Indeks bias air. Hukum pembiasan cahaya

Pekerjaan laboratorium

Refraksi cahaya. Pengukuran indeks bias zat cair

dengan refraktometer

Objektif: pendalaman gagasan tentang fenomena pembiasan cahaya; studi tentang metode untuk mengukur indeks bias media cair; mempelajari prinsip operasi dengan refraktometer.

Peralatan: refraktometer, larutan garam, pipet, kain lembut untuk menyeka bagian optik perangkat.

Teori

Hukum pemantulan dan pembiasan cahaya. Indeks bias.

Pada antarmuka antara media, cahaya mengubah arah rambatnya. Sebagian energi cahaya kembali ke medium pertama, yaitu cahaya dipantulkan. Jika media kedua transparan, maka sebagian cahaya, dalam kondisi tertentu, melewati antarmuka antara media, mengubah, sebagai aturan, arah rambat. Fenomena ini disebut pembiasan cahaya. (Gbr. 1).

Beras. 1. Pemantulan dan pembiasan cahaya pada bidang datar antara dua media.

Arah sinar yang dipantulkan dan dibiaskan selama perjalanan cahaya melalui antarmuka datar antara dua media transparan ditentukan oleh hukum pemantulan dan pembiasan cahaya.

Hukum pemantulan cahaya. Sinar pantul terletak pada bidang yang sama dengan sinar datang dan garis normal dikembalikan ke bidang antarmuka pada titik datang. Sudut datang sama dengan sudut pantul .

Hukum pembiasan cahaya. Sinar bias terletak pada bidang yang sama dengan sinar datang dan normal dikembalikan ke bidang antarmuka pada titik datang. Perbandingan sinus sudut datang α ke sinus sudut bias β ada nilai konstan untuk kedua media ini, yang disebut indeks bias relatif dari media kedua terhadap yang pertama:

Indeks bias relatif dua media sama dengan perbandingan kecepatan cahaya pada medium pertama v1 dengan kecepatan cahaya pada medium kedua v2:

Jika cahaya merambat dari ruang hampa ke medium, maka indeks bias medium relatif terhadap ruang hampa disebut indeks bias mutlak medium ini dan sama dengan rasio kecepatan cahaya dalam ruang hampa. dengan dengan kecepatan cahaya dalam media tertentu v:

Indeks bias mutlak selalu lebih besar dari satu; untuk udara n diambil sebagai satu kesatuan.

Indeks bias relatif dari dua media dapat dinyatakan dalam indeks absolutnya n 1 dan n 2 :

Menentukan indeks bias zat cair

Untuk penentuan indeks bias cairan yang cepat dan nyaman, ada instrumen optik khusus - refraktometer, yang bagian utamanya adalah dua prisma (Gbr. 2): bantu Dll. satu dan mengukur Contoh 2. Cairan uji dituangkan ke dalam celah di antara prisma.

Saat mengukur indikator, dua metode dapat digunakan: metode sinar penggembalaan (untuk cairan transparan) dan metode refleksi internal total (untuk larutan gelap, berawan, dan berwarna). Dalam karya ini, yang pertama digunakan.

Dalam metode sinar penggembalaan, cahaya dari sumber eksternal melewati wajah AB prisma Contoh 1, berdifusi pada permukaan matte-nya AC dan kemudian melalui lapisan cairan yang diselidiki menembus ke dalam prisma Contoh 2. Permukaan matte menjadi sumber sinar dari segala arah, sehingga dapat diamati melalui wajah EF prisma Contoh 2. Namun, garis AC dapat dilihat melalui EF hanya pada sudut yang lebih besar dari beberapa sudut minimum pembatas saya. Nilai sudut ini secara unik terkait dengan indeks bias cairan yang terletak di antara prisma, yang akan menjadi ide utama desain refraktometer.

Pertimbangkan perjalanan cahaya melalui wajah EF prisma pengukur yang lebih rendah Contoh 2. Seperti yang dapat dilihat dari gambar. 2, menerapkan dua kali hukum pembiasan cahaya, kita dapat memperoleh dua hubungan:

Memecahkan sistem persamaan ini, mudah untuk sampai pada kesimpulan bahwa indeks bias cairan

tergantung pada empat besaran: Q, r, r 1 dan saya. Namun, tidak semuanya mandiri. Sebagai contoh,

r+ s= R , (4)

di mana R - sudut bias prisma Contoh 2. Selain itu, dengan mengatur sudut Q nilai maksimumnya adalah 90°, dari persamaan (1) kita peroleh:

Tetapi nilai maksimum sudut r , seperti yang dapat dilihat dari gambar. 2 dan hubungan (3) dan (4), sesuai dengan nilai minimum sudut saya dan r 1 , itu. saya min dan r min .

Dengan demikian, indeks bias cairan untuk kasus sinar "meluncur" hanya terkait dengan sudut saya. Dalam hal ini, ada nilai minimum sudut saya, ketika tepi AC masih diamati, yaitu, di bidang pandang, tampak seperti cermin putih. Untuk sudut pandang yang lebih kecil, tepinya tidak terlihat, dan di bidang pandang tempat ini tampak hitam. Karena teleskop instrumen menangkap zona sudut yang relatif lebar, area terang dan hitam secara bersamaan diamati di bidang pandang, batas antara yang sesuai dengan sudut pengamatan minimum dan jelas terkait dengan indeks bias cairan. Menggunakan rumus perhitungan akhir:

(kesimpulannya dihilangkan) dan sejumlah cairan dengan indeks bias yang diketahui, dimungkinkan untuk mengkalibrasi perangkat, yaitu, membuat korespondensi satu-satu antara indeks bias cairan dan sudut saya min . Semua rumus di atas diturunkan untuk sinar dengan satu panjang gelombang.

Cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda akan dibiaskan, dengan memperhitungkan dispersi prisma. Jadi, ketika prisma diterangi dengan cahaya putih, antarmuka akan kabur dan diwarnai dengan warna berbeda karena dispersi. Oleh karena itu, setiap refraktometer memiliki kompensator yang memungkinkan Anda untuk menghilangkan hasil dispersi. Ini dapat terdiri dari satu atau dua prisma penglihatan langsung - prisma Amici. Setiap prisma Amici terdiri dari tiga prisma kaca dengan indeks bias yang berbeda dan dispersi yang berbeda, misalnya prisma luar terbuat dari kaca mahkota, dan prisma tengah terbuat dari kaca batu (kaca mahkota dan kaca batu adalah jenis kaca). Dengan memutar prisma kompensator dengan bantuan perangkat khusus, gambar antarmuka yang tajam dan tidak berwarna dicapai, posisinya sesuai dengan nilai indeks bias untuk garis natrium kuning. λ \u003d 5893 (prisma dirancang agar sinar dengan panjang gelombang 5893 tidak mengalami penyimpangan di dalamnya).

Sinar yang telah melewati kompensator masuk ke objektif teleskop, kemudian melewati prisma pembalik melalui lensa okuler teleskop ke mata pengamat. Jalur skematis sinar ditunjukkan pada gambar. 3.

Skala refraktometer dikalibrasi dalam hal indeks bias dan konsentrasi larutan sukrosa dalam air dan terletak di bidang fokus lensa mata.

bagian eksperimental

Tugas 1. Memeriksa refraktometer.

Arahkan cahaya dengan cermin ke prisma bantu refraktometer. Dengan prisma bantu terangkat, pipet beberapa tetes air suling ke prisma pengukur. Turunkan prisma sekunder, dapatkan pencahayaan terbaik dari bidang pandang dan atur lensa mata sehingga garis bidik dan skala indeks bias dapat terlihat dengan jelas. Memutar kamera prisma pengukur, dapatkan batas cahaya dan bayangan di bidang pandang. Dengan memutar kepala kompensator, capai penghapusan pewarnaan batas cahaya dan bayangan. Sejajarkan batas cahaya dan bayangan dengan titik bidik dan ukur indeks bias air n aliran . Jika refraktometer berfungsi, maka untuk air suling nilainya harus n 0 = 1.333, jika pembacaan berbeda dari nilai ini, Anda perlu menentukan koreksi n= n aliran - 1.333, yang kemudian harus diperhitungkan dalam pekerjaan lebih lanjut dengan refraktometer. Lakukan koreksi pada tabel 1.

Tabel 1.

	n 0	n aliran	Δ n
H 2 HAI

Tugas 2. Penentuan indeks bias cairan.

Tentukan indeks bias larutan dengan konsentrasi yang diketahui, dengan mempertimbangkan koreksi yang ditemukan.

Meja 2.

C, tentang. %	n aliran	n ist

Gambarkan ketergantungan indeks bias larutan natrium klorida pada konsentrasi sesuai dengan hasil yang diperoleh. Buatlah kesimpulan tentang ketergantungan n pada C; menarik kesimpulan tentang keakuratan pengukuran pada refraktometer.

Ambil larutan garam dengan konsentrasi yang tidak diketahui Dengan x , tentukan indeks biasnya dan tentukan konsentrasi larutan dari grafik tersebut.

Bersihkan tempat kerja, bersihkan prisma refraktometer dengan hati-hati dengan kain bersih yang lembab.

pertanyaan tes

Pemantulan dan pembiasan cahaya.

Indeks bias absolut dan relatif medium.

Prinsip pengoperasian refraktometer. Metode balok geser.

Skema perjalanan sinar dalam prisma. Mengapa prisma kompensator dibutuhkan?

Perambatan, pemantulan, dan pembiasan cahaya

Sifat cahaya adalah elektromagnetik. Salah satu buktinya adalah kebetulan kecepatan gelombang elektromagnetik dan cahaya dalam ruang hampa.

Dalam medium homogen, cahaya merambat dalam garis lurus. Pernyataan ini disebut hukum perambatan cahaya bujursangkar. Bukti eksperimental dari hukum ini adalah bayangan tajam yang diberikan oleh sumber cahaya titik.

Garis geometris yang menunjukkan arah rambat cahaya disebut berkas cahaya. Dalam medium isotropik, sinar cahaya diarahkan tegak lurus ke depan gelombang.

Tempat kedudukan titik-titik medium yang berosilasi dalam fase yang sama disebut permukaan gelombang, dan himpunan titik-titik di mana osilasi telah mencapai suatu titik waktu tertentu disebut muka gelombang. Tergantung pada jenis gelombang depan, bidang dan gelombang bola dibedakan.

Untuk menjelaskan proses perambatan cahaya, digunakan prinsip umum teori gelombang tentang pergerakan muka gelombang di ruang angkasa, yang dikemukakan oleh fisikawan Belanda H. Huygens. Menurut prinsip Huygens, setiap titik medium, yang mencapai eksitasi cahaya, adalah pusat gelombang sekunder berbentuk bola, yang juga merambat dengan kecepatan cahaya. Selubung permukaan bagian depan gelombang sekunder ini memberikan posisi bagian depan gelombang yang benar-benar merambat pada saat itu.

Hal ini diperlukan untuk membedakan antara berkas cahaya dan sinar cahaya. Berkas cahaya adalah bagian dari gelombang cahaya yang membawa energi cahaya dalam arah tertentu. Saat mengganti berkas cahaya dengan sinar yang menggambarkannya, yang terakhir harus diambil bertepatan dengan sumbu yang agak sempit, tetapi memiliki lebar yang terbatas (dimensi penampang jauh lebih besar daripada panjang gelombang), berkas cahaya.

Ada berkas cahaya divergen, konvergen, dan kuasi-paralel. Istilah berkas sinar cahaya atau hanya sinar cahaya sering digunakan, artinya dengan ini seperangkat sinar cahaya yang menggambarkan berkas cahaya nyata.

Kecepatan cahaya dalam ruang hampa c = 3 108 m/s adalah konstanta universal dan tidak bergantung pada frekuensi. Untuk pertama kalinya, kecepatan cahaya ditentukan secara eksperimental dengan metode astronomi oleh ilmuwan Denmark O. Römer. A. Michelson mengukur kecepatan cahaya dengan lebih tepat.

Kecepatan cahaya dalam materi lebih kecil daripada di ruang hampa. Perbandingan cepat rambat cahaya dalam ruang hampa dengan cepat rambatnya dalam medium tertentu disebut indeks bias mutlak medium:

di mana c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa, v adalah kecepatan cahaya dalam medium tertentu. Indeks bias mutlak semua zat lebih besar dari satu.

Ketika cahaya merambat dalam medium, itu diserap dan dihamburkan, dan pada antarmuka antara media itu dipantulkan dan dibiaskan.

Hukum pemantulan cahaya: sinar datang, sinar pantul, dan tegak lurus antarmuka antara dua media, dipulihkan pada titik datang sinar, terletak pada bidang yang sama; sudut pantul g sama dengan sudut datang a (Gbr. 1). Hukum ini bertepatan dengan hukum refleksi untuk gelombang alam apapun dan dapat diperoleh sebagai konsekuensi dari prinsip Huygens.

Hukum pembiasan cahaya: sinar datang, sinar bias dan tegak lurus terhadap antarmuka antara dua media, dipulihkan pada titik datang sinar, terletak pada bidang yang sama; rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias untuk frekuensi cahaya tertentu adalah nilai konstan, yang disebut indeks bias relatif media kedua relatif terhadap yang pertama:

Hukum pembiasan cahaya yang ditetapkan secara eksperimental dijelaskan berdasarkan prinsip Huygens. Menurut konsep gelombang, pembiasan adalah konsekuensi dari perubahan kecepatan rambat gelombang selama transisi dari satu medium ke medium lain, dan arti fisis indeks bias relatif adalah rasio kecepatan rambat gelombang dalam medium pertama v1 ke kecepatan rambatnya di medium kedua

Untuk media dengan indeks bias absolut n1 dan n2, indeks bias relatif media kedua relatif terhadap yang pertama sama dengan rasio indeks bias absolut media kedua dengan indeks bias absolut media pertama:

Medium yang memiliki indeks bias lebih tinggi disebut lebih rapat secara optik, kecepatan rambat cahaya di dalamnya lebih rendah. Jika cahaya merambat dari medium optis lebih rapat ke medium optis kurang rapat, maka pada sudut datang tertentu a0 sudut bias harus sama dengan p/2. Intensitas sinar yang dibiaskan dalam hal ini menjadi sama dengan nol. Insiden cahaya pada antarmuka antara dua media sepenuhnya dipantulkan darinya.

Sudut datang a0 di mana pemantulan internal total cahaya terjadi disebut sudut pembatas pemantulan internal total. Pada semua sudut datang sama dengan atau lebih besar dari a0, pemantulan total cahaya terjadi.

Nilai sudut pembatas ditemukan dari hubungan Jika n2 = 1 (vakum), maka

2 Indeks bias suatu zat adalah nilai yang sama dengan rasio kecepatan fase cahaya (gelombang elektromagnetik) dalam ruang hampa dan dalam media tertentu. Mereka juga berbicara tentang indeks bias untuk gelombang lain, misalnya, suara

Indeks bias tergantung pada sifat zat dan panjang gelombang radiasi, untuk beberapa zat indeks bias berubah cukup kuat ketika frekuensi gelombang elektromagnetik berubah dari frekuensi rendah ke optik dan seterusnya, dan juga dapat berubah lebih tajam di tempat tertentu. bidang skala frekuensi. Standarnya biasanya rentang optik, atau rentang yang ditentukan oleh konteksnya.

Ada zat optik anisotropik di mana indeks bias tergantung pada arah dan polarisasi cahaya. Zat semacam itu cukup umum, khususnya, ini semua adalah kristal dengan simetri kisi kristal yang cukup rendah, serta zat yang mengalami deformasi mekanis.

Indeks bias dapat dinyatakan sebagai akar produk dari magnet dan permitivitas medium

(harus diperhitungkan bahwa nilai permeabilitas magnetik dan indeks permitivitas absolut untuk rentang frekuensi yang diinginkan - misalnya, optik, dapat sangat berbeda dari nilai statis nilai-nilai ini).

Untuk mengukur indeks bias digunakan refraktometer manual dan otomatis. Saat menggunakan refraktometer untuk menentukan konsentrasi gula dalam larutan berair, perangkat ini disebut sakharimeter.

Rasio sinus sudut datang () sinar dengan sinus sudut bias () selama transisi sinar dari media A ke media B disebut indeks bias relatif untuk pasangan media ini.

Besaran n adalah indeks bias relatif medium B terhadap medium A, an" = 1/n adalah indeks bias relatif medium A terhadap medium B.

Nilai ini, ceteris paribus, biasanya kurang dari satu jika berkas melewati dari media yang lebih rapat ke media yang kurang rapat, dan lebih dari satu saat berkas melewati dari media yang kurang rapat ke media yang lebih rapat (misalnya, dari gas atau dari vakum ke 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 (jangan dikacaukan dengan kerapatan optik sebagai ukuran opasitas media).

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 dari insiden sinar pada media dari ruang hampa disebut indeks bias mutlak atau hanya indeks bias media ini, ini adalah indeks bias, definisi yang diberikan di awal artikel. Indeks bias gas apapun, termasuk udara, dalam kondisi normal jauh lebih kecil daripada indeks bias cairan atau padatan, oleh karena itu, kira-kira (dan dengan akurasi yang relatif baik) indeks bias absolut dapat dinilai dari indeks bias relatif terhadap udara.

Beras. 3. Prinsip pengoperasian refraktometer interferensi. Seberkas cahaya dibagi sehingga kedua bagiannya melewati kuvet dengan panjang l yang diisi dengan zat dengan indeks bias yang berbeda. Pada saat keluar dari sel, sinar-sinar memperoleh perbedaan lintasan tertentu dan, jika disatukan, memberikan pada layar gambaran interferensi maksima dan minima dengan ordo k (ditunjukkan secara skematis di sebelah kanan). Selisih indeks bias Dn=n2 –n1 =kl/2, di mana l adalah panjang gelombang cahaya.

Refraktometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur indeks bias suatu zat. Prinsip pengoperasian refraktometer didasarkan pada fenomena pemantulan total. Jika seberkas cahaya yang dihamburkan jatuh pada antarmuka antara dua media dengan indeks bias dan dari media yang lebih rapat secara optik, maka mulai dari sudut datang tertentu, sinar tidak memasuki media kedua, tetapi sepenuhnya dipantulkan dari antarmuka di media pertama. Sudut ini disebut sudut pembatas pemantulan total. Gambar 1 menunjukkan perilaku sinar ketika mereka jatuh ke arus tertentu dari permukaan ini. Balok berjalan pada sudut yang membatasi. Dari hukum pembiasan, Anda dapat menentukan:, (karena).

Sudut pembatas tergantung pada indeks bias relatif dari dua media. Jika sinar yang dipantulkan dari permukaan diarahkan ke lensa konvergen, maka pada bidang fokus lensa orang dapat melihat batas cahaya dan penumbra, dan posisi batas ini bergantung pada nilai sudut pembatas, dan akibatnya , pada indeks bias. Perubahan indeks bias salah satu media menyebabkan perubahan posisi antarmuka. Batas antara cahaya dan bayangan dapat dijadikan sebagai indikator dalam menentukan indeks bias, yang digunakan dalam refraktometer. Metode penentuan indeks bias ini disebut metode refleksi total.

Selain metode refleksi total, refraktometer menggunakan metode grazing beam. Dalam metode ini, berkas cahaya yang tersebar mengenai batas dari media yang kurang rapat optiknya di semua sudut yang mungkin (Gbr. 2). Balok meluncur di sepanjang permukaan (), sesuai dengan - membatasi sudut bias (balok pada Gambar. 2). Jika kita meletakkan lensa pada lintasan sinar () yang dibiaskan di permukaan, maka pada bidang fokus lensa kita juga akan melihat batas yang tajam antara cahaya dan bayangan.

Karena kondisi yang menentukan nilai sudut pembatas sama pada kedua metode, maka posisi antarmuka adalah sama. Kedua metode tersebut setara, tetapi metode refleksi total memungkinkan Anda untuk mengukur indeks bias zat buram

Lintasan sinar pada prisma segitiga

Gambar 9 menunjukkan bagian dari prisma kaca dengan bidang tegak lurus terhadap sisi sisinya. Berkas pada prisma menyimpang ke alas, dibiaskan pada permukaan OA dan 0B. Sudut j antara muka-muka ini disebut sudut bias prisma. Sudut defleksi q balok tergantung pada sudut bias prisma j, indeks bias n bahan prisma dan sudut datang a. Ini dapat dihitung menggunakan hukum pembiasan (1.4).

Refraktometer menggunakan sumber cahaya putih3. Karena dispersi ketika cahaya melewati prisma 1 dan 2, batas antara cahaya dan bayangan berubah menjadi berwarna. Untuk menghindari hal ini, sebuah kompensator 4 ditempatkan di depan lensa teleskop yang terdiri dari dua prisma identik, yang masing-masing direkatkan dari tiga prisma dengan indeks bias yang berbeda. Prisma dipilih sehingga sinar monokromatik dengan panjang gelombang = 589,3 mikron. (panjang gelombang garis natrium kuning) tidak diuji setelah melewati kompensator defleksi. Sinar dengan panjang gelombang lain dibelokkan oleh prisma ke arah yang berbeda. Dengan menggerakkan prisma kompensator dengan bantuan pegangan khusus, batas antara terang dan gelap menjadi sejelas mungkin.

Sinar cahaya, setelah melewati kompensator, jatuh ke lensa 6 teleskop. Gambar antarmuka bayangan cahaya dilihat melalui lensa okuler 7 dari teleskop. Pada saat yang sama skala 8 dilihat melalui lensa okuler Karena sudut pembatas bias dan sudut pembatas total bergantung pada indeks bias cairan, nilai indeks bias ini segera diplot pada skala refraktometer.

Sistem optik refraktometer juga berisi prisma putar 5. Ini memungkinkan Anda untuk memposisikan sumbu teleskop tegak lurus terhadap prisma 1 dan 2, yang membuat pengamatan lebih nyaman.

Indeks bias

Indeks bias zat - nilai yang sama dengan rasio kecepatan fase cahaya (gelombang elektromagnetik) dalam ruang hampa dan dalam media tertentu. Juga, indeks bias kadang-kadang dibicarakan untuk gelombang lain, misalnya, suara, meskipun dalam kasus seperti yang terakhir, definisi, tentu saja, harus dimodifikasi.

Tautan

RefractiveIndex.INFO basis data indeks bias

Yayasan Wikimedia. 2010 .

Lihat apa itu "Indeks refraksi" di kamus lain:

Dibandingkan dengan dua media n21, rasio tak berdimensi dari kecepatan rambat radiasi optik (c veta a) pada media pertama (c1) dan kedua (c2): n21=c1/c2. Pada saat yang sama mengacu. P. p. adalah rasio sinus g dan jatuhnya j dan di g l ... ... Ensiklopedia Fisik

Lihat Indeks Refraktif...

Lihat indeks bias. * * * INDEKS REFRAKTIF INDEKS REFRAKTIF, lihat Indeks Refraktif (lihat INDEKS REFRAKTIF) … kamus ensiklopedis- INDEKS REFRAKTIF, nilai yang mencirikan medium dan sama dengan rasio kecepatan cahaya dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya dalam medium (indeks bias mutlak). Indeks bias n tergantung pada dielektrik e dan permeabilitas magnetik m ... ... Kamus Ensiklopedis Bergambar

- (lihat INDIKATOR REFRAKTIF). Kamus Ensiklopedis Fisik. Moskow: Ensiklopedia Soviet. Pemimpin Redaksi A. M. Prokhorov. 1983... Ensiklopedia Fisik

Lihat indeks bias... Ensiklopedia Besar Soviet

Perbandingan cepat rambat cahaya dalam ruang hampa dengan cepat rambat cahaya dalam medium (indeks bias mutlak). Indeks bias relatif dari 2 media adalah rasio kecepatan cahaya dalam media dari mana cahaya jatuh pada antarmuka dengan kecepatan cahaya dalam sekon ... ... Kamus Ensiklopedis Besar

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 berkas cahaya melewati dari medium optik lebih rapat ke medium 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.

UNTUK KULIAH 24

"METODE ANALISIS INSTRUMENTAL"

REFRAKTOMETRI.

Literatur:

1. V.D. Ponomarev "Kimia Analitik" 1983 246-251

2. A A. Ishchenko "Kimia Analitik" 2004 hlm 181-184

REFRAKTOMETRI.

Refraktometri adalah salah satu metode analisis fisika yang paling sederhana, membutuhkan jumlah analit yang minimum, dan dilakukan dalam waktu yang sangat singkat.

Refraktometri- metode yang didasarkan pada fenomena pembiasan atau pembiasan yaitu perubahan arah rambat cahaya ketika melewati dari satu medium ke medium lainnya.

Pembiasan, serta penyerapan cahaya, adalah konsekuensi dari interaksinya dengan medium. Kata refraktometri berarti dimensi pembiasan cahaya, yang diperkirakan dengan nilai indeks bias.

Nilai indeks bias n bergantung

1) tentang komposisi zat dan sistem,

2) dari pada konsentrasi berapa dan molekul apa yang ditemui berkas cahaya dalam perjalanannya, karena Di bawah aksi cahaya, molekul zat yang berbeda terpolarisasi dengan cara yang berbeda. Pada ketergantungan inilah metode refraktometri didasarkan.

Metode ini memiliki sejumlah keunggulan, sebagai akibatnya telah ditemukan aplikasi yang luas baik dalam penelitian kimia maupun dalam pengendalian proses teknologi.

1) Pengukuran indeks bias adalah proses yang sangat sederhana yang dilakukan secara akurat dan dengan investasi waktu dan jumlah zat yang minimum.

2) Biasanya, refraktometer memberikan akurasi hingga 10% dalam menentukan indeks bias cahaya dan kandungan analit

Metode refraktometri digunakan untuk mengontrol keaslian dan kemurnian, untuk mengidentifikasi zat individu, untuk menentukan struktur senyawa organik dan anorganik dalam studi larutan. Refraktometri digunakan untuk menentukan komposisi larutan dua komponen dan untuk sistem terner.

Dasar fisik dari metode ini

INDIKATOR REFRAKTIF.

Penyimpangan berkas cahaya dari arah aslinya selama transisi dari satu medium ke medium lain lebih besar, semakin besar perbedaan kecepatan rambat cahaya di dua

lingkungan ini.

Pertimbangkan pembiasan berkas cahaya pada batas dua media transparan I dan II (Lihat Gambar.). Mari kita setuju bahwa medium II memiliki kekuatan bias yang lebih besar dan, oleh karena itu, n 1 dan n 2- menunjukkan pembiasan media yang sesuai. Jika medium I bukan ruang hampa atau udara, maka perbandingan sin sudut datang berkas cahaya dengan sin sudut bias akan memberikan nilai indeks bias relatif n rel. Nilai n rel. juga dapat didefinisikan sebagai rasio indeks bias media yang dipertimbangkan.

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

Nilai indeks bias tergantung pada

1) sifat zat

Sifat suatu zat dalam hal ini ditentukan oleh tingkat deformabilitas molekulnya di bawah aksi cahaya - tingkat polarisasi. Semakin kuat polarisasi, semakin kuat pembiasan cahaya.

2)panjang gelombang cahaya datang

Pengukuran indeks bias dilakukan pada panjang gelombang cahaya 589,3 nm (garis D spektrum natrium).

Ketergantungan indeks bias pada panjang gelombang cahaya disebut dispersi. Semakin pendek panjang gelombang, semakin besar pembiasan. Oleh karena itu, sinar dengan panjang gelombang yang berbeda dibiaskan secara berbeda.

3)suhu dimana pengukuran dilakukan. Prasyarat untuk menentukan indeks bias adalah kepatuhan dengan rezim suhu. Biasanya penentuan dilakukan pada 20±0,3 0 .

Ketika suhu naik, indeks bias menurun, dan ketika suhu menurun, itu meningkat..

Koreksi suhu dihitung menggunakan rumus berikut:

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

t - Selamat tinggal indeks bias pada suhu tertentu,

n 20 - indeks bias pada 20 0

Pengaruh suhu pada nilai indeks bias gas dan cairan terkait dengan nilai koefisien ekspansi volumetriknya. Volume semua gas dan cairan meningkat ketika dipanaskan, kepadatan berkurang dan, akibatnya, indikator berkurang

Indeks bias, diukur pada 20 0 C dan panjang gelombang cahaya 589,3 nm, ditunjukkan oleh indeks n D 20

Ketergantungan indeks bias sistem dua komponen homogen pada keadaannya ditetapkan secara eksperimental dengan menentukan indeks bias untuk sejumlah sistem standar (misalnya, larutan), kandungan komponen yang diketahui.

4) konsentrasi suatu zat dalam larutan.

Untuk banyak larutan berair zat, indeks bias pada konsentrasi dan suhu yang berbeda telah diukur dengan andal, dan dalam kasus ini data referensi dapat digunakan. tabel refraktometri. Praktek menunjukkan bahwa ketika kandungan zat terlarut tidak melebihi 10-20%, bersama dengan metode grafis, dalam banyak kasus dimungkinkan untuk menggunakan persamaan linear seperti:

n=n o +FC,

n- indeks bias larutan,

Tidak adalah indeks bias pelarut murni,

C- konsentrasi zat terlarut,%

F-koefisien empiris, yang nilainya ditemukan

dengan menentukan indeks bias larutan yang konsentrasinya diketahui.

REFRAKTOMETER.

Refraktometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur indeks bias. Ada 2 jenis instrumen ini: refraktometer tipe Abbe dan tipe Pulfrich. Baik pada itu maupun pada yang lain, pengukuran didasarkan pada penentuan besarnya sudut pembatas bias. Dalam praktiknya, refraktometer dari berbagai sistem digunakan: laboratorium-RL, RLU universal, dll.

Indeks bias air suling n 0 \u003d 1,33299, dalam praktiknya, indikator ini mengambil referensi sebagai n 0 =1,333.

Prinsip pengoperasian refraktometer didasarkan pada penentuan indeks bias dengan metode sudut pembatas (sudut pantul total cahaya).

Refraktometer tangan

Refraktometer Abbe

Optik adalah salah satu cabang fisika tertua. Sejak Yunani kuno, banyak filsuf telah tertarik pada hukum gerak dan perambatan cahaya dalam berbagai bahan transparan seperti air, kaca, berlian, dan udara. Pada artikel ini, fenomena pembiasan cahaya dipertimbangkan, perhatian difokuskan pada indeks bias udara.

Efek pembiasan berkas cahaya

Setiap orang dalam hidupnya telah mengalami ratusan kali efek ini ketika dia melihat ke dasar reservoir atau segelas air dengan beberapa benda diletakkan di dalamnya. Pada saat yang sama, reservoir tidak tampak sedalam yang sebenarnya, dan benda-benda di dalam segelas air tampak cacat atau pecah.

Fenomena refraksi terdiri dari pemutusan lintasan bujursangkarnya ketika melintasi antarmuka antara dua bahan transparan. Meringkas sejumlah besar data eksperimen, pada awal abad ke-17, orang Belanda Willebrord Snell memperoleh ekspresi matematika yang secara akurat menggambarkan fenomena ini. Ekspresi ini ditulis dalam bentuk berikut:

n 1 *sin(θ 1) = n 2 *sin(θ 2) = const.

Di sini n 1 , n 2 adalah indeks bias mutlak cahaya dalam bahan yang sesuai, 1 dan 2 adalah sudut antara datang dan sinar bias dan tegak lurus terhadap bidang antarmuka, yang ditarik melalui titik persimpangan balok dan pesawat ini.

Rumus ini disebut hukum Snell atau Snell-Descartes (orang Prancis yang menuliskannya dalam bentuk yang disajikan, orang Belanda tidak menggunakan sinus, tetapi satuan panjang).

Selain rumus ini, fenomena pembiasan dijelaskan oleh hukum lain, yang bersifat geometris. Itu terletak pada kenyataan bahwa yang ditandai tegak lurus terhadap bidang dan dua sinar (dibiaskan dan datang) terletak pada bidang yang sama.

Indeks bias mutlak

Nilai ini termasuk dalam rumus Snell, dan nilainya memainkan peran penting. Secara matematis, indeks bias n sesuai dengan rumus:

Simbol c adalah kecepatan gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa. Ini adalah sekitar 3*108 m/s. Nilai v adalah kecepatan cahaya dalam medium. Dengan demikian, indeks bias mencerminkan jumlah perlambatan cahaya dalam medium sehubungan dengan ruang tanpa udara.

Dua kesimpulan penting mengikuti dari rumus di atas:

nilai n selalu lebih besar dari 1 (untuk vakum sama dengan satu);
itu adalah besaran tak berdimensi.

Misalnya indeks bias udara adalah 1.00029, sedangkan untuk air adalah 1,33.

Indeks bias bukanlah nilai konstan untuk media tertentu. Itu tergantung pada suhu. Apalagi untuk setiap frekuensi gelombang elektromagnetik memiliki arti tersendiri. Jadi, gambar di atas sesuai dengan suhu 20 o C dan bagian kuning dari spektrum yang terlihat (panjang gelombang - sekitar 580-590 nm).

Ketergantungan nilai n pada frekuensi cahaya dimanifestasikan dalam penguraian cahaya putih oleh prisma menjadi beberapa warna, serta dalam pembentukan pelangi di langit saat hujan lebat.

Indeks bias cahaya di udara

Nilainya (1.00029) telah diberikan di atas. Karena indeks bias udara hanya berbeda di tempat desimal keempat dari nol, maka untuk memecahkan masalah praktis dapat dianggap sama dengan satu. Perbedaan kecil n untuk udara dari kesatuan menunjukkan bahwa cahaya praktis tidak diperlambat oleh molekul udara, yang dikaitkan dengan kerapatannya yang relatif rendah. Jadi, kerapatan udara rata-rata adalah 1,225 kg/m 3 , yaitu lebih dari 800 kali lebih ringan daripada air tawar.

Udara adalah media optik tipis. Proses yang sangat memperlambat kecepatan cahaya dalam suatu material bersifat kuantum dan terkait dengan tindakan penyerapan dan emisi foton oleh atom-atom materi.

Perubahan komposisi udara (misalnya, peningkatan kandungan uap air di dalamnya) dan perubahan suhu menyebabkan perubahan signifikan dalam indeks bias. Contoh mencolok adalah efek fatamorgana di gurun, yang terjadi karena perbedaan indeks bias lapisan udara dengan suhu yang berbeda.

antarmuka kaca-udara

Kaca adalah media yang jauh lebih padat daripada udara. Indeks bias absolutnya berkisar antara 1,5 hingga 1,66, tergantung pada jenis kacanya. Jika kita mengambil nilai rata-rata 1,55, maka pembiasan berkas pada antarmuka air-glass dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

sin (θ 1) / sin (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1,55.

Nilai n 21 disebut indeks bias relatif udara - kaca. Jika balok keluar dari kaca ke udara, maka rumus berikut harus digunakan:

sin (θ 1) / sin (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1 / 1,55 \u003d 0,645.

Jika sudut sinar bias dalam kasus terakhir sama dengan 90 o , maka yang sesuai disebut kritis. Untuk batas kaca-udara, sama dengan:

1 \u003d arcsin (0.645) \u003d 40.17 o.

Jika balok jatuh pada batas kaca-udara dengan sudut lebih besar dari 40,17 o , maka akan dipantulkan kembali sepenuhnya ke dalam kaca. Fenomena ini disebut "refleksi internal total".

Sudut kritis hanya ada ketika sinar bergerak dari medium padat (dari kaca ke udara, tetapi tidak sebaliknya).

Portal untuk siswa. Latihan mandiri