lintasan - titik O dan titik D, dipisahkan oleh jarak . Di titik B, terletak pada garis lurus BE, tegak lurus OB, gelombang pertama pada - dalam waktu Ke titik F, terletak pada garis lurus BE, gelombang yang dipancarkan dari titik akan tiba pada saat waktu setelah pancaran gelombang. gelombang dari titik O. Kedua gelombang ini akan sefasa, yaitu, garis lurus akan menjadi gelombang depan jika waktu ini sama:. Itu sebagai syarat kesetaraan waktu memberi. Ke segala arah, yang mana, cahaya akan padam karena interferensi gelombang yang dipancarkan dari bagian lintasan yang dipisahkan oleh jarak D. Nilai D ditentukan oleh persamaan yang jelas, di mana T adalah periode osilasi cahaya. Persamaan ini selalu memiliki solusi jika.

Jika , maka arah gelombang radiasi, interferensi, penguatan tidak ada, tidak boleh lebih besar dari 1.

Beras. 2. Distribusi gelombang suara dan pembentukan gelombang kejut selama gerakan tubuh

Radiasi diamati hanya jika .

Secara eksperimental, elektron terbang dalam sudut padat yang terbatas, dengan penyebaran tertentu dalam kecepatan, dan sebagai hasilnya, radiasi merambat dalam lapisan kerucut di dekat arah utama, ditentukan oleh sudut .

Dalam pertimbangan kita, kita telah mengabaikan perlambatan elektron. Ini cukup dapat diterima, karena kerugian akibat radiasi Vavilov-Cherenkov kecil dan, dalam pendekatan pertama, kita dapat mengasumsikan bahwa energi yang hilang oleh elektron tidak mempengaruhi kecepatannya dan ia bergerak secara seragam. Inilah perbedaan mendasar dan keanehan radiasi Vavilov-Cherenkov. Biasanya muatan memancar, mengalami percepatan yang signifikan.

Sebuah elektron berlari lebih cepat dari cahayanya sendiri seperti pesawat terbang yang terbang dengan kecepatan lebih besar dari kecepatan suara. Dalam hal ini, gelombang kejut berbentuk kerucut juga merambat di depan pesawat (lihat Gambar 2).

Pembiasan disebut nomor abstrak tertentu yang mencirikan kekuatan bias dari setiap media transparan. Merupakan kebiasaan untuk menunjuknya n. Ada indeks bias absolut dan koefisien relatif.

Yang pertama dihitung menggunakan salah satu dari dua rumus:

n = sin / sin = const (di mana sin adalah sinus sudut datang, dan sin adalah sinus berkas cahaya yang memasuki medium yang ditinjau dari ruang hampa)

n = c / (di mana c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa, adalah kecepatan cahaya dalam medium yang diteliti).

Di sini, perhitungan menunjukkan berapa kali cahaya mengubah kecepatan rambatnya pada saat transisi dari ruang hampa ke media transparan. Dengan cara ini, indeks bias (mutlak) ditentukan. Untuk mengetahui kerabatnya, gunakan rumus:

Artinya, indeks bias mutlak zat dengan kepadatan berbeda, seperti udara dan kaca, dipertimbangkan.

Secara umum, koefisien absolut benda apa pun, baik gas, cair, atau padat, selalu lebih besar dari 1. Pada dasarnya, nilainya berkisar dari 1 hingga 2. Nilai ini bisa di atas 2 hanya dalam kasus luar biasa. Nilai parameter ini untuk beberapa lingkungan:

Nilai ini, bila diterapkan pada zat alami terkeras di planet ini, berlian, adalah 2,42. Sangat sering, ketika melakukan penelitian ilmiah, dll, diperlukan untuk mengetahui indeks bias air. Parameter ini adalah 1,334.

Karena panjang gelombang adalah indikator, tentu saja, tidak konstan, indeks diberikan pada huruf n. Nilainya membantu untuk memahami gelombang spektrum mana yang dirujuk oleh koefisien ini. Ketika mempertimbangkan zat yang sama, tetapi dengan meningkatnya panjang gelombang cahaya, indeks bias akan berkurang. Keadaan ini menyebabkan penguraian cahaya menjadi spektrum ketika melewati lensa, prisma, dll.

Dengan nilai indeks bias, Anda dapat menentukan, misalnya, seberapa banyak suatu zat terlarut dalam zat lain. Ini berguna, misalnya, dalam menyeduh atau ketika Anda perlu mengetahui konsentrasi gula, buah atau beri dalam jus. Indikator ini juga penting dalam menentukan kualitas produk minyak bumi, dan perhiasan, bila perlu untuk membuktikan keaslian batu, dll.

Tanpa menggunakan zat apa pun, skala yang terlihat di lensa mata instrumen akan benar-benar biru. Jika Anda menjatuhkan air suling biasa pada prisma, dengan kalibrasi instrumen yang benar, batas warna biru dan putih akan melewati tanda nol secara ketat. Ketika memeriksa zat lain, itu akan bergeser sepanjang skala sesuai dengan indeks bias yang dimilikinya.

Dispersi cahaya adalah ketergantungan indeks bias n zat pada panjang gelombang cahaya (dalam ruang hampa)

atau, yang sama, ketergantungan kecepatan fase gelombang cahaya pada frekuensi:

dispersi zat disebut turunan dari n pada

Dispersi - ketergantungan indeks bias suatu zat pada frekuensi gelombang - memanifestasikan dirinya terutama cerah dan indah bersama dengan efek birefringence (lihat Video 6.6 pada paragraf sebelumnya), diamati ketika cahaya melewati zat anisotropik. Faktanya adalah bahwa indeks bias gelombang biasa dan luar biasa bergantung secara berbeda pada frekuensi gelombang. Akibatnya, warna (frekuensi) cahaya yang ditransmisikan melalui zat anisotropik yang ditempatkan di antara dua polarizer bergantung pada ketebalan lapisan zat ini dan pada sudut antara bidang transmisi polarizer.

Untuk semua zat tidak berwarna transparan di bagian spektrum yang terlihat, dengan penurunan panjang gelombang, indeks bias meningkat, yaitu dispersi zat negatif :. (gbr. 6.7, area 1-2, 3-4)

Jika suatu zat menyerap cahaya pada rentang panjang gelombang (frekuensi) tertentu, maka pada daerah serapan dispersi

ternyata positif dan disebut ganjil (Gambar 6.7, area 2-3).

Beras. 6.7. Ketergantungan kuadrat indeks bias (kurva padat) dan koefisien penyerapan cahaya oleh suatu zat
(kurva putus-putus) pada panjang gelombangakudekat salah satu pita serapan()

Newton juga mempelajari dispersi normal. Penguraian cahaya putih menjadi spektrum ketika melewati prisma adalah konsekuensi dari dispersi cahaya. Ketika seberkas cahaya putih melewati prisma kaca, a spektrum warna-warni (Gbr. 6.8).

Beras. 6.8. Lintasan cahaya putih melalui prisma: karena perbedaan indeks bias kaca untuk yang berbeda
panjang gelombang, berkas didekomposisi menjadi komponen monokromatik - spektrum muncul di layar

Cahaya merah memiliki panjang gelombang terpanjang dan indeks bias terendah, sehingga sinar merah dibelokkan oleh prisma kurang dari yang lain. Di sebelahnya akan ada sinar oranye, lalu kuning, hijau, biru, biru, dan akhirnya ungu muda. Peristiwa cahaya putih kompleks pada prisma didekomposisi menjadi komponen monokromatik (spektrum).

Contoh utama dispersi adalah pelangi. Pelangi diamati jika matahari berada di belakang pengamat. Sinar merah dan ungu dibiaskan oleh tetesan air berbentuk bola dan dipantulkan dari permukaan dalamnya. Sinar merah dibiaskan lebih sedikit dan jatuh ke mata pengamat dari tetesan pada ketinggian yang lebih tinggi. Oleh karena itu, pita atas pelangi selalu berwarna merah (Gbr. 26.8).

Beras. 6.9. Munculnya pelangi

Dengan menggunakan hukum pemantulan dan pembiasan cahaya, dimungkinkan untuk menghitung lintasan sinar cahaya dengan pemantulan total dan dispersi dalam tetesan air hujan. Ternyata pancaran sinar dengan intensitas paling besar pada arah yang membentuk sudut sekitar 42° dengan arah datangnya sinar matahari (Gbr. 6.10).

Beras. 6.10. lokasi pelangi

Tempat kedudukan titik-titik tersebut adalah lingkaran yang berpusat di titik 0. Sebagian tersembunyi dari pengamat R di bawah cakrawala, busur di atas cakrawala adalah pelangi yang terlihat. Ada juga kemungkinan pantulan ganda sinar dalam tetesan air hujan, yang menghasilkan pelangi orde kedua, yang kecerahannya, secara alami, lebih rendah daripada kecerahan pelangi utama. Baginya, teori memberikan sudut 51 °, yaitu, pelangi orde kedua terletak di luar yang utama. Di dalamnya, urutan warna dibalik: busur luar berwarna ungu, dan busur bawah berwarna merah. Pelangi orde ketiga dan lebih tinggi jarang diamati.

Teori dasar dispersi. Ketergantungan indeks bias suatu zat pada panjang gelombang elektromagnetik (frekuensi) dijelaskan berdasarkan teori osilasi paksa. Sebenarnya, gerakan elektron dalam atom (molekul) mematuhi hukum mekanika kuantum. Namun, untuk pemahaman kualitatif fenomena optik, seseorang dapat membatasi diri pada konsep elektron terikat dalam atom (molekul) oleh gaya elastis. Ketika menyimpang dari posisi kesetimbangan, elektron tersebut mulai berosilasi, secara bertahap kehilangan energi untuk radiasi gelombang elektromagnetik atau mentransfer energinya ke simpul kisi dan memanaskan zat. Sebagai akibatnya, osilasi akan teredam.

Ketika melewati materi, gelombang elektromagnetik bekerja pada setiap elektron dengan gaya Lorentz:

di mana v- kecepatan elektron yang berosilasi. Pada gelombang elektromagnetik, perbandingan kuat medan magnet dan medan listrik adalah

Oleh karena itu, tidak sulit untuk memperkirakan rasio gaya listrik dan magnet yang bekerja pada elektron:

Elektron dalam materi bergerak dengan kecepatan yang jauh lebih rendah daripada kecepatan cahaya dalam ruang hampa:

di mana - amplitudo kuat medan listrik dalam gelombang cahaya, - fase gelombang, ditentukan oleh posisi elektron yang dipertimbangkan. Untuk menyederhanakan perhitungan, kita mengabaikan redaman dan menulis persamaan gerak elektron dalam bentuk

di mana, adalah frekuensi alami osilasi elektron dalam atom. Kami telah mempertimbangkan solusi dari persamaan diferensial tidak homogen sebelumnya dan diperoleh

Oleh karena itu, perpindahan elektron dari posisi kesetimbangan sebanding dengan kekuatan medan listrik. Perpindahan inti dari posisi kesetimbangan dapat diabaikan, karena massa inti sangat besar dibandingkan dengan massa elektron.

Sebuah atom dengan elektron yang dipindahkan memperoleh momen dipol

(untuk penyederhanaan, mari kita asumsikan untuk sementara waktu bahwa hanya ada satu elektron "optik" dalam atom, perpindahannya memberikan kontribusi yang menentukan pada polarisasi). Jika suatu satuan volume mengandung N atom, maka polarisasi medium (momen dipol per satuan volume) dapat ditulis sebagai:

Dalam media nyata, berbagai jenis osilasi muatan (kelompok elektron atau ion) dimungkinkan, berkontribusi pada polarisasi. Jenis getaran ini dapat memiliki jumlah muatan yang berbeda saya dan massa saya , serta berbagai frekuensi alami (kami akan menunjukkannya dengan indeks k), jumlah atom per satuan volume dengan jenis getaran tertentu Nk sebanding dengan konsentrasi atom N:

Faktor proporsionalitas tanpa dimensi fk mencirikan kontribusi efektif dari setiap jenis osilasi terhadap nilai total polarisasi medium:

Di sisi lain, seperti diketahui,

di mana adalah kerentanan dielektrik zat, yang terkait dengan konstanta dielektrik e perbandingan

Akibatnya, kami memperoleh ekspresi untuk kuadrat indeks bias suatu zat:

Dekat setiap frekuensi alami, fungsi yang didefinisikan oleh rumus (6.24) mengalami diskontinuitas. Perilaku indeks bias ini disebabkan oleh fakta bahwa kita mengabaikan redaman. Demikian pula, seperti yang kita lihat sebelumnya, mengabaikan redaman menyebabkan peningkatan tak terbatas dalam amplitudo osilasi paksa pada resonansi. Penyisihan redaman menyelamatkan kita dari tak terhingga, dan fungsi memiliki bentuk yang ditunjukkan pada Gambar. 6.11.

Beras. 6.11. Ketergantungan konstanta dielektrik mediumpada frekuensi gelombang elektromagnetik

Mempertimbangkan hubungan frekuensi dengan panjang gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa

Anda bisa mendapatkan ketergantungan indeks bias zat P pada panjang gelombang di wilayah dispersi normal (bagian 1–2 dan 3–4 dalam gambar. 6.7):

Panjang gelombang yang sesuai dengan frekuensi osilasi alami adalah koefisien konstan.

Di wilayah dispersi anomali (), frekuensi medan elektromagnetik eksternal mendekati salah satu frekuensi alami osilasi dipol molekul, yaitu, resonansi terjadi. Di daerah-daerah inilah (misalnya, bagian 2-3 pada Gambar 6.7) penyerapan gelombang elektromagnetik yang signifikan diamati; koefisien penyerapan cahaya oleh zat ditunjukkan oleh garis putus-putus pada Gambar. 6.7.

Konsep kecepatan grup. Konsep kecepatan grup berkaitan erat dengan fenomena dispersi. Ketika merambat dalam medium dengan dispersi pulsa elektromagnetik nyata, misalnya, rangkaian gelombang yang kita kenal dipancarkan oleh masing-masing pemancar atom, "penyebaran" mereka terjadi - perluasan ruang dan durasi dalam waktu. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa pulsa tersebut bukanlah gelombang sinusoidal monokromatik, tetapi apa yang disebut paket gelombang, atau sekelompok gelombang - seperangkat komponen harmonik dengan frekuensi dan amplitudo yang berbeda, yang masing-masing merambat dalam medium dengan kecepatan fasenya sendiri (6.13).

Jika paket gelombang merambat dalam ruang hampa, maka bentuk dan perluasan ruang-waktunya akan tetap tidak berubah, dan kecepatan rambat rangkaian gelombang tersebut akan menjadi kecepatan fase cahaya dalam ruang hampa.

Karena adanya dispersi, ketergantungan frekuensi gelombang elektromagnetik pada bilangan gelombang k menjadi non-linier, dan kecepatan rambat dari kereta gelombang dalam medium, yaitu laju transfer energi, ditentukan oleh turunan

di mana adalah nomor gelombang untuk gelombang "pusat" di kereta (yang memiliki amplitudo tertinggi).

Kami tidak akan menurunkan rumus ini dalam bentuk umum, tetapi kami akan menjelaskan makna fisiknya menggunakan contoh khusus. Sebagai model paket gelombang, kita akan mengambil sinyal yang terdiri dari dua gelombang bidang yang merambat dalam arah yang sama dengan amplitudo dan fase awal yang sama, tetapi berbeda dalam frekuensi yang digeser relatif terhadap frekuensi "pusat" dengan jumlah yang kecil. Nomor gelombang yang sesuai digeser relatif terhadap nomor gelombang "pusat" dengan jumlah kecil . Gelombang ini dijelaskan oleh ekspresi.

Proses yang berhubungan dengan cahaya merupakan komponen penting dari fisika dan mengelilingi kita di mana-mana dalam kehidupan kita sehari-hari. Yang paling penting dalam situasi ini adalah hukum pemantulan dan pembiasan cahaya, yang menjadi dasar optik modern. Pembiasan cahaya adalah bagian penting dari ilmu pengetahuan modern.

Efek distorsi

Artikel ini akan memberi tahu Anda apa fenomena pembiasan cahaya, serta seperti apa hukum pembiasan dan apa yang mengikutinya.

Dasar-dasar fenomena fisik

Ketika seberkas sinar jatuh pada permukaan yang dipisahkan oleh dua zat transparan yang memiliki kerapatan optik yang berbeda (misalnya, gelas yang berbeda atau di dalam air), sebagian sinar akan dipantulkan, dan sebagian lagi akan menembus struktur kedua (misalnya, itu akan merambat dalam air atau gelas). Ketika melewati dari satu medium ke medium lain, sinar ditandai dengan perubahan arahnya. Ini adalah fenomena pembiasan cahaya.
Pemantulan dan pembiasan cahaya dapat dilihat dengan baik terutama di dalam air.

efek distorsi air

Melihat hal-hal di dalam air, mereka tampak terdistorsi. Ini terutama terlihat di perbatasan antara udara dan air. Secara visual tampaknya objek bawah air sedikit dibelokkan. Fenomena fisik yang dijelaskan justru menjadi alasan mengapa semua benda tampak terdistorsi dalam air. Saat sinar menerpa kaca, efek ini kurang terlihat.
Pembiasan cahaya adalah fenomena fisik, yang ditandai dengan perubahan arah sinar matahari pada saat bergerak dari satu medium (struktur) ke medium (struktur) lainnya.
Untuk meningkatkan pemahaman tentang proses ini, perhatikan contoh balok yang jatuh dari udara ke dalam air (seperti halnya kaca). Dengan menggambar garis tegak lurus sepanjang antarmuka, sudut bias dan kembalinya berkas cahaya dapat diukur. Indikator ini (sudut bias) akan berubah ketika aliran menembus ke dalam air (di dalam kaca).
Catatan! Parameter ini dipahami sebagai sudut yang membentuk garis tegak lurus yang ditarik pada pemisahan dua zat ketika sinar menembus dari struktur pertama ke struktur kedua.

Lintasan balok

Indikator yang sama adalah tipikal untuk lingkungan lain. Ditetapkan bahwa indikator ini tergantung pada kepadatan zat. Jika balok datang dari struktur yang kurang rapat ke struktur yang lebih rapat, maka sudut distorsi yang dihasilkan akan lebih besar. Dan jika sebaliknya, maka kurang.
Pada saat yang sama, perubahan kemiringan jatuh juga akan mempengaruhi indikator ini. Tetapi hubungan di antara mereka tidak tetap konstan. Pada saat yang sama, rasio sinus mereka akan tetap konstan, yang ditunjukkan oleh rumus berikut: sinα / sinγ = n, di mana:

• n adalah nilai konstanta yang dijelaskan untuk setiap zat tertentu (udara, kaca, air, dll.). Oleh karena itu, berapa nilai ini dapat ditentukan dari tabel khusus;
• adalah sudut datang;
• adalah sudut bias.

Untuk menentukan fenomena fisik ini, hukum pembiasan dibuat.

hukum fisika

Hukum pembiasan fluks cahaya memungkinkan Anda untuk menentukan karakteristik zat transparan. Hukum itu sendiri terdiri dari dua ketentuan:

• Bagian pertama. Balok (insiden, berubah) dan tegak lurus, yang dipulihkan pada titik datang di perbatasan, misalnya, udara dan air (kaca, dll.), akan ditempatkan di bidang yang sama;
• bagian kedua. Indikator rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut yang sama yang terbentuk ketika melintasi batas akan menjadi nilai konstan.

Deskripsi hukum

Dalam hal ini, pada saat balok keluar dari struktur kedua ke struktur pertama (misalnya, ketika fluks cahaya lewat dari udara, melalui kaca dan kembali ke udara), efek distorsi juga akan terjadi.

Parameter penting untuk objek yang berbeda

Indikator utama dalam situasi ini adalah rasio sinus sudut datang ke parameter serupa, tetapi untuk distorsi. Sebagai berikut dari hukum yang dijelaskan di atas, indikator ini adalah nilai konstan.
Pada saat yang sama, ketika nilai kemiringan penurunan berubah, situasi yang sama akan menjadi tipikal untuk indikator serupa. Parameter ini sangat penting, karena merupakan karakteristik integral dari zat transparan.

Indikator untuk objek yang berbeda

Berkat parameter ini, Anda dapat secara efektif membedakan antara jenis kaca, serta berbagai batu mulia. Hal ini juga penting untuk menentukan kecepatan cahaya di berbagai media.

Catatan! Kecepatan fluks cahaya tertinggi berada di ruang hampa.

Ketika berpindah dari satu zat ke zat lain, kecepatannya akan berkurang. Misalnya, intan, yang memiliki indeks bias tertinggi, akan memiliki kecepatan rambat foton 2,42 kali lebih cepat daripada udara. Di dalam air, mereka akan menyebar 1,33 kali lebih lambat. Untuk berbagai jenis kaca, parameter ini berkisar antara 1,4 hingga 2,2.

Catatan! Beberapa kacamata memiliki indeks bias 2,2, yang sangat dekat dengan berlian (2,4). Oleh karena itu, tidak selalu mungkin untuk membedakan pecahan kaca dari berlian asli.

Kepadatan optik zat

Cahaya dapat menembus zat yang berbeda, yang dicirikan oleh kepadatan optik yang berbeda. Seperti yang kami katakan sebelumnya, dengan menggunakan hukum ini, Anda dapat menentukan karakteristik kepadatan medium (struktur). Semakin padat, semakin lambat kecepatan cahaya merambat di dalamnya. Misalnya, kaca atau air akan lebih rapat secara optik daripada udara.
Selain fakta bahwa parameter ini adalah nilai konstan, itu juga mencerminkan rasio kecepatan cahaya dalam dua zat. Arti fisik dapat ditampilkan sebagai rumus berikut:

Indikator ini menceritakan bagaimana kecepatan rambat foton berubah ketika berpindah dari satu zat ke zat lain.

Indikator penting lainnya

Saat memindahkan fluks cahaya melalui objek transparan, polarisasinya dimungkinkan. Ini diamati selama perjalanan fluks cahaya dari media isotropik dielektrik. Polarisasi terjadi ketika foton melewati kaca.

efek polarisasi

Polarisasi parsial diamati ketika sudut datang fluks cahaya pada batas dua dielektrik berbeda dari nol. Derajat polarisasi tergantung pada sudut datang (hukum Brewster).

Refleksi internal penuh

Menyimpulkan penyimpangan singkat kami, masih perlu untuk mempertimbangkan efek seperti itu sebagai refleksi internal yang lengkap.

Fenomena Tampilan Penuh

Agar efek ini muncul, perlu untuk meningkatkan sudut datang fluks cahaya pada saat transisinya dari media yang lebih padat ke media yang kurang padat pada antarmuka antara zat. Pada keadaan dimana parameter ini melebihi suatu nilai batas tertentu, maka foton yang datang pada batas bagian ini akan dipantulkan seluruhnya. Sebenarnya, ini akan menjadi fenomena yang kita inginkan. Tanpa itu, mustahil membuat serat optik.

Kesimpulan

Aplikasi praktis dari fitur-fitur perilaku fluks cahaya memberi banyak, menciptakan berbagai perangkat teknis untuk meningkatkan kehidupan kita. Pada saat yang sama, cahaya belum membuka semua kemungkinannya bagi umat manusia, dan potensi praktisnya belum sepenuhnya terwujud.

Cara membuat lampu kertas dengan tangan Anda sendiri
Cara memeriksa kinerja strip LED