A lei da refração da luz. Índices absolutos e relativos (coeficientes) de refração. Reflexão interna total

Lei da refração da luz foi estabelecida empiricamente no século XVII. Quando a luz passa de um meio transparente para outro, a direção da luz pode mudar. Mudar a direção da luz no limite de diferentes meios é chamado de refração da luz. A onisciência da refração é uma mudança aparente na forma de um objeto. (exemplo: uma colher em um copo de água). A lei da refração da luz: No limite de dois meios, o feixe refratado encontra-se no plano de incidência e forma, com a normal à interface restaurada no ponto de incidência, um ângulo de refração tal que: = n 1- queda, 2 reflexões, índice n-refrativo (f. Snelius) - indicador relativo O índice de refração de um feixe incidente em um meio do espaço sem ar é chamado de índice absoluto de refração. O ângulo de incidência no qual o feixe refratado começa a deslizar ao longo da interface entre dois meios sem transição para um meio opticamente mais denso - ângulo limite da reflexão interna total. Reflexão interna total- reflexão interna, desde que o ângulo de incidência exceda um determinado ângulo crítico. Nesse caso, a onda incidente é totalmente refletida e o valor do coeficiente de reflexão excede seus valores mais altos para superfícies polidas. O coeficiente de reflexão para a reflexão interna total não depende do comprimento de onda. Em óptica, esse fenômeno é observado para um amplo espectro de radiação eletromagnética, incluindo a faixa de raios-X. Na óptica geométrica, o fenômeno é explicado em termos da lei de Snell. Considerando que o ângulo de refração não pode ultrapassar 90°, obtemos que em um ângulo de incidência cujo seno é maior que a razão do menor índice de refração para o maior, a onda eletromagnética deve ser totalmente refletida no primeiro meio. Exemplo: O brilho brilhante de muitos cristais naturais, e especialmente pedras preciosas e semipreciosas facetadas, é explicado pela reflexão interna total, em que cada raio que entra no cristal forma um grande número de raios bastante brilhantes que saem, coloridos como resultado da dispersão.

INDICADOR REFRATIVO(índice de refração) - óptico. característica ambiental associada a refração da luz na interface entre dois meios transparentes opticamente homogêneos e isotrópicos durante sua transição de um meio para outro e devido à diferença nas velocidades de fase da propagação da luz no meio. O valor de P. p., igual à razão dessas velocidades. relativo

P. p. desses ambientes. Se a luz incide no segundo ou primeiro meio de (onde a velocidade de propagação da luz Com), então as quantidades são P.p. absoluto desses ambientes. Nesse caso, a lei da refração pode ser escrita na forma onde e são os ângulos de incidência e refração.

A magnitude do P. p. absoluto depende da natureza e estrutura da substância, seu estado de agregação, temperatura, pressão, etc. Em altas intensidades, o p. p. depende da intensidade da luz (ver. óptica não linear). Em várias substâncias, P. p. muda sob a influência do externo. elétrico Campos ( efeito Kerr- em líquidos e gases; eletro-óptico efeito de bolso- em cristais).

Para um determinado meio, a banda de absorção depende do comprimento de onda l da luz, e na região das bandas de absorção essa dependência é anômala (ver Fig. dispersão de luz). Para quase todos os meios, a banda de absorção é próxima de 1, na região visível para líquidos e sólidos é cerca de 1,5; na região IR para um número de mídia transparente 4.0 (para Ge).

Eles são caracterizados por dois fenômenos paramétricos: ordinário (semelhante aos meios isotrópicos) e extraordinário, cuja magnitude depende do ângulo de incidência do feixe e, consequentemente, da direção de propagação da luz no meio (ver Fig. óptica de cristal). Para meios com absorção (em particular, para metais), o coeficiente de absorção é uma quantidade complexa e pode ser representado como onde n é o coeficiente de absorção usual, é o índice de absorção (ver. Absorção de luz, óptica de metal).

P. p. é macroscópico. característico do meio ambiente e está associado ao seu permissividade n magn. permeabilidade Clássico teoria eletrônica (cf. dispersão de luz) permite associar o valor de P. p. com microscópico. características do ambiente - eletrônica polarizabilidadeátomo (ou molécula) dependendo da natureza dos átomos e da frequência da luz, e do meio: onde Né o número de átomos por unidade de volume. Atuando sobre um átomo (molécula) elétrico. campo da onda de luz causa um deslocamento do óptico. um elétron de uma posição de equilíbrio; o átomo se torna induzido. momento dipolo mudando no tempo com a frequência da luz incidente, e é uma fonte de ondas secundárias coerentes, to-rye. interferindo na onda incidente no meio, eles formam a onda de luz resultante que se propaga no meio com velocidade de fase e, portanto,

A intensidade das fontes de luz convencionais (não laser) é relativamente baixa; o campo de uma onda de luz agindo sobre um átomo é muito menor do que a elétrica intraatômica. campos, e um elétron em um átomo pode ser considerado como harmônico. oscilador. Nesta aproximação, o valor de e P. p.

São valores constantes (em uma determinada frequência), independente da intensidade da luz. Em intensos fluxos de luz criados por poderosos lasers, a magnitude do elétrico. o campo de uma onda de luz pode ser proporcional à riqueza elétrica intraatômica. campos e o modelo de harmonia, o oscilador acaba por ser inaceitável. Levar em conta a anarmonicidade das forças no sistema elétron-átomo leva à dependência da polarizabilidade do átomo e, portanto, do coeficiente de polarização da intensidade da luz. A conexão entre e acaba sendo não linear; P. p. pode ser representado na forma

Onde - P. p. em baixas intensidades de luz; (designação geralmente aceita) - uma adição não linear ao P. p., ou coeficiente. Não-linearidade. P. p. depende da natureza do ambiente, por exemplo. para vidro de silicato

P. p. também é afetado por alta intensidade como resultado do efeito eletrostrição, alterando a densidade do meio, alta frequência para moléculas anisotrópicas (em um líquido), bem como resultado de um aumento de temperatura causado pela absorção

As leis da física desempenham um papel muito importante na realização de cálculos para o planejamento de uma estratégia específica para a produção de qualquer produto ou na elaboração de um projeto de construção de estruturas para diversos fins. Muitos valores são calculados, então medições e cálculos são feitos antes de iniciar o trabalho de planejamento. Por exemplo, o índice de refração do vidro é igual à razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração.

Portanto, primeiro há um processo de medição de ângulos, depois o seno deles é calculado e só então você pode obter o valor desejado. Apesar da disponibilidade de dados tabulares, vale a pena realizar cálculos adicionais a cada vez, pois os livros de referência costumam usar condições ideais que são quase impossíveis de alcançar na vida real. Portanto, na realidade, o indicador necessariamente será diferente do tabular e, em algumas situações, isso é de fundamental importância.

Indicador absoluto

O índice de refração absoluto depende da marca do vidro, pois na prática existe um grande número de opções que diferem na composição e no grau de transparência. Em média, é 1,5 e flutua em torno desse valor em 0,2 em uma direção ou outra. Em casos raros, pode haver desvios deste valor.

Novamente, se um indicador exato é importante, medições adicionais são indispensáveis. Mas mesmo eles não dão um resultado 100% confiável, pois a posição do sol no céu e a nebulosidade no dia das medições afetarão o valor final. Felizmente, em 99,99% dos casos, basta saber que o índice de refração de um material como o vidro é maior que um e menor que dois, e todos os outros décimos e centésimos não desempenham um papel.

Em fóruns que ajudam a resolver problemas de física, muitas vezes surge a pergunta: qual é o índice de refração do vidro e do diamante? Muitas pessoas pensam que, como essas duas substâncias são semelhantes na aparência, suas propriedades devem ser aproximadamente as mesmas. Mas isso é uma ilusão.

A refração máxima para o vidro será em torno de 1,7, enquanto para o diamante esse valor chega a 2,42. Essa gema é um dos poucos materiais da Terra cujo índice de refração supera 2. Isso se deve à sua estrutura cristalina e à grande dispersão dos raios de luz. O facetamento desempenha um papel mínimo nas alterações no valor da tabela.

indicador relativo

O indicador relativo para alguns ambientes pode ser caracterizado da seguinte forma:

• - o índice de refração do vidro em relação à água é de aproximadamente 1,18;
• - o índice de refração do mesmo material em relação ao ar é igual a 1,5;
• - índice de refração relativo ao álcool - 1.1.

A medição do indicador e o cálculo do valor relativo são realizados de acordo com um algoritmo bem conhecido. Para encontrar um parâmetro relativo, você precisa dividir um valor de tabela por outro. Ou faça cálculos experimentais para dois ambientes e depois divida os dados obtidos. Tais operações são frequentemente realizadas em aulas de laboratório de física.

Determinação do índice de refração

É bastante difícil determinar o índice de refração do vidro na prática, porque são necessários instrumentos de alta precisão para medir os dados iniciais. Qualquer erro aumentará, pois o cálculo usa fórmulas complexas que exigem a ausência de erros.

Em geral, esse coeficiente mostra quantas vezes a velocidade de propagação dos raios de luz diminui ao passar por um determinado obstáculo. Portanto, é típico apenas para materiais transparentes. Para o valor de referência, ou seja, para a unidade, é considerado o índice de refração dos gases. Isso foi feito para poder partir de algum valor nos cálculos.

Se um raio de sol incide sobre uma superfície de vidro com um índice de refração igual ao valor da tabela, ele pode ser alterado de várias maneiras:

• 1. Cole um filme por cima, no qual o índice de refração será maior que o do vidro. Este princípio é utilizado na coloração de vidros de carros para melhorar o conforto do passageiro e permitir que o motorista veja a estrada com mais clareza. Além disso, o filme irá reter e radiação ultravioleta.
• 2. Pinte o vidro com tinta. Isso é o que os fabricantes de óculos de sol baratos fazem, mas saiba que isso pode ser prejudicial à sua visão. Em bons modelos, os óculos são imediatamente produzidos coloridos usando uma tecnologia especial.
• 3. Mergulhe o copo em algum líquido. Isso só é útil para experimentos.

Se o feixe de luz passa do vidro, o índice de refração no próximo material é calculado usando o coeficiente relativo, que pode ser obtido comparando os valores tabulares entre si. Esses cálculos são muito importantes no projeto de sistemas ópticos que carregam uma carga prática ou experimental. Erros não são permitidos aqui, porque eles causarão o mau funcionamento de todo o dispositivo e todos os dados recebidos com ele serão inúteis.

Para determinar a velocidade da luz no vidro com índice de refração, é necessário dividir o valor absoluto da velocidade no vácuo pelo índice de refração. O vácuo é usado como meio de referência, porque a refração não atua ali devido à ausência de substâncias que possam interferir no movimento desimpedido dos raios de luz ao longo de uma determinada trajetória.

Em quaisquer indicadores calculados, a velocidade será menor que no meio de referência, pois o índice de refração é sempre maior que um.

refração da luz- um fenômeno no qual um feixe de luz, passando de um meio para outro, muda de direção no limite desses meios.

A refração da luz ocorre de acordo com a seguinte lei:
Os raios incidente e refratado e a perpendicular traçada para a interface entre dois meios no ponto de incidência do feixe estão no mesmo plano. A razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é um valor constante para dois meios:
,
Onde α - ângulo de incidência,
β - ângulo de refração
n - um valor constante independente do ângulo de incidência.

Quando o ângulo de incidência muda, o ângulo de refração também muda. Quanto maior o ângulo de incidência, maior o ângulo de refração.
Se a luz passa de um meio opticamente menos denso para um meio mais denso, então o ângulo de refração é sempre menor que o ângulo de incidência: β < α.
Um feixe de luz direcionado perpendicularmente à interface entre dois meios passa de um meio para outro sem quebrar.

índice de refração absoluto de uma substância- um valor igual à razão das velocidades de fase da luz (ondas eletromagnéticas) no vácuo e em um determinado meio n=c/v
O valor n incluído na lei da refração é chamado de índice de refração relativo para um par de meios.

O valor n é o índice de refração relativo do meio B em relação ao meio A, e n" = 1/n é o índice de refração relativo do meio A em relação ao meio B.
Este valor, ceteris paribus, é maior que a unidade quando o feixe passa de um meio mais denso para um meio menos denso, e menor que a unidade quando o feixe passa de um meio menos denso para um meio mais denso (por exemplo, de um gás ou de vácuo para um líquido ou sólido). Existem exceções a essa regra e, portanto, costuma-se chamar um meio opticamente mais ou menos denso do que outro.
Um raio que cai do espaço sem ar na superfície de algum meio B é refratado mais fortemente do que quando cai sobre ele de outro meio A; O índice de refração de um raio incidente em um meio do espaço sem ar é chamado de índice de refração absoluto.

(Absoluto - relativo ao vácuo.
Relativo - relativo a qualquer outra substância (o mesmo ar, por exemplo).
O índice relativo de duas substâncias é a razão de seus índices absolutos.)

Reflexão interna total- reflexão interna, desde que o ângulo de incidência exceda um determinado ângulo crítico. Nesse caso, a onda incidente é totalmente refletida e o valor do coeficiente de reflexão excede seus valores mais altos para superfícies polidas. O coeficiente de reflexão para a reflexão interna total não depende do comprimento de onda.

Em óptica, esse fenômeno é observado para um amplo espectro de radiação eletromagnética, incluindo a faixa de raios-X.

Na óptica geométrica, o fenômeno é explicado em termos da lei de Snell. Considerando que o ângulo de refração não pode exceder 90°, obtemos que em um ângulo de incidência cujo seno é maior que a razão do menor índice de refração para o maior índice, a onda eletromagnética deve ser completamente refletida no primeiro meio.

De acordo com a teoria ondulatória do fenômeno, a onda eletromagnética ainda penetra no segundo meio - a chamada “onda não uniforme” se propaga ali, que decai exponencialmente e não carrega energia com ela. A profundidade característica de penetração de uma onda não homogênea no segundo meio é da ordem do comprimento de onda.

Leis da refração da luz.

De tudo o que foi dito, concluímos:
1 . Na interface entre dois meios de diferentes densidades ópticas, um feixe de luz muda sua direção ao passar de um meio para outro.
2. Quando um feixe de luz passa por um meio com maior densidade óptica, o ângulo de refração é menor que o ângulo de incidência; quando um feixe de luz passa de um meio opticamente mais denso para um meio menos denso, o ângulo de refração é maior que o ângulo de incidência.
A refração da luz é acompanhada pela reflexão e, com o aumento do ângulo de incidência, o brilho do feixe refletido aumenta, enquanto o refratado enfraquece. Isso pode ser visto realizando o experimento mostrado na figura. Conseqüentemente, o feixe refletido carrega consigo quanto mais energia luminosa, maior o ângulo de incidência.

Deixar MN- a interface entre dois meios transparentes, por exemplo, ar e água, JSC- viga caindo OV- feixe refratado, - ângulo de incidência, - ângulo de refração, - velocidade de propagação da luz no primeiro meio, - velocidade de propagação da luz no segundo meio.

A refração ou refração é um fenômeno no qual ocorre uma mudança na direção de um feixe de luz, ou outras ondas, quando cruzam a fronteira que separa dois meios, ambos transparentes (transmitindo essas ondas) e dentro de um meio cujas propriedades estão mudando continuamente .

Encontramos o fenômeno da refração com bastante frequência e o percebemos como um fenômeno comum: podemos ver que um bastão localizado em um vidro transparente com um líquido colorido é “quebrado” no ponto em que o ar e a água se separam (Fig. 1). Quando a luz é refratada e refletida durante a chuva, nos alegramos quando vemos um arco-íris (Fig. 2).

O índice de refração é uma característica importante de uma substância relacionada às suas propriedades físico-químicas. Depende dos valores de temperatura, bem como do comprimento de onda das ondas de luz em que a determinação é realizada. De acordo com os dados de controle de qualidade em uma solução, o índice de refração é afetado pela concentração da substância nela dissolvida, bem como pela natureza do solvente. Em particular, o índice de refração do soro sanguíneo é afetado pela quantidade de proteína contida nele. Isso se deve ao fato de que em diferentes velocidades de propagação dos raios de luz em meios com densidades diferentes, sua direção muda na interface entre dois meios . Se dividirmos a velocidade da luz no vácuo pela velocidade da luz na substância em estudo, obtemos o índice de refração absoluto (índice de refração). Na prática, determina-se o índice de refração relativo (n), que é a razão entre a velocidade da luz no ar e a velocidade da luz na substância em estudo.

O índice de refração é quantificado usando um dispositivo especial - um refratômetro.

A refratometria é um dos métodos mais fáceis de análise física e pode ser usada em laboratórios de controle de qualidade na produção de produtos químicos, alimentos, suplementos alimentares biologicamente ativos, cosméticos e outros tipos de produtos com o mínimo de tempo e número de amostras a serem testadas.

O design do refratômetro é baseado no fato de que os raios de luz são completamente refletidos quando passam pelo limite de dois meios (um deles é um prisma de vidro, o outro é a solução de teste) (Fig. 3).

Arroz. 3. Esquema do refratômetro

Da fonte (1), o feixe de luz incide na superfície do espelho (2), depois, sendo refletido, passa para o prisma de iluminação superior (3) e depois para o prisma de medição inferior (4), que é feito de vidro com alto índice de refração. Entre os prismas (3) e (4) 1–2 gotas da amostra são aplicadas usando um capilar. Para não causar danos mecânicos ao prisma, é necessário não tocar sua superfície com um capilar.

A ocular (9) vê um campo com linhas cruzadas para definir a interface. Ao mover a ocular, o ponto de interseção dos campos deve estar alinhado com a interface (Fig. 4) O plano do prisma (4) faz o papel da interface, em cuja superfície o feixe de luz é refratado. Como os raios estão dispersos, a borda da luz e da sombra fica borrada, iridescente. Este fenômeno é eliminado pelo compensador de dispersão (5). Em seguida, o feixe é passado através da lente (6) e do prisma (7). Na placa (8) encontram-se os traços de mira (duas retas cruzadas transversalmente), bem como uma escala com índices de refração, que se observa na ocular (9). É usado para calcular o índice de refração.

A linha divisória dos limites do campo corresponderá ao ângulo de reflexão interna total, que depende do índice de refração da amostra.

A refratometria é usada para determinar a pureza e a autenticidade de uma substância. Este método também é usado para determinar a concentração de substâncias em soluções durante o controle de qualidade, que é calculado a partir de um gráfico de calibração (um gráfico que mostra a dependência do índice de refração de uma amostra de sua concentração).

Na KorolevPharm, o índice de refração é determinado de acordo com a documentação regulamentar aprovada durante o controle de entrada de matérias-primas, em extratos de nossa própria produção, bem como na produção de produtos acabados. A determinação é feita por funcionários qualificados de um laboratório físico e químico credenciado usando um refratômetro IRF-454 B2M.

Se, com base nos resultados do controle de entrada de matérias-primas, o índice de refração não atender aos requisitos necessários, o departamento de controle de qualidade elabora um Ato de Não Conformidade, com base no qual esse lote de matérias-primas é devolvido ao o fornecedor.

Método de determinação

1. Antes de iniciar as medições, é verificada a limpeza das superfícies dos prismas em contato entre si.

2. Verificação do ponto zero. Aplicamos 2÷3 gotas de água destilada na superfície do prisma de medição, fechando-o cuidadosamente com um prisma iluminador. Abra a janela de iluminação e, usando um espelho, defina a fonte de luz na direção mais intensa. Girando os parafusos da ocular, obtemos uma distinção clara e nítida entre campos escuros e claros em seu campo de visão. Giramos o parafuso e direcionamos a linha de sombra e luz para que coincida com o ponto em que as linhas se cruzam na janela superior da ocular. Na linha vertical da janela inferior da ocular, vemos o resultado desejado - o índice de refração da água destilada a 20 ° C (1,333). Se as leituras forem diferentes, coloque o parafuso no índice de refração em 1,333 e, com o auxílio de uma chave (retire o parafuso de ajuste), trazemos a borda da sombra e da luz até o ponto de interseção das linhas.

3. Determine o índice de refração. Eleve a câmara de iluminação do prisma e retire a água com papel filtro ou guardanapo de gaze. Em seguida, aplique 1-2 gotas da solução de teste na superfície do prisma de medição e feche a câmara. Giramos os parafusos até que as bordas da sombra e da luz coincidam com o ponto de interseção das linhas. Na linha vertical na janela inferior da ocular, vemos o resultado desejado - o índice de refração da amostra de teste. Calculamos o índice de refração na escala na janela inferior da ocular.

4. Usando o gráfico de calibração, estabelecemos a relação entre a concentração da solução e o índice de refração. Para construir um gráfico, é necessário preparar soluções padrão de várias concentrações usando preparações de substâncias quimicamente puras, medir seus índices de refração e plotar os valores obtidos no eixo das ordenadas e plotar as concentrações correspondentes das soluções no eixo das abcissas. É necessário escolher os intervalos de concentração nos quais se observa uma relação linear entre a concentração e o índice de refração. Medimos o índice de refração da amostra de teste e usamos o gráfico para determinar sua concentração.