მოდით გავაკეთოთ ექსპერიმენტი. მოდით, ოპტიკური დისკის ცენტრში მოვათავსოთ შუშის ფირფიტა და მივმართოთ მას სინათლის სხივი. დავინახავთ, რომ ჰაერის საზღვარზე მინასთან სინათლე არამარტო აირეკლება, არამედ შეაღწევს შუშის შიგნითაც და შეცვლის მისი გავრცელების მიმართულებას (სურ. 84).

სინათლის გავრცელების მიმართულების ცვლილებას ორ მედიას შორის ინტერფეისის გავლისას ეწოდება სინათლის რეფრაქცია.

ნახაზი 84 გვიჩვენებს: AO - დაცემის სხივი; OB - არეკლილი სხივი; OE - რეფრაქციული სხივი.

გაითვალისწინეთ, რომ თუ ჩვენ მივმართავდით სხივს EO მიმართულებით, მაშინ სინათლის სხივების შექცევადობის გამო, ის გამოვა მინიდან OA მიმართულებით.

სინათლის გარდატეხა აიხსნება სინათლის გავრცელების სიჩქარის ცვლილებით ერთი გარემოდან მეორეზე გადასვლისას. პირველად ამ ფენომენის ასეთი ახსნა მე-17 საუკუნის შუა ხანებში გაკეთდა. მამა მენიანი. მეიგანის აზრით, როდესაც სინათლე ერთი გარემოდან მეორეზე გადადის, სინათლის სხივი იცვლის მიმართულებას ისევე, როგორც "ჯარისკაცის ფრონტის" მოძრაობის მიმართულება იცვლება, როდესაც მდელო, რომლითაც ჯარისკაცები დადიან, სახნავი მიწებით არის გადაკეტილი. , რომლის საზღვარი გადის წინა კუთხით. სახნავ-სათესი მიწაზე მისული თითოეული ჯარისკაცი ანელებს მოძრაობას, ხოლო ჯარისკაცები, რომლებსაც ჯერ არ მიუღწევიათ, იგივე სიჩქარით აგრძელებენ მოძრაობას. ამის შედეგად სახნავ-სათესი მიწაზე შემოსული ჯარისკაცები იწყებენ ჩამორჩენას მდელოზე მოსიარულეებს და ჯარების კოლონა ბრუნდება (სურ. 85).

იმის დასადგენად, თუ რომელი მიმართულებით გადაიხრება სინათლის სხივი, როდესაც ის გადის ორ მედიას შორის ინტერფეისში, აუცილებელია ვიცოდეთ, რომელ მედიაშია სინათლის სიჩქარე ნაკლები და რომელზე მეტი.

სინათლე არის ელექტრომაგნიტური ტალღები. მაშასადამე, ყველაფერი, რაც ითქვა ელექტრომაგნიტური ტალღების გავრცელების სიჩქარის შესახებ (იხ. § 28) თანაბრად ეხება სინათლის სიჩქარეს. მაგალითად, სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში მაქსიმალურია და უდრის:

c = 299792 კმ/წმ ≈ 300000 კმ/წმ.

სინათლის სიჩქარე მატერიაში v ყოველთვის ნაკლებია ვიდრე ვაკუუმში:

სინათლის სიჩქარის მნიშვნელობები სხვადასხვა მედიაში მოცემულია ცხრილში 6.

ორი მედიიდან მას, რომელშიც სინათლის სიჩქარე ნაკლებია, ეწოდება ოპტიკურად უფრო მკვრივიდა ის, რომელშიც სინათლის სიჩქარე მეტია - ოპტიკურად ნაკლებად მკვრივი. მაგალითად, წყალი ოპტიკურად უფრო მკვრივია ვიდრე ჰაერი, ხოლო მინა ოპტიკურად უფრო მკვრივია ვიდრე წყალი.

გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ ოპტიკურად უფრო მკვრივ გარემოში მოხვედრისას სინათლის სხივი გადახრის თავდაპირველი მიმართულებიდან ორ მედიას შორის ინტერფეისის პერპენდიკულარულისკენ (ნახ. 86, ა) და მოხვდება ოპტიკურად ნაკლებად მკვრივ გარემოში, სინათლის სხივი გადახრის უკანა მხარეს (სურ. 86, ბ).

გარდატეხილ სხივსა და ორ მედიას შორის ინტერფეისის პერპენდიკულარულ კუთხეს სხივის დაცემის წერტილში ე.წ. გარდატეხის კუთხე. სურათი 86

α - დაცემის კუთხე, β - გარდატეხის კუთხე.

სურათი 86 გვიჩვენებს, რომ გარდატეხის კუთხე შეიძლება იყოს ან მეტი ან ნაკლები, ვიდრე დაცემის კუთხე. შეიძლება ეს კუთხეები ემთხვეოდეს? მათ შეუძლიათ, მაგრამ მხოლოდ მაშინ, როდესაც სინათლის სხივი ეცემა ინტერფეისს მის მიმართ სწორი კუთხით; ამ შემთხვევაში α = β = 0.

სხვადასხვა მედიაში სხივების გარდატეხის უნარი განსხვავებულია. რაც უფრო მნიშვნელოვნად განსხვავდება სინათლის სიჩქარე ორ მედიაში, მით უფრო ძლიერია სხივები მათ შორის არსებულ საზღვარზე.

მრავალი ოპტიკური ინსტრუმენტის ერთ-ერთი მთავარი ნაწილია შუშის სამკუთხა პრიზმა (სურ. 87, ა). ნახაზი 87, b გვიჩვენებს სხივის გზას ასეთ პრიზმაში: ორმაგი გარდატეხის შედეგად, სამკუთხა პრიზმა გადახრის მასზე მოხვედრილ სხივს გვერდით მისი ფუძისაკენ.

სინათლის გარდატეხა არის მიზეზი იმისა, რომ წყალსაცავის (მდინარის, აუზის, წყლის აბანოს) სიღრმე იმაზე ნაკლები გვეჩვენება, ვიდრე სინამდვილეშია. მართლაც, წყალსაცავის ფსკერზე ნებისმიერი S წერტილის დასანახად აუცილებელია, რომ მისგან გამომავალი სინათლის სხივები დამკვირვებლის თვალში მოხვდეს (სურ. 88). მაგრამ წყლის და ჰაერის საზღვარზე რეფრაქციის შემდეგ, სინათლის სხივი თვალით აღიქმება, როგორც სინათლე, რომელიც მოდის წარმოსახვითი გამოსახულების S 1-დან, რომელიც მდებარეობს წყალსაცავის ბოლოში მდებარე შესაბამის S წერტილზე მაღლა. შეიძლება დადასტურდეს, რომ წყლის სხეულის აშკარა სიღრმე h არის მისი ნამდვილი სიღრმის H დაახლოებით ¾.

ეს ფენომენი პირველად ევკლიდესმა აღწერა. მისი ერთ-ერთი წიგნი მოგვითხრობს ბეჭდის გამოცდილებაზე. დამკვირვებელი ისე უყურებს თასს, რომლის ბოლოში რგოლი დევს, რომ ჭიქის კიდეები არ აძლევს მას დანახვის საშუალებას; შემდეგ, თვალების პოზიციის შეცვლის გარეშე, ისინი იწყებენ წყლის ჩასხმას ჭიქაში და გარკვეული პერიოდის შემდეგ ბეჭედი ხილული ხდება.

სინათლის გარდატეხა ასევე ხსნის ბევრ სხვა მოვლენას, მაგალითად, ჭიქა წყალში ჩაძირული კოვზის აშკარა გატეხვა; ჰორიზონტზე მაღლა ვარსკვლავებისა და მზის რეალურ პოზიციაზე და ა.შ.

1. რას ეწოდება სინათლის გარდატეხა? 2. რა კუთხეს უწოდებენ გარდატეხის კუთხეს? როგორ არის დანიშნული? 3. რა არის სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში? 4. რომელი გარემოა ოპტიკურად უფრო მკვრივი: ყინული თუ კვარცი? რატომ? 5. რა შემთხვევაშია სინათლის გარდატეხის კუთხე დაცემის კუთხეზე ნაკლები და რომელში მეტი? 6. როგორია სხივის დაცემის კუთხე, თუ რეფრაქციული სხივი პერპენდიკულარულია მედიასაშუალებებს შორის? 7. რატომ უყურებს დამკვირვებელი ზემოდან წყალს, წყალსაცავის სიღრმე იმაზე ნაკლები ჩანს ვიდრე სინამდვილეშია? როგორი იქნება მდინარის სიღრმე, თუ ის რეალურად არის 2 მ? 8. ჰაერში არის მინის, კვარცის და ალმასის ნაჭრები. რომელ ზედაპირზე ირღვევა სინათლის სხივები ყველაზე მეტად?

ექსპერიმენტული დავალება. გაიმეორეთ ევკლიდეს გამოცდილება. ჩაის ჭიქის ფსკერზე მოათავსეთ ბეჭედი (ან მონეტა), შემდეგ მოათავსეთ თქვენს წინ ისე, რომ ჭიქის კიდეები დაფაროს მის ფსკერზე. თუ ჭიქისა და თვალების შედარებითი პოზიციის შეცვლის გარეშე ჩაასხით მასში წყალი, მაშინ ბეჭედი (ან მონეტა) ჩანს. რატომ?

ერთი საშუალოდან მეორეზე გადასვლის საზღვარზე, თუ ის მნიშვნელოვნად აღემატება ტალღის სიგრძეს, შეინიშნება სინათლის სხივების მიმართულების ცვლილება. ამ შემთხვევაში ენერგიის ნაწილი აირეკლება, ანუ ბრუნდება იმავე გარემოში, ნაწილი კი ირღვევა, შეაღწევს სხვა გარემოში. სინათლის არეკვლისა და გარდატეხის კანონების გამოყენებით, შეიძლება ავხსნათ, თუ რა მიმართულება აქვთ არეკლილი და გარდატეხილი სხივები და რა არის სინათლის ენერგიის პროპორცია, რომელიც აირეკლება ან გადადის ერთი გარემოდან მეორეზე. იმისათვის, რომ მოხდეს სინათლის არეკვლისა და გარდატეხის ფენომენი, სხეული უნდა იყოს საკმაოდ გლუვი, არა მქრქალი და ჰქონდეს საკმაოდ ერთგვაროვანი შინაგანი სტრუქტურა. ასეთი შემთხვევის მაგალითი იქნება წყლისა და ჰაერის ინტერფეისი ფართო კონტეინერში. გაპრიალებულ ლითონის სხეულებს ასევე აქვთ სარკის ზედაპირი.

ამ კანონების არსის გასაგებად, შეგიძლიათ ჩაატაროთ მარტივი ექსპერიმენტი. სხივების ვიწრო ნაკადი უნდა იყოს მიმართული დიდ ჭურჭელში ჩასხმული წყლისკენ. ჩანს, რომ სხივების ნაწილი ზედაპირზე აირეკლება, დანარჩენი კი წყალში გადავა. უფრო მეტიც, ვნახოთ რა მოხდება წყალში სინათლის რეფრაქცია.

ასახვის კანონი

არეკვლის კანონი განსაზღვრავს სინათლის სხივის მიმართულების ცვლილებას ამრეკლავ ზედაპირთან შეხვედრისას. ის მდგომარეობს იმაში, რომ როგორც ინციდენტი, ასევე ასახული სხივი იმავე სიბრტყეშია ზედაპირის პერპენდიკულარულთან და ეს პერპენდიკულარი ყოფს ამ სხივებს შორის კუთხეს თანაბარ ნაწილად.

უფრო ხშირად იგი ჩამოყალიბებულია შემდეგნაირად: დაცემის კუთხე და სინათლის ასახვის კუთხეთანაბარია:

α=γ

ეს ფორმულირება ნაკლებად ზუსტია, რადგან არ აკონკრეტებს სხივის ასახვის ზუსტ მიმართულებას.

ასახვის კანონი მოდის ტალღის ოპტიკის პრინციპებიდან. ექსპერიმენტულად ის ევკლიდემ აღმოაჩინა ჩვენს წელთაღრიცხვამდე III საუკუნეში. ეს შეიძლება ჩაითვალოს სარკის ზედაპირისთვის ფერმას პრინციპის გამოყენების შედეგად.

ნებისმიერ მედიას აქვს გარკვეული ხარისხის ამრეკლავი და შთანთქმის უნარი. მნიშვნელობა, რომელიც მიუთითებს ზედაპირის არეკვლაზე არის სინათლის არეკვლა. ის განსაზღვრავს ზედაპირზე მოტანილი ენერგიის რა ნაწილს წარმოადგენს ის ენერგია, რომელიც მისგან არეკლილი გამოსხივებით არის გადატანილი. მისი ღირებულება დამოკიდებულია ბევრ ფაქტორზე, მათ შორის დაცემის კუთხესა და გამოსხივების შემადგენლობაზე.

უფრო მკვრივიდან ნაკლებად ოპტიკურად მკვრივ გარემოზე გადასვლის შედეგად (ვთქვათ, მინისგან ჰაერში), ხდება მთლიანი არეკვლა, რაც ნიშნავს, რომ გარდატეხილი სხივი ქრება.

მთლიანი არეკვლა შეინიშნება, როდესაც სხივები ეცემა თხევად ვერცხლისწყალს ან მინაზე დაფენილ ვერცხლს.

ეს ფენომენი ხდება იმ შემთხვევაში, თუ დაცემის კუთხე აღემატება ზღვარს მთლიანი სინათლის ასახვის კუთხე αpr.

Თუ α = αpr, მაშინ sin β = 1, ა sin αpr = n2/n1

როდესაც მეორე საშუალება ჰაერია (ე.ი. n2 ≈ 1), ეს ფორმულა იღებს შემდეგ ფორმას:

sin αpr=1/n

მინისგან ჰაერზე გადასვლის კრიტიკული კუთხე არის 42° (at n=1.5)წყლიდან ჰაერზე გადასვლისთვის - 48,7 ° (at n=1.33).

მთლიანი შიდა სინათლის ასახვა

ბუნებაში, ტოტალური ასახვის მაგალითებია სხვადასხვა მირაჟები და ფატა მორგანა. ისინი წარმოიქმნება სხვადასხვა ტემპერატურის მქონე ჰაერის ფენების საზღვარზე ასახვის შედეგად. გარდა ამისა, სინათლის მთლიანი ანარეკლიასევე განმარტავს ძვირფასი ქვების კაშკაშა ბრწყინვალებას, როდესაც ყოველი შემომავალი სხივი ქმნის ბევრ ნათელ გამავალ სხივს.

თუ წყლის ქვეშ ყოფნისას, ზედაპირს უყურებთ გარკვეული კუთხით, ხედავთ არა რა არის ჰაერში, არამედ წყლის ქვეშ მყოფი ობიექტების სარკისებურ გამოსახულებას. ეს არის სრული შინაგანი ასახვის კიდევ ერთი მაგალითი.

იმ შემთხვევაში, როდესაც დაცემის კუთხე ორ დიელექტრიკულ მედიას შორის საზღვარზე არ არის ნულის ტოლი, როგორც არეკლილი, ასევე რეფრაქციული სხივი ნაწილობრივ პოლარიზდება. სინათლის პოლარიზაცია ანარეკლზეგანისაზღვრება მისი დაცემის კუთხით. კუთხეს, რომლითაც არეკლილი სხივი მთლიანად პოლარიზებულია და რეფრაქციულ სხივს აქვს პოლარიზაციის მაქსიმალური შესაძლო ხარისხი, ეწოდება ბრუსტერის კუთხე.

გთხოვთ გაითვალისწინოთ, რომ ინფორმაცია ლინზების ფილტრების არჩევის შესახებ ხელმისაწვდომია ამ მისამართზე: .

სინათლის ფოტოს ასახვისა და რეფრაქციის კანონები

ქვემოთ მოცემულია ფოტოები სტატიის თემაზე "შუქის ასახვისა და გარდატეხის კანონები". ფოტო გალერეის გასახსნელად, უბრალოდ დააწკაპუნეთ სურათის მინიატურაზე.

• ინციდენტის კუთხეα არის კუთხე დაცემის სინათლის სხივსა და ორ მედიას შორის ინტერფეისის პერპენდიკულარულს შორის, აღდგენილი დაცემის წერტილში (ნახ. 1).

• არეკვლის კუთხეβ არის კუთხე არეკლილი სინათლის სხივსა და ამრეკლავ ზედაპირთან პერპენდიკულარულს შორის, აღდგენილი დაცემის წერტილში (იხ. სურ. 1).

• გარდატეხის კუთხეγ არის კუთხე სინათლის გარდატეხილ სხივსა და ორ მედიას შორის ინტერფეისის პერპენდიკულარულს შორის, რომელიც აღდგენილია დაცემის წერტილში (იხ. სურ. 1).

• სხივის ქვეშგააცნობიეროს ხაზი, რომლითაც ელექტრომაგნიტური ტალღის ენერგია გადადის. მოდით შევთანხმდეთ ოპტიკური სხივების გრაფიკულად გამოსახვაზე გეომეტრიული სხივების გამოყენებით ისრებით. გეომეტრიულ ოპტიკაში მხედველობაში არ მიიღება სინათლის ტალღური ბუნება (იხ. სურ. 1).

• ერთი წერტილიდან მოსულ სხივებს უწოდებენ განსხვავებულიდა ერთ მომენტში შეკრება - თანხვედრა. განსხვავებული სხივების მაგალითია შორეული ვარსკვლავების დაკვირვებული შუქი, ხოლო კონვერგენტული სხივების მაგალითია სხივების ნაკრები, რომლებიც სხვადასხვა საგნებიდან შედიან ჩვენი თვალის გუგაში.

სინათლის სხივების თვისებების შესწავლისას ექსპერიმენტულად ჩამოყალიბდა გეომეტრიული ოპტიკის ოთხი ძირითადი კანონი:

• სინათლის სწორხაზოვანი გავრცელების კანონი;
• სინათლის სხივების დამოუკიდებლობის კანონი;
• სინათლის სხივების ასახვის კანონი;
• სინათლის სხივების გარდატეხის კანონი.

სინათლის რეფრაქცია

გაზომვებმა აჩვენა, რომ სინათლის სიჩქარე υ მატერიაში ყოველთვის ნაკლებია სინათლის სიჩქარეზე ვაკუუმში გ.

• სინათლის სიჩქარის თანაფარდობა ვაკუუმში გმის სიჩქარეს მოცემულ გარემოში υ ეწოდება აბსოლუტური რეფრაქციული ინდექსი:

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

Ფრაზა " გარემოს აბსოლუტური რეფრაქციული ინდექსი"ხშირად იცვლება" საშუალო რეფრაქციული ინდექსი».

განვიხილოთ სხივის ინციდენტი ბრტყელ ინტერფეისზე ორ გამჭვირვალე მედიას შორის რეფრაქციული ინდექსებით ნ 1 და ნ 2 α რაღაც კუთხით (ნახ. 2).

• ორ მედიას შორის ინტერფეისის გავლისას სინათლის სხივის გავრცელების მიმართულების ცვლილებას უწოდებენ სინათლის რეფრაქცია.

გარდატეხის კანონები:

• α დაცემის კუთხის სინუსის თანაფარდობა γ გარდატეხის კუთხის სინუსთან არის მუდმივი მნიშვნელობა ორი მოცემული მედიისთვის

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

• სხივები, ჩავარდნილი და გარდატეხილი, დევს იმავე სიბრტყეში, სადაც პერპენდიკულარულია დახატული სხივის დაცემის წერტილში ორ მედიას შორის ინტერფეისის სიბრტყეზე.

რეფრაქციისთვის, სინათლის სხივების შექცევადობის პრინციპი:

• სინათლის სხივი, რომელიც ავრცელებს გარდატეხილი სხივის გზაზე, იხსნება წერტილში ომედიასაშუალებებს შორის ინტერფეისზე, შემდგომში ვრცელდება დაცემის სხივის გზაზე.

გარდატეხის კანონიდან გამომდინარეობს, რომ თუ მეორე გარემო ოპტიკურად უფრო მკვრივია პირველ გარემოში,

• იმათ. ნ 2 > ნ 1, შემდეგ α > γ \(\left(\frac(n_2)(n_1) > 1, \;\;\; \frac(sin \alpha)(sin \gamma) > 1 \მარჯვნივ) (ნახ. 3a);
• თუ ნ 2 < ნ 1, შემდეგ α< γ (рис. 3, б).

ბრინჯი. 3

წყალსა და მინაში სინათლის გარდატეხის შესახებ პირველი ნახსენები გვხვდება კლავდიუს პტოლემეოსის ნაშრომში „ოპტიკა“, რომელიც გამოქვეყნდა ჩვენს წელთაღრიცხვამდე II საუკუნეში. სინათლის გარდატეხის კანონი ექსპერიმენტულად დაადგინა 1620 წელს ჰოლანდიელმა მეცნიერმა ვილბროდ სნელიუსმა. გაითვალისწინეთ, რომ სნელისგან დამოუკიდებლად, გარდატეხის კანონი ასევე აღმოაჩინა რენე დეკარტმა.

სინათლის გარდატეხის კანონი საშუალებას გაძლევთ გამოთვალოთ სხივების გზა სხვადასხვა ოპტიკურ სისტემაში.

ორ გამჭვირვალე მედიას შორის ინტერფეისზე, ტალღის ასახვა ჩვეულებრივ შეინიშნება გარდატეხასთან ერთად. ენერგიის შენარჩუნების კანონის მიხედვით, ასახული ენერგიების ჯამი ვ o და რეფრაქცია ვ np ტალღები უდრის ინციდენტის ტალღის ენერგიას ვ n:

W n = W np + W o.

მთლიანი ანარეკლი

როგორც ზემოთ აღინიშნა, როდესაც სინათლე გადადის ოპტიკურად უფრო მკვრივი გარემოდან ოპტიკურად ნაკლებად მკვრივ გარემოში ( ნ 1 > ნ 2), გარდატეხის კუთხე γ ხდება უფრო დიდი, ვიდრე α დაცემის კუთხე (იხ. სურ. 3, ბ).

როდესაც α დაცემის კუთხე იზრდება (ნახ. 4), გარკვეული მნიშვნელობისას α 3, გარდატეხის კუთხე გახდება γ = 90°, ანუ სინათლე არ შევა მეორე გარემოში. დიდი კუთხით α 3 სინათლე მხოლოდ აირეკლება. რეფრაქციული ტალღის ენერგია Wnpამ შემთხვევაში, ის გახდება ნულის ტოლი, ხოლო არეკლილი ტალღის ენერგია ინციდენტის ენერგიის ტოლი იქნება: W n = W o. ამრიგად, α 3 დაცემის ამ კუთხიდან დაწყებული (შემდგომში α 0), მთელი სინათლის ენერგია აისახება ამ მედიას შორის ინტერფეისიდან.

ამ მოვლენას ტოტალური ასახვა ეწოდება (იხ. სურ. 4).

• კუთხე α 0, საიდანაც იწყება მთლიანი ასახვა, ეწოდება მთლიანი ასახვის შემზღუდველი კუთხე.

α 0 კუთხის მნიშვნელობა განისაზღვრება გარდატეხის კანონით, იმ პირობით, რომ გარდატეხის კუთხე γ = 90°:

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

ლიტერატურა

ჟილკო, ვ.ვ. ფიზიკა: სახელმძღვანელო. მე-11 კლასის ზოგადი განათლების შემწეობა. სკოლა რუსულიდან ენა. ტრენინგი / V.V. Zhilko, L.G. Markovich. - მინსკი: ნარ. ასვეტა, 2009. - S. 91-96.

სინათლის გარდატეხის კანონები.

რეფრაქციული ინდექსის ფიზიკური მნიშვნელობა.სინათლის გარდატეხა ხდება მისი გავრცელების სიჩქარის ცვლილების გამო ერთი გარემოდან მეორეზე გადასვლისას. მეორე გარემოს გარდატეხის ინდექსი პირველთან შედარებით რიცხობრივად უდრის პირველ გარემოში სინათლის სიჩქარის თანაფარდობას მეორე გარემოში სინათლის სიჩქარესთან:

ამრიგად, გარდატეხის ინდექსი გვიჩვენებს, რამდენჯერ მეტია სინათლის სიჩქარე გარემოში, საიდანაც სხივი გამოდის, ვიდრე სინათლის სიჩქარე იმ გარემოში, რომელშიც ის შედის.

ვინაიდან ვაკუუმში ელექტრომაგნიტური ტალღების გავრცელების სიჩქარე მუდმივია, მიზანშეწონილია განისაზღვროს სხვადასხვა მედიის რეფრაქციული ინდექსები ვაკუუმთან მიმართებაში. სიჩქარის თანაფარდობა თან სინათლის გავრცელება ვაკუუმში მისი გავრცელების სიჩქარეზე მოცემულ გარემოში ეწოდება აბსოლუტური რეფრაქციული ინდექსიმოცემული ნივთიერება () და არის მისი ოპტიკური თვისებების მთავარი მახასიათებელი,

,

იმათ. მეორე გარემოს გარდატეხის ინდექსი პირველთან შედარებით უდრის ამ მედიის აბსოლუტური მაჩვენებლების თანაფარდობას.

ჩვეულებრივ, ნივთიერების ოპტიკური თვისებები ხასიათდება რეფრაქციული ინდექსით ნ ჰაერთან შედარებით, რომელიც ოდნავ განსხვავდება აბსოლუტური რეფრაქციული ინდექსისგან. ამ შემთხვევაში გარემოს, რომელშიც აბსოლუტური ინდექსი უფრო დიდია, ოპტიკურად მკვრივი ეწოდება.

გარდატეხის შეზღუდვის კუთხე.თუ სინათლე უფრო დაბალი გარდატეხის ინდექსის მქონე გარემოდან გადადის უფრო მაღალი გარდატეხის ინდექსის მქონე გარემოზე ( n 1< n 2 ), მაშინ გარდატეხის კუთხე ნაკლებია დაცემის კუთხეზე

რ< i (ნახ. 3).

ბრინჯი. 3. სინათლის გარდატეხა გადასვლისას

ოპტიკურად ნაკლებად მკვრივი საშუალოდან საშუალომდე

ოპტიკურად უფრო მკვრივი.

როგორც დაცემის კუთხე იზრდება მე მ = 90° (სხივი 3, სურ. 2) სინათლე მეორე გარემოში გავრცელდება მხოლოდ კუთხის ფარგლებში r pr დაურეკა გარდატეხის შემზღუდავი კუთხე. მეორე გარემოს რეგიონში გარდატეხის შემზღუდველი კუთხის დამატებით კუთხით (90° - მე პრ ), სინათლე არ აღწევს (ეს უბანი დაჩრდილულია ნახ. 3-ზე).

გარდატეხის კუთხის შეზღუდვა r pr

მაგრამ sin i m = 1, ამიტომ .

მთლიანი შინაგანი ასახვის ფენომენი.როდესაც სინათლე გადის მაღალი რეფრაქციული ინდექსის მქონე გარემოდან n 1 > n 2 (ნახ. 4), მაშინ გარდატეხის კუთხე მეტია დაცემის კუთხეზე. სინათლე ირღვევა (გადის მეორე გარემოში) მხოლოდ დაცემის კუთხით მე პრ , რომელიც შეესაბამება გარდატეხის კუთხეს rm = 90°.

ბრინჯი. 4. სინათლის გარდატეხა ოპტიკურად მკვრივი გარემოდან საშუალოზე გადასვლისას

ნაკლებად ოპტიკურად მკვრივი.

სინათლის ინციდენტი დიდი კუთხით მთლიანად აისახება მედიის საზღვრიდან (ნახ. 4 სხივი 3). ამ ფენომენს ეწოდება მთლიანი შიდა ასახვა და დაცემის კუთხე მე პრ არის მთლიანი შიდა ასახვის შემზღუდველი კუთხე.

მთლიანი შიდა ასახვის შემზღუდველი კუთხე მე პრ განისაზღვრება მდგომარეობის მიხედვით:

, მაშინ sin r m =1, შესაბამისად, .

თუ სინათლე მიემართება ნებისმიერი გარემოდან ვაკუუმში ან ჰაერში, მაშინ

ამ ორი მედიისთვის სხივების გზის შექცევადობის გამო, გარდატეხის შემზღუდველი კუთხე პირველი გარემოდან მეორეზე გადასვლისას უდრის მთლიანი შიდა ასახვის შემზღუდველ კუთხეს, როდესაც სხივი გადადის მეორე გარემოდან პირველზე. .

შუშის მთლიანი შიდა ასახვის შემზღუდველი კუთხე 42°-ზე ნაკლებია. ამიტომ, სხივები, რომლებიც მოძრაობენ მინაში და ეცემა მის ზედაპირზე 45° კუთხით, მთლიანად აირეკლება. შუშის ეს თვისება გამოიყენება მბრუნავ (ნახ. 5ა) და შექცევად (ნახ. 4ბ) პრიზმებში, რომლებიც ხშირად გამოიყენება ოპტიკურ ინსტრუმენტებში.

ბრინჯი. 5: ა – მბრუნავი პრიზმა; ბ - საპირისპირო პრიზმა.

ბოჭკოვანი ოპტიკა.მთლიანი შიდა ასახვა გამოიყენება მოქნილის მშენებლობაში მსუბუქი გიდები. სინათლე, რომელიც შედის გამჭვირვალე ბოჭკოში, რომელიც გარშემორტყმულია უფრო დაბალი რეფრაქციული ინდექსის მქონე ნივთიერებით, ბევრჯერ აირეკლება და ვრცელდება ამ ბოჭკოს გასწვრივ (ნახ. 6).

სურ.6. სინათლის გავლა გამჭვირვალე ბოჭკოში, რომელიც გარშემორტყმულია მატერიით

უფრო დაბალი რეფრაქციული ინდექსით.

მაღალი სინათლის ნაკადების გადასაცემად და სინათლის სახელმძღვანელო სისტემის მოქნილობის შესანარჩუნებლად, ცალკეული ბოჭკოები იკრიბება ჩალიჩებად - მსუბუქი გიდები. ოპტიკის ფილიალს, რომელიც ეხება სინათლისა და გამოსახულების გადაცემას სინათლის გიდების საშუალებით, ეწოდება ბოჭკოვანი ოპტიკა. იგივე ტერმინი ეხება თავად ბოჭკოვანი ნაწილებსა და მოწყობილობებს. მედიცინაში სინათლის სახელმძღვანელო გამოიყენება ცივი შუქით შიდა ღრუების გასანათებლად და გამოსახულების გადასაცემად.

პრაქტიკული ნაწილი

ნივთიერებების რეფრაქციული ინდექსის განსაზღვრის ინსტრუმენტები ე.წ რეფრაქტომეტრები(ნახ. 7).

ნახ.7. რეფრაქტომეტრის ოპტიკური სქემა.

1 - სარკე, 2 - საზომი თავი, 3 - პრიზმების სისტემა დისპერსიის აღმოსაფხვრელად, 4 - ობიექტივი, 5 - მბრუნავი პრიზმა (სხივის ბრუნვა 90 0-ით), 6 - მასშტაბი (ზოგიერთ რეფრაქტომეტრში

არსებობს ორი მასშტაბი: რეფრაქციული მაჩვენებლების მასშტაბი და ხსნარების კონცენტრაციის მასშტაბი),

7 - ოკულარი.

რეფრაქტომეტრის ძირითადი ნაწილია საზომი თავი, რომელიც შედგება ორი პრიზმისგან: განათებული, რომელიც მდებარეობს თავის დასაკეცი ნაწილში და საზომი.

მანათობელი პრიზმის გასასვლელში მისი მქრქალი ზედაპირი ქმნის სინათლის გაფანტულ სხივს, რომელიც გადის საცდელ სითხეში (2-3 წვეთი) პრიზმებს შორის. სხივები ეცემა საზომი პრიზმის ზედაპირზე სხვადასხვა კუთხით, მათ შორის 90 0 კუთხით. საზომი პრიზმაში სხივები გროვდება გარდატეხის შემზღუდველი კუთხის რეგიონში, რაც განმარტავს მოწყობილობის ეკრანზე შუქ-ჩრდილის საზღვრის ფორმირებას.

სურ.8. სხივის გზა საზომი თავში:

1 - განათებული პრიზმა, 2 - გამოკვლეული სითხე,

3 - საზომი პრიზმა, 4 - ეკრანი.

ხსნარში შაქრის პროცენტის განსაზღვრა

ბუნებრივი და პოლარიზებული შუქი. ხილული სინათლე- ეს ელექტრომაგნიტური ტალღებირხევის სიხშირით 4∙10 14-დან 7.5∙10 14 ჰც-მდე დიაპაზონში. ელექტრომაგნიტური ტალღებიარიან განივი: ელექტრული და მაგნიტური ველის სიძლიერის ვექტორები E და H ერთმანეთის პერპენდიკულურია და დევს ტალღის გავრცელების სიჩქარის ვექტორის პერპენდიკულარულ სიბრტყეში.

გამომდინარე იქიდან, რომ სინათლის როგორც ქიმიური, ასევე ბიოლოგიური ეფექტი ძირითადად დაკავშირებულია ელექტრომაგნიტური ტალღის ელექტრულ კომპონენტთან, ვექტორთან. ეამ ველის ინტენსივობა ეწოდება სინათლის ვექტორი,და ამ ვექტორის რხევების სიბრტყე არის სინათლის ტალღის რხევის სიბრტყე.

ნებისმიერ სინათლის წყაროში ტალღები გამოიყოფა მრავალი ატომისა და მოლეკულისგან, ამ ტალღების სინათლის ვექტორები განლაგებულია სხვადასხვა სიბრტყეში, ხოლო რხევები ხდება სხვადასხვა ფაზაში. შესაბამისად, მიღებული ტალღის სინათლის ვექტორის რხევების სიბრტყე განუწყვეტლივ იცვლის თავის პოზიციას სივრცეში (ნახ. 1). ამ ნათებას ე.წ ბუნებრივი,ან არაპოლარიზებული.

ბრინჯი. 1. სხივისა და ბუნებრივი სინათლის სქემატური გამოსახულება.

თუ ჩვენ ავირჩევთ ორ ურთიერთ პერპენდიკულარულ სიბრტყეს, რომელიც გადის ბუნებრივი სინათლის სხივზე და ვაპროექტებთ E ვექტორებს სიბრტყეზე, მაშინ საშუალოდ ეს პროგნოზები იგივე იქნება. ამრიგად, მოსახერხებელია გამოსახოთ ბუნებრივი სინათლის სხივი, როგორც სწორი ხაზი, რომელზედაც ორივე პროგნოზის იგივე რაოდენობა მდებარეობს ტირეებისა და წერტილების სახით:

როდესაც სინათლე გადის კრისტალებში, შესაძლებელია მივიღოთ შუქი, რომლის ტალღის რხევის სიბრტყე მუდმივ პოზიციას იკავებს სივრცეში. ამ ნათებას ე.წ ბინა-ან ხაზოვანი პოლარიზებული. ატომებისა და მოლეკულების მოწესრიგებული განლაგების გამო სივრცულ გისოსში, კრისტალი გადასცემს მხოლოდ სინათლის ვექტორულ რხევებს, რომლებიც წარმოიქმნება მოცემული გისოსისთვის დამახასიათებელ გარკვეულ სიბრტყეში.

თვითმფრინავის პოლარიზებული სინათლის ტალღა მოხერხებულად არის გამოსახული შემდეგნაირად:

სინათლის პოლარიზაცია ასევე შეიძლება იყოს ნაწილობრივი. ამ შემთხვევაში, სინათლის ვექტორის რხევების ამპლიტუდა ნებისმიერ სიბრტყეში მნიშვნელოვნად აღემატება სხვა სიბრტყეების რხევების ამპლიტუდას.

ნაწილობრივ პოლარიზებული შუქი პირობითად შეიძლება გამოისახოს შემდეგნაირად: და ა.შ. ტირეებისა და წერტილების რაოდენობის თანაფარდობა განსაზღვრავს სინათლის პოლარიზაციის ხარისხს.

ბუნებრივი სინათლის პოლარიზებულ შუქად გარდაქმნის ყველა მეთოდში, კომპონენტები, რომლებსაც აქვთ პოლარიზაციის სიბრტყის კარგად განსაზღვრული ორიენტაცია, მთლიანად ან ნაწილობრივ შეირჩევა ბუნებრივი სინათლისგან.

პოლარიზებული სინათლის მიღების მეთოდები: ა) სინათლის არეკვლა და გარდატეხა ორი დიელექტრიკის საზღვარზე; ბ) სინათლის გადაცემა ოპტიკურად ანიზოტროპული ცალღეროვანი კრისტალებით; გ) სინათლის გადაცემა მედიით, რომლის ოპტიკური ანიზოტროპია ხელოვნურად იქმნება ელექტრული ან მაგნიტური ველის მოქმედებით, აგრეთვე დეფორმაციის გამო. ეს მეთოდები ეფუძნება ფენომენს ანიზოტროპია.

ანისოტროპიაარის მთელი რიგი თვისებების (მექანიკური, თერმული, ელექტრო, ოპტიკური) დამოკიდებულება მიმართულებაზე. სხეულებს, რომელთა თვისებები ყველა მიმართულებით ერთნაირია, ეწოდება იზოტროპული.

პოლარიზაცია შეინიშნება სინათლის გაფანტვის დროსაც. რაც უფრო მაღალია პოლარიზაციის ხარისხი, მით უფრო მცირეა ნაწილაკების ზომა, რომლებზეც ხდება გაფანტვა.

მოწყობილობები, რომლებიც შექმნილია პოლარიზებული სინათლის წარმოებისთვის, ე.წ პოლარიზატორები.

სინათლის პოლარიზაცია არეკვლისა და გარდატეხის დროს ორ დიელექტრიკას შორის.როდესაც ბუნებრივი სინათლე აირეკლება და ირღვევა ორ იზოტროპულ დიელექტრიკს შორის, ხდება მისი ხაზოვანი პოლარიზაცია. დაცემის თვითნებური კუთხით, არეკლილი სინათლის პოლარიზაცია ნაწილობრივია. არეკლილი სხივი დომინირებს დაცემის სიბრტყის პერპენდიკულარული რხევებით, ხოლო გარდატეხილ სხივში დომინირებს მის პარალელურად რხევები (ნახ. 2).

ბრინჯი. 2. ბუნებრივი სინათლის ნაწილობრივი პოლარიზაცია არეკვლისა და რეფრაქციის დროს

თუ დაცემის კუთხე აკმაყოფილებს tg i B = n 21 პირობას, მაშინ არეკლილი სინათლე მთლიანად პოლარიზებულია (ბრუსტერის კანონი), ხოლო რეფრაქციული სხივი პოლარიზებულია არა მთლიანად, არამედ მაქსიმალურად (ნახ. 3). ამ შემთხვევაში, არეკლილი და გარდატეხილი სხივები ერთმანეთის პერპენდიკულურია.

არის ორი მედიის ფარდობითი გარდატეხის მაჩვენებელი, i B არის ბრუსტერის კუთხე.

ბრინჯი. 3. არეკლილი სხივის ტოტალური პოლარიზაცია არეკვლისა და გარდატეხის დროს

ორ იზოტროპულ დიელექტრიკს შორის ინტერფეისზე.

ორმაგი რეფრაქცია.არსებობს მთელი რიგი კრისტალები (კალციტი, კვარცი და ა.შ.), რომლებშიც სინათლის სხივი, გარდატეხის დროს, იყოფა ორ სხივად, განსხვავებული თვისებებით. კალციტი (ისლანდიური სპარ) არის კრისტალი ექვსკუთხა გისოსით. ექვსკუთხა პრიზმის სიმეტრიის ღერძს, რომელიც ქმნის მის უჯრედს, ეწოდება ოპტიკური ღერძი. ოპტიკური ღერძი არ არის ხაზი, არამედ მიმართულება კრისტალში. ამ მიმართულების პარალელურად ნებისმიერი ხაზი ასევე არის ოპტიკური ღერძი.

თუ ფირფიტა ამოჭრილია კალციტის კრისტალიდან ისე, რომ მისი სახეები იყოს ოპტიკური ღერძის პერპენდიკულარული და სინათლის სხივი მიმართულია ოპტიკური ღერძის გასწვრივ, მაშინ მასში ცვლილებები არ მოხდება. თუმცა, თუ სხივი მიმართულია ოპტიკური ღერძის კუთხით, მაშინ იგი დაიყოფა ორ სხივად (სურ. 4), რომელთაგან ერთს ჩვეულებრივ უწოდებენ, მეორეს - არაჩვეულებრივს.

ბრინჯი. 4. ორმხრივი შეფერხება, როდესაც სინათლე გადის კალციტის ფირფიტაზე.

MN არის ოპტიკური ღერძი.

ჩვეულებრივი სხივი მდებარეობს დაცემის სიბრტყეში და აქვს ჩვეულებრივი რეფრაქციული ინდექსი მოცემული ნივთიერებისთვის. არაჩვეულებრივი სხივი მდგომარეობს სიბრტყეში, რომელიც გადის დაცემის სხივს და ბროლის ოპტიკურ ღერძს, რომელიც შედგენილია სხივის დაცემის წერტილში. ამ თვითმფრინავს ე.წ ბროლის მთავარი სიბრტყე. რეფრაქციული ინდექსები ჩვეულებრივი და არაჩვეულებრივი სხივებისთვის განსხვავებულია.

როგორც ჩვეულებრივი, ისე არაჩვეულებრივი სხივები პოლარიზებულია. ჩვეულებრივი სხივების რხევის სიბრტყე ძირითადი სიბრტყის პერპენდიკულარულია. არაჩვეულებრივი სხივების რხევები ხდება ბროლის მთავარ სიბრტყეში.

ორმხრივი შეფერხების ფენომენი განპირობებულია კრისტალების ანიზოტროპიით. ოპტიკური ღერძის გასწვრივ სინათლის ტალღის სიჩქარე ჩვეულებრივი და არაჩვეულებრივი სხივებისთვის ერთნაირია. სხვა მიმართულებებში, არაჩვეულებრივი ტალღის სიჩქარე კალციტში უფრო მეტია, ვიდრე ჩვეულებრივი. ყველაზე დიდი განსხვავება ორივე ტალღის სიჩქარეს შორის ხდება ოპტიკური ღერძის პერპენდიკულარული მიმართულებით.

ჰაიგენსის პრინციპის მიხედვით, ტალღის ზედაპირის თითოეულ წერტილში ორმხრივი შეფერხებით, რომელიც აღწევს ბროლის საზღვრებს, ერთდროულად წარმოიქმნება ორი ელემენტარული ტალღა (არა ერთი, როგორც ჩვეულებრივ მედიაში!), რომლებიც ვრცელდება კრისტალში.

ერთი ტალღის გავრცელების სიჩქარე ყველა მიმართულებით ერთნაირია, ე.ი. ტალღას აქვს სფერული ფორმა და ე.წ ჩვეულებრივი. სხვა ტალღის გავრცელების სიჩქარე ბროლის ოპტიკური ღერძის მიმართულებით იგივეა, რაც ჩვეულებრივი ტალღის სიჩქარე, ხოლო ოპტიკური ღერძის პერპენდიკულარული მიმართულებით განსხვავდება მისგან. ტალღას აქვს ელიფსოიდური ფორმა და ე.წ არაჩვეულებრივი(ნახ.5).

ბრინჯი. 5. ჩვეულებრივი (ო) და არაჩვეულებრივი (ე) ტალღის გავრცელება კრისტალში.

ორმაგი რეფრაქციით.

პრიზმა ნიკოლოზი.პოლარიზებული სინათლის მისაღებად გამოიყენება ნიკოლის პოლარიზებული პრიზმა. კალციტისგან იჭრება გარკვეული ფორმისა და ზომის პრიზმა, შემდეგ იჭრება დიაგონალური სიბრტყის გასწვრივ და წებდება კანადური ბალზამით. როდესაც სინათლის სხივი ეცემა ზედა სახეზე პრიზმის ღერძის გასწვრივ (ნახ. 6), არაჩვეულებრივი სხივი ეცემა წებოვან სიბრტყეზე უფრო მცირე კუთხით და გადის თითქმის მიმართულების შეცვლის გარეშე. ჩვეულებრივი სხივი ეცემა კანადური ბალზამის მთლიანი არეკვლის კუთხეზე მეტი კუთხით, აირეკლება წებოვანი სიბრტყიდან და შეიწოვება პრიზმის გაშავებული სახეებით. ნიკოლის პრიზმა წარმოქმნის სრულად პოლარიზებულ სინათლეს, რომლის რხევის სიბრტყე მდებარეობს პრიზმის მთავარ სიბრტყეში.

ბრინჯი. 6. ნიკოლას პრიზმა. ჩვეულებრივი გავლის სქემა

და არაჩვეულებრივი სხივები.

დიქროიზმი.არსებობს კრისტალები, რომლებიც სხვადასხვა გზით შთანთქავენ ჩვეულებრივ და არაჩვეულებრივ სხივებს. ასე რომ, თუ ბუნებრივი სინათლის სხივი მიმართულია ტურმალინის კრისტალზე, ოპტიკური ღერძის მიმართულების პერპენდიკულარულად, მაშინ მხოლოდ რამდენიმე მილიმეტრიანი ფირფიტის სისქით, ჩვეულებრივი სხივი მთლიანად შეიწოვება და მხოლოდ არაჩვეულებრივი სხივი გამოვა. კრისტალი (ნახ. 7).

ბრინჯი. 7. სინათლის გავლა ტურმალინის კრისტალში.

ჩვეულებრივი და არაჩვეულებრივი სხივების შთანთქმის განსხვავებულ ბუნებას ე.წ შთანთქმის ანიზოტროპია,ან დიქროიზმი.ამრიგად, ტურმალინის კრისტალები ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც პოლარიზატორები.

პოლაროიდები.ამჟამად, პოლარიზატორები ფართოდ გამოიყენება. პოლაროიდები.პოლაროიდის გასაკეთებლად, გამჭვირვალე ფილმი წებდება შუშის ან პლექსიგლასის ორ ფირფიტას შორის, რომელიც შეიცავს დიქროიული ნივთიერების პოლარიზებული სინათლის კრისტალებს (მაგალითად, იოდოკინონის სულფატი). ფილმის წარმოების პროცესში, კრისტალები ისეა ორიენტირებული, რომ მათი ოპტიკური ღერძი იყოს პარალელურად. მთელი სისტემა ფიქსირდება ჩარჩოში.

პოლაროიდების დაბალი ღირებულება და დიდი ფართობით ფირფიტების დამზადების შესაძლებლობა უზრუნველყოფდა მათ ფართო გამოყენებას პრაქტიკაში.

პოლარიზებული სინათლის ანალიზი.სინათლის პოლარიზაციის ბუნებისა და ხარისხის შესასწავლად მოწყობილობებს ე.წ ანალიზატორები.როგორც ანალიზატორები, გამოიყენება იგივე მოწყობილობები, რომლებიც ემსახურება ხაზოვანი პოლარიზებული სინათლის მიღებას - პოლარიზატორები, მაგრამ ადაპტირებულია გრძივი ღერძის გარშემო ბრუნვისთვის. ანალიზატორი გადის მხოლოდ ვიბრაციას, რომელიც ემთხვევა მის მთავარ სიბრტყეს. წინააღმდეგ შემთხვევაში, მხოლოდ რხევის კომპონენტი, რომელიც ემთხვევა ამ სიბრტყეს, გადის ანალიზატორში.

თუ ანალიზატორში შემავალი სინათლის ტალღა ხაზოვანია პოლარიზებული, მაშინ ანალიზატორიდან გამოსული ტალღის ინტენსივობა აკმაყოფილებს მალუსის კანონი:

,

სადაც I 0 არის შემომავალი სინათლის ინტენსივობა, φ არის კუთხე შემომავალი სინათლის სიბრტყესა და ანალიზატორის მიერ გადაცემულ სინათლეს შორის.

სინათლის გავლა პოლარიზატორი-ანალიზატორის სისტემაში სქემატურად არის ნაჩვენები ნახ. რვა.

ბრინჯი. სურ. 8. სინათლის გავლის სქემა პოლარიზატორი-ანალიზატორის სისტემაში (P - პოლარიზატორი,

A - ანალიზატორი, E - ეკრანი):

ა) პოლარიზატორისა და ანალიზატორის ძირითადი სიბრტყეები ერთმანეთს ემთხვევა;

ბ) პოლარიზატორისა და ანალიზატორის ძირითადი სიბრტყეები განლაგებულია გარკვეული კუთხით;

გ) პოლარიზატორისა და ანალიზატორის ძირითადი სიბრტყეები ერთმანეთის პერპენდიკულურია.

თუ პოლარიზატორისა და ანალიზატორის ძირითადი სიბრტყეები ერთმანეთს ემთხვევა, მაშინ სინათლე მთლიანად გადის ანალიზატორში და ანათებს ეკრანს (ნახ. 7ა). თუ ისინი განლაგებულია გარკვეული კუთხით, სინათლე გადის ანალიზატორში, მაგრამ შესუსტებულია (ნახ. 7ბ) მით უფრო უახლოვდება ეს კუთხე 90 0-ს. თუ ეს სიბრტყეები ერთმანეთის პერპენდიკულარულია, მაშინ სინათლე მთლიანად ჩაქრება ანალიზატორის მიერ (ნახ. 7c)

პოლარიზებული სინათლის რხევის სიბრტყის ბრუნვა. პოლარიმეტრია.ზოგიერთ კრისტალს, ისევე როგორც ორგანულ ნივთიერებების ხსნარებს, აქვთ მათში გამავალი პოლარიზებული სინათლის რხევების სიბრტყის ბრუნვის თვისება. ამ ნივთიერებებს ე.წ ოპტიკურადა აქტიური. მათ შორისაა შაქარი, მჟავები, ალკალოიდები და ა.შ.

ოპტიკურად აქტიური ნივთიერებების უმრავლესობისთვის დადგინდა ორი მოდიფიკაციის არსებობა, რომელიც ბრუნავს პოლარიზაციის სიბრტყეს, შესაბამისად, საათის ისრის მიმართულებით და საათის ისრის საწინააღმდეგოდ (დამკვირვებლისთვის, რომელიც სხივისკენ იყურება). პირველ მოდიფიკაციას ე.წ დექსტროროტორული,ან დადებითიმეორე - ლევოროტარული,ან უარყოფითი.

ნივთიერების ბუნებრივი ოპტიკური აქტივობა არაკრისტალურ მდგომარეობაში განპირობებულია მოლეკულების ასიმეტრიით. კრისტალურ ნივთიერებებში ოპტიკური აქტივობა ასევე შეიძლება გამოწვეული იყოს გისოსებში მოლეკულების განლაგების თავისებურებებით.

მყარ სხეულებში, პოლარიზაციის სიბრტყის ბრუნვის კუთხე φ პირდაპირპროპორციულია სხეულში სინათლის სხივის გზის d სიგრძისა:

სადაც α არის ბრუნვის უნარი (სპეციფიკური ბრუნვა),დამოკიდებულია ნივთიერების ტიპზე, ტემპერატურასა და ტალღის სიგრძეზე. მარცხნივ და მარჯვნივ ბრუნვის მოდიფიკაციისთვის, ბრუნვის შესაძლებლობები იგივეა სიდიდით.

ამონახსნებისთვის, პოლარიზაციის სიბრტყის ბრუნვის კუთხე

,

სადაც α არის სპეციფიკური ბრუნვა, c არის ოპტიკურად აქტიური ნივთიერების კონცენტრაცია ხსნარში. α-ს მნიშვნელობა დამოკიდებულია ოპტიკურად აქტიური ნივთიერებისა და გამხსნელის ბუნებაზე, ტემპერატურასა და სინათლის ტალღის სიგრძეზე. სპეციფიკური როტაცია- ეს არის 100-ჯერ გაზრდილი ბრუნვის კუთხე 1 დმ სისქის ხსნარისთვის ნივთიერების კონცენტრაციით 1 გრამი 100 სმ 3 ხსნარზე 20 0 C ტემპერატურაზე და სინათლის ტალღის სიგრძეზე λ=589 ნმ. ამ თანაფარდობის საფუძველზე c კონცენტრაციის დასადგენად ძალიან მგრძნობიარე მეთოდს ე.წ პოლარიმეტრია (საქარიმეტრია).

პოლარიზაციის სიბრტყის ბრუნვის დამოკიდებულება სინათლის ტალღის სიგრძეზე ეწოდება ბრუნვის დისპერსია.პირველ მიახლოებაში არსებობს ბიოს კანონი:

სადაც A არის კოეფიციენტი, რომელიც დამოკიდებულია ნივთიერების ბუნებასა და ტემპერატურაზე.

კლინიკურ პირობებში, მეთოდი პოლარიმეტრიაგამოიყენება შარდში შაქრის კონცენტრაციის დასადგენად. ამისთვის გამოყენებულ მოწყობილობას ე.წ საქარიმეტრი(ნახ. 9).

ბრინჯი. 9. საქარიმეტრის ოპტიკური განლაგება:

და - ბუნებრივი სინათლის წყარო;

C - სინათლის ფილტრი (მონოქრომატორი), რომელიც უზრუნველყოფს მოწყობილობის მუშაობის კოორდინაციას

ბიოტის კანონით;

L არის კონვერგირებადი ლინზა, რომელიც გამოსვლისას იძლევა სინათლის პარალელურ სხივს;

P - პოლარიზატორი;

K – ტუბი სატესტო ხსნარით;

A - ანალიზატორი, რომელიც დამონტაჟებულია მბრუნავ დისკზე D დანაყოფებით.

კვლევის ჩატარებისას ანალიზატორი პირველად დაყენებულია ხედვის ველის მაქსიმალურ ჩაბნელებაზე სატესტო ხსნარის გარეშე. შემდეგ მოწყობილობაში მოთავსებულია ხსნარის მილი და ანალიზატორის მობრუნებით, ხედვის ველი კვლავ ბნელდება. იმ ორი კუთხიდან, რომლითაც ანალიზატორი უნდა შემოტრიალდეს, ყველაზე პატარა არის ანალიზატორის ბრუნვის კუთხე. კუთხე გამოიყენება ხსნარში შაქრის კონცენტრაციის გამოსათვლელად.

გამოთვლების გასამარტივებლად, ხსნარით მილი მზადდება ისე, რომ ანალიზატორის ბრუნვის კუთხე (გრადუსებში) რიცხობრივად ტოლია კონცენტრაციისა. თანხსნარი (გრამებში 100 სმ 3-ზე). გლუკოზის მილის სიგრძეა 19 სმ.

პოლარიზებული მიკროსკოპია.მეთოდი ეფუძნება ანიზოტროპიაუჯრედებისა და ქსოვილების ზოგიერთი კომპონენტი, რომლებიც ჩნდება პოლარიზებულ შუქზე დაკვირვებისას. სტრუქტურები, რომლებიც შედგება პარალელურად განლაგებული მოლეკულებისგან ან დაწყობის სახით განლაგებული დისკებისგან, როდესაც შედის გარემოში გარდატეხის ინდექსით, რომელიც განსხვავდება სტრუქტურის ნაწილაკების გარდატეხის მაჩვენებლისგან, ავლენს უნარს. ორმაგი რეფრაქცია.ეს ნიშნავს, რომ სტრუქტურა გადასცემს მხოლოდ პოლარიზებულ შუქს, თუ პოლარიზაციის სიბრტყე პარალელურია ნაწილაკების გრძელი ღერძების პარალელურად. ეს ძალაში რჩება მაშინაც კი, როდესაც ნაწილაკებს არ აქვთ საკუთარი ორმხრივი შეფერხება. Ოპტიკური ანიზოტროპიაშეიმჩნევა კუნთში, შემაერთებელ ქსოვილში (კოლაგენი) და ნერვულ ბოჭკოებში.

ჩონჩხის კუნთის სახელი ზოლიანი"კუნთოვანი ბოჭკოს ცალკეული მონაკვეთების ოპტიკური თვისებების განსხვავების გამო. იგი შედგება ქსოვილის ნივთიერების მუქი და მსუბუქი უბნების მონაცვლეობით. ეს აძლევს ბოჭკოს განივი ზოლს. კუნთოვანი ბოჭკოების შესწავლა პოლარიზებულ შუქზე ცხადყოფს, რომ უფრო ბნელი ადგილებია ანისოტროპულიდა აქვს თვისებები ორმხრივი შეფერხება, ხოლო უფრო ბნელი ადგილებია იზოტროპული. კოლაგენიბოჭკოები ანიზოტროპულია, მათი ოპტიკური ღერძი მდებარეობს ბოჭკოვანი ღერძის გასწვრივ. მიცელები რბილობში ნეიროფიბრილებიასევე ანიზოტროპული არიან, მაგრამ მათი ოპტიკური ღერძები განლაგებულია რადიალური მიმართულებით. ამ სტრუქტურების ჰისტოლოგიური გამოკვლევისთვის გამოიყენება პოლარიზებული მიკროსკოპი.

პოლარიზებული მიკროსკოპის ყველაზე მნიშვნელოვანი კომპონენტია პოლარიზატორი, რომელიც მდებარეობს სინათლის წყაროსა და კონდენსატორს შორის. გარდა ამისა, მიკროსკოპს აქვს მბრუნავი საფეხური ან ნიმუშის დამჭერი, ანალიზატორი, რომელიც მდებარეობს ობიექტსა და ოკულარებს შორის, რომელიც შეიძლება დამონტაჟდეს ისე, რომ მისი ღერძი იყოს პერპენდიკულარული პოლარიზატორის ღერძზე და კომპენსატორი.

როდესაც პოლარიზატორი და ანალიზატორი გადაკვეთილია და ობიექტი აკლია ან იზოტროპულიველი ერთნაირად ბნელი ჩანს. თუ არის ობიექტი ორმაგი შეფერხებით და ის განლაგებულია ისე, რომ მისი ღერძი იყოს პოლარიზაციის სიბრტყის კუთხით, განსხვავებული 0 0-დან ან 90 0-დან, ის დაყოფს პოლარიზებულ შუქს ორ კომპონენტად - პარალელურად და პერპენდიკულარულად. ანალიზატორის სიბრტყე. შესაბამისად, სინათლის ნაწილი გაივლის ანალიზატორში, რის შედეგადაც ხდება ობიექტის ნათელი გამოსახულება მუქი ფონზე. როდესაც ობიექტი ბრუნავს, მისი გამოსახულების სიკაშკაშე შეიცვლება და მაქსიმუმს მიაღწევს პოლარიზატორის ან ანალიზატორის მიმართ 450 კუთხით.

პოლარიზებული მიკროსკოპია გამოიყენება ბიოლოგიურ სტრუქტურებში (მაგ. კუნთების უჯრედებში) მოლეკულების ორიენტაციის შესასწავლად, ასევე სხვა მეთოდებით უხილავ სტრუქტურებზე (მაგ. უჯრედის გაყოფის დროს მიტოზური ღერო), ხვეული სტრუქტურის იდენტიფიკაციისას.

პოლარიზებული სინათლე გამოიყენება მოდელის პირობებში, რათა შეფასდეს მექანიკური სტრესები, რომლებიც წარმოიქმნება ძვლოვან ქსოვილებში. ეს მეთოდი ეფუძნება ფოტოელასტიურობის ფენომენს, რომელიც მოიცავს ოპტიკური ანიზოტროპიის წარმოქმნას თავდაპირველად იზოტროპულ მყარ სხეულებში მექანიკური დატვირთვების ზემოქმედების ქვეშ.

სინათლის ტალღის სიგრძის განსაზღვრა დიფრაქციული ბადეების გამოყენებით

მსუბუქი ჩარევა.სინათლის ჩარევა არის ფენომენი, რომელიც წარმოიქმნება სინათლის ტალღების ზემოქმედებისას და თან ახლავს მათი გაძლიერება ან შესუსტება. სტაბილური ჩარევის ნიმუში წარმოიქმნება, როდესაც თანმიმდევრული ტალღები ზედმიწევნით არის გადანაწილებული. თანმიმდევრულ ტალღებს უწოდებენ ტალღებს თანაბარი სიხშირით და იგივე ფაზებით ან მუდმივი ფაზის ცვლაში. სინათლის ტალღების გაძლიერება ჩარევის დროს (მაქსიმალური მდგომარეობა) ხდება, თუ Δ ჯდება ნახევარტალღის სიგრძის ლუწი რაოდენობა:

სადაც კ – მაქსიმალური რიგი, k=0,±1,±2,±,…±n;

λ არის სინათლის ტალღის სიგრძე.

სინათლის ტალღების შესუსტება ჩარევის დროს (მინიმალური მდგომარეობა) შეინიშნება, თუ ნახევრად ტალღის კენტი რაოდენობა ჯდება ოპტიკური ბილიკის განსხვავებაში Δ:

სადაც კ არის მინიმუმის რიგი.

ორი სხივის ოპტიკური ბილიკის განსხვავება არის სხვაობა წყაროებიდან დაკვირვების წერტილამდე.

ჩარევა თხელ ფილმებში.თხელ ფენებში ჩარევა შეიძლება შეინიშნოს საპნის ბუშტებში, ნავთის ადგილზე წყლის ზედაპირზე მზის შუქით განათებისას.

დაეცემა სხივი 1 თხელი ფილმის ზედაპირზე (იხ. ნახ. 2). ჰაერი-ფილის ინტერფეისზე გარდატეხილი სხივი გადის ფილაში, აირეკლება მისი შიდა ზედაპირიდან, უახლოვდება ფირის გარე ზედაპირს, ირღვევა ფენა-ჰაერის ინტერფეისზე და სხივი გამოდის. სხივს 2-ს მივმართავთ სხივის გასასვლელ წერტილში, რომელიც გადის 1-ლი სხივის პარალელურად. სხივი 2 აისახება ფილმის ზედაპირიდან, ზედ დადგმული სხივზე და ორივე სხივი ერევა.

ფილმის პოლიქრომატული შუქით განათებისას ვიღებთ ცისარტყელას სურათს. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ფილმი არ არის ერთგვაროვანი სისქით. შესაბამისად, წარმოიქმნება სხვადასხვა სიდიდის ბილიკების განსხვავებები, რომლებიც შეესაბამება სხვადასხვა ტალღის სიგრძეს (ფერადი საპნის ფილმები, ზოგიერთი მწერის და ფრინველის ფრთების მოლურჯო ფერები, ზეთის ან ზეთების ფირები წყლის ზედაპირზე და ა.შ.).

სინათლის ჩარევა გამოიყენება მოწყობილობებში - ინტერფერომეტრებში. ინტერფერომეტრები არის ოპტიკური მოწყობილობები, რომლებიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ორი სხივის სივრცით გამოყოფისთვის და მათ შორის გარკვეული ბილიკის განსხვავების შესაქმნელად. ინტერფერომეტრები გამოიყენება ტალღის სიგრძის დასადგენად მცირე დისტანციებზე მაღალი სიზუსტით, ნივთიერებების რეფრაქციული მაჩვენებლების დასადგენად და ოპტიკური ზედაპირების ხარისხის დასადგენად.

სანიტარიული და ჰიგიენური მიზნებისთვის ინტერფერომეტრი გამოიყენება მავნე აირების შემცველობის დასადგენად.

ინტერფერომეტრისა და მიკროსკოპის (ინტერფერენციული მიკროსკოპი) კომბინაცია ბიოლოგიაში გამოიყენება გამჭვირვალე მიკრო-ობიექტების რეფრაქციული ინდექსის, მშრალი ნივთიერების კონცენტრაციისა და სისქის გასაზომად.

ჰიუგენს-ფრენელის პრინციპი.ჰაიგენსის აზრით, საშუალო ტალღის თითოეული წერტილი, რომელსაც პირველადი ტალღა აღწევს მოცემულ მომენტში, არის მეორადი ტალღების წყარო. ფრენელმა დახვეწა ჰაიგენსის ეს პოზიცია იმით, რომ მეორადი ტალღები თანმიმდევრულია, ე.ი. როდესაც ზედმიწევნით, ისინი მისცემს სტაბილურ ჩარევის ნიმუშს.

სინათლის დიფრაქცია.სინათლის დიფრაქცია არის სინათლის სწორხაზოვანი გავრცელებისგან გადახრის ფენომენი.

დიფრაქცია პარალელურ სხივებში ერთი ჭრილიდან.დაუშვით სამიზნე ფართოდ in მონოქრომატული სინათლის პარალელური სხივი ეცემა (იხ. სურ. 3):

სხივების გზაზე დამონტაჟებულია ლინზა ლ , რომლის ფოკუსურ სიბრტყეში მდებარეობს ეკრანი ე . სხივების უმეტესობა არ დიფრაქციულია; არ შეცვალოთ მათი მიმართულება და ისინი ფოკუსირებულია ობიექტივის მიერ ლ ეკრანის ცენტრში, რომელიც ქმნის ცენტრალურ მაქსიმუმს ან ნულოვანი რიგის მაქსიმუმს. სხივები დიფრაქციული თანაბარი დიფრაქციული კუთხით φ , ეკრანზე შექმნის მაქსიმუმებს 1,2,3,…, ნ - ბრძანებებს.

ამრიგად, დიფრაქციული ნიმუში, რომელიც მიიღება პარალელური სხივების ერთი ჭრილიდან მონოქრომატული შუქით განათებისას არის კაშკაშა ზოლი, მაქსიმალური განათებით ეკრანის ცენტრში, შემდეგ მოდის მუქი ზოლი (მინიმუმ 1-ლი რიგის), შემდეგ მოდის ნათელი ზოლი ( 1-ლი რიგის მაქსიმუმი). შეკვეთა), მუქი ზოლი (მინიმუმი მე-2 რიგის), მაქსიმუმ მე-2 რიგის და ა.შ. დიფრაქციის ნიმუში სიმეტრიულია ცენტრალურ მაქსიმუმთან მიმართებაში. როდესაც ჭრილი განათებულია თეთრი შუქით, ეკრანზე იქმნება ფერადი ზოლების სისტემა, მხოლოდ ცენტრალური მაქსიმუმი შეინარჩუნებს ინციდენტის სინათლის ფერს.

პირობები მაქსდა წთდიფრაქცია.თუ ოპტიკურ გზაზე განსხვავებაში Δ მოერგოს კენტი რაოდენობის სეგმენტების ტოლს, მაშინ იზრდება სინათლის ინტენსივობა ( მაქს დიფრაქცია):

სადაც კ არის მაქსიმუმის რიგი; კ =±1,±2,±…,± n;

λ არის ტალღის სიგრძე.

თუ ოპტიკურ გზაზე განსხვავებაში Δ მოერგოს ლუწი რაოდენობის სეგმენტებს, რის შემდეგაც ხდება სინათლის ინტენსივობის შესუსტება ( წთ დიფრაქცია):

სადაც კ არის მინიმუმის რიგი.

დიფრაქციული ბადე.დიფრაქციული ბადე შედგება მონაცვლეობითი ზოლებისაგან, რომლებიც გაუმჭვირვალეა სინათლის გავლისთვის ზოლებით (ნაპრალები) გამჭვირვალე სინათლის მიმართ თანაბარი სიგანით.

დიფრაქციული ბადეების მთავარი მახასიათებელი მისი პერიოდია დ . დიფრაქციული ბადეების პერიოდი არის გამჭვირვალე და გაუმჭვირვალე ზოლების მთლიანი სიგანე:

დიფრაქციული ბადე გამოიყენება ოპტიკურ ინსტრუმენტებში ინსტრუმენტის გარჩევადობის გასაუმჯობესებლად. დიფრაქციული ბადეების გარჩევადობა დამოკიდებულია სპექტრის მიმდევრობაზე კ და დარტყმების რაოდენობაზე ნ :

სადაც რ - გარჩევადობა.

დიფრაქციული ბადეების ფორმულის წარმოშობა.მოდით მივმართოთ ორი პარალელური სხივი, 1 და 2, დიფრაქციულ ბადეზე ისე, რომ მათ შორის მანძილი ტოლი იყოს გახეხვის პერიოდისა. დ .

წერტილებზე მაგრამ და AT 1 და 2 სხივები დიფრაქციულია, გადახრილი მართკუთხა მიმართულებიდან კუთხით φ არის დიფრაქციის კუთხე.

სხივები და ფოკუსირებული ლინზებით ლ ეკრანზე, რომელიც მდებარეობს ლინზის ფოკუსურ სიბრტყეში (სურ. 5). ბადეების თითოეული ჭრილი შეიძლება ჩაითვალოს მეორადი ტალღების წყაროდ (ჰაიგენს-ფრენელის პრინციპი). ეკრანზე D წერტილში, ჩვენ ვაკვირდებით ჩარევის ნიმუშის მაქსიმუმს.

წერტილიდან მაგრამ სხივის გზაზე ჩამოაგდეთ პერპენდიკულარი და მიიღეთ C წერტილი. განიხილეთ სამკუთხედი ABC : მართკუთხა სამკუთხედი РВАС=Рф როგორც კუთხეები ორმხრივი პერპენდიკულარული გვერდებით. დან Δ ABC:

სადაც AB=d (მშენებლობით),

SW = ∆ არის ოპტიკური ბილიკის განსხვავება.

ვინაიდან D წერტილში ჩვენ ვაკვირდებით მაქსიმალურ ჩარევას, მაშინ

სადაც კ არის მაქსიმუმის რიგი,

λ არის სინათლის ტალღის სიგრძე.

ღირებულებების შეერთება AB=d, ფორმულაში შევიდა sinφ :

აქედან ვიღებთ:

ზოგადად, დიფრაქციული ბადეების ფორმულას აქვს ფორმა:

± ნიშნები აჩვენებს, რომ ეკრანზე ჩარევის ნიმუში სიმეტრიულია ცენტრალურ მაქსიმუმთან მიმართებაში.

ჰოლოგრაფიის ფიზიკური საფუძვლები.ჰოლოგრაფია არის ტალღის ველის ჩაწერისა და რეკონსტრუქციის მეთოდი, რომელიც ეფუძნება ტალღის დიფრაქციისა და ჩარევის ფენომენებს. თუ რეგულარულ ფოტოზე ფიქსირდება მხოლოდ ობიექტიდან ასახული ტალღების ინტენსივობა, მაშინ ტალღების ფაზები დამატებით იწერება ჰოლოგრამაზე, რაც დამატებით ინფორმაციას იძლევა ობიექტის შესახებ და შესაძლებელს ხდის სამგანზომილებიანი გამოსახულების მიღებას. ობიექტი.