Ao resolver problemas em óptica, muitas vezes é necessário conhecer o índice de refração do vidro, da água ou de outra substância. Além disso, em diferentes situações, tanto valores absolutos quanto relativos dessa quantidade podem estar envolvidos.

Dois tipos de índice de refração

Primeiro, sobre o que este número mostra: como este ou aquele meio transparente muda a direção da propagação da luz. Além disso, uma onda eletromagnética pode vir do vácuo, e então o índice de refração do vidro ou de outra substância será chamado de absoluto. Na maioria dos casos, seu valor fica entre 1 e 2. Apenas em casos muito raros o índice de refração é maior que dois.

Se na frente do objeto há um meio mais denso que o vácuo, fala-se de um valor relativo. E é calculado como a razão de dois valores absolutos. Por exemplo, o índice de refração relativo do vidro d'água será igual ao quociente de valores absolutos para vidro e água.

Em qualquer caso, é indicado pela letra latina "en" - n. Esse valor é obtido dividindo-se os valores de um mesmo nome, portanto, é simplesmente um coeficiente que não possui nome.

Qual é a fórmula para calcular o índice de refração?

Se tomarmos o ângulo de incidência como “alfa” e designarmos o ângulo de refração como “beta”, a fórmula para o valor absoluto do índice de refração fica assim: n = sen α / sen β. Na literatura de língua inglesa, muitas vezes você pode encontrar uma designação diferente. Quando o ângulo de incidência é i, e o ângulo de refração é r.

Existe outra fórmula para calcular o índice de refração da luz em vidro e outros meios transparentes. Está relacionado com a velocidade da luz no vácuo e com ela, mas já na substância em consideração.

Então fica assim: n = c/νλ. Aqui c é a velocidade da luz no vácuo, ν é sua velocidade em um meio transparente e λ é o comprimento de onda.

De que depende o índice de refração?

É determinado pela velocidade com que a luz se propaga no meio em consideração. O ar, a esse respeito, está muito próximo do vácuo, de modo que as ondas de luz se propagam nele praticamente não se desviam de sua direção original. Portanto, se o índice de refração do vidro-ar ou de alguma outra substância adjacente ao ar for determinado, então este último é considerado condicionalmente como vácuo.

Qualquer outro meio tem suas próprias características. Eles têm densidades diferentes, têm temperatura própria e tensões elásticas. Tudo isso afeta o resultado da refração da luz por uma substância.

Nem o menor papel na mudança da direção da propagação das ondas é desempenhado pelas características da luz. A luz branca é composta de muitas cores, do vermelho ao roxo. Cada parte do espectro é refratada à sua maneira. Além disso, o valor do indicador para a onda da parte vermelha do espectro será sempre menor que o do resto. Por exemplo, o índice de refração do vidro TF-1 varia de 1,6421 a 1,67298, respectivamente, da parte vermelha à violeta do espectro.

Valores de exemplo para diferentes substâncias

Aqui estão os valores de valores absolutos, ou seja, o índice de refração quando um feixe passa do vácuo (que é equivalente ao ar) através de outra substância.

Esses números serão necessários se for necessário determinar o índice de refração do vidro em relação a outros meios.

Que outras grandezas são usadas na resolução de problemas?

Reflexão completa. Ocorre quando a luz passa de um meio mais denso para um menos denso. Aqui, em um certo valor do ângulo de incidência, a refração ocorre em um ângulo reto. Ou seja, o feixe desliza ao longo do limite de dois meios.

O ângulo limite de reflexão total é o seu valor mínimo no qual a luz não escapa para um meio menos denso. Menos do que isso - ocorre refração e mais - reflexão no mesmo meio do qual a luz se moveu.

Tarefa nº 1

Doença. O índice de refração do vidro é 1,52. É necessário determinar o ângulo limite em que a luz é completamente refletida da interface entre as superfícies: vidro com ar, água com ar, vidro com água.

Você precisará usar os dados do índice de refração para a água fornecidos na tabela. É tomado igual à unidade para o ar.

A solução em todos os três casos é reduzida a cálculos usando a fórmula:

sin α 0 / sin β = n 1 / n 2, onde n 2 refere-se ao meio a partir do qual a luz se propaga e n 1 onde ela penetra.

A letra α 0 denota o ângulo limite. O valor do ângulo β é de 90 graus. Ou seja, seu seno será a unidade.

Para o primeiro caso: sen α 0 = 1 /n vidro, então o ângulo limite é igual ao arco-seno de 1 /n vidro. 1/1,52 = 0,6579. O ângulo é 41,14º.

No segundo caso, ao determinar o arco seno, você precisa substituir o valor do índice de refração da água. A fração 1 / n de água terá o valor 1 / 1,33 \u003d 0, 7519. Este é o arco-seno do ângulo 48,75º.

O terceiro caso é descrito pela razão de n água e n vidro. O arcsine precisará ser calculado para a fração: 1,33 / 1,52, ou seja, o número 0,875. Encontramos o valor do ângulo limite pelo seu arco-seno: 61,05º.

Resposta: 41,14º, 48,75º, 61,05º.

Tarefa nº 2

Doença. Um prisma de vidro é imerso em um recipiente cheio de água. Seu índice de refração é 1,5. O prisma é baseado em um triângulo retângulo. A perna maior está localizada perpendicular ao fundo e a segunda é paralela a ela. Um raio de luz incide normalmente na face superior de um prisma. Qual deve ser o menor ângulo entre a perna horizontal e a hipotenusa para que a luz atinja a perna perpendicular ao fundo do vaso e saia do prisma?

Para que o feixe saia do prisma da maneira descrita, ele deve cair em um ângulo limite na face interna (aquela que é a hipotenusa do triângulo na seção do prisma). Por construção, esse ângulo limite acaba sendo igual ao ângulo necessário de um triângulo retângulo. Da lei da refração da luz, verifica-se que o seno do ângulo limite, dividido pelo seno de 90 graus, é igual à razão de dois índices de refração: água para vidro.

Cálculos levam a tal valor para o ângulo limite: 62º30´.

PARA FALAR №24

"MÉTODOS INSTRUMENTAIS DE ANÁLISE"

REFRACTOMETRIA.

Literatura:

1. DV Ponomarev "Química Analítica" 1983 246-251

2. A.A. Ishchenko "Química Analítica" 2004 pp 181-184

REFRACTOMETRIA.

A refratometria é um dos métodos físicos de análise mais simples, requer uma quantidade mínima de analito e é realizada em um tempo muito curto.

Refratometria- um método baseado no fenômeno de refração ou refração, ou seja, mudança na direção de propagação da luz ao passar de um meio para outro.

A refração, assim como a absorção da luz, é consequência de sua interação com o meio. A palavra refratometria significa medição refração da luz, que é estimada pelo valor do índice de refração.

Valor do índice de refração n depende

1) sobre a composição de substâncias e sistemas,

2) de em que concentração e quais moléculas o feixe de luz encontra em seu caminho, porque Sob a ação da luz, as moléculas de diferentes substâncias são polarizadas de diferentes maneiras. É nesta dependência que se baseia o método refractométrico.

Este método tem uma série de vantagens, pelo que encontrou ampla aplicação tanto na pesquisa química quanto no controle de processos tecnológicos.

1) A medição dos índices de refração é um processo muito simples que é realizado com precisão e com um investimento mínimo de tempo e quantidade de substância.

2) Normalmente, os refratômetros fornecem até 10% de precisão na determinação do índice de refração da luz e do conteúdo do analito

O método de refratometria é usado para controlar a autenticidade e pureza, identificar substâncias individuais, determinar a estrutura de compostos orgânicos e inorgânicos no estudo de soluções. A refratometria é usada para determinar a composição de soluções de dois componentes e para sistemas ternários.

Base física do método

INDICADOR REFRATIVO.

O desvio de um feixe de luz de sua direção original durante sua transição de um meio para outro é tanto maior quanto maior for a diferença nas velocidades de propagação da luz em dois meios.

esses ambientes.

Considere a refração de um feixe de luz na fronteira de quaisquer dois meios transparentes I e II (veja a Fig.). Vamos concordar que o meio II tem um poder de refração maior e, portanto, n 1 e nº 2- mostra a refração da mídia correspondente. Se o meio I não for vácuo nem ar, então a razão sen do ângulo de incidência do feixe de luz para sen do ângulo de refração dará o valor do índice de refração relativo n rel. O valor de n rel. também pode ser definida como a razão dos índices de refração do meio em consideração.

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

O valor do índice de refração depende

1) a natureza das substâncias

A natureza de uma substância neste caso é determinada pelo grau de deformabilidade de suas moléculas sob a ação da luz - o grau de polarização. Quanto mais intensa a polarizabilidade, mais forte a refração da luz.

2)comprimento de onda da luz incidente

A medição do índice de refração é realizada em um comprimento de onda de luz de 589,3 nm (linha D do espectro de sódio).

A dependência do índice de refração no comprimento de onda da luz é chamada de dispersão. Quanto menor o comprimento de onda, maior a refração. Portanto, raios de diferentes comprimentos de onda são refratados de maneira diferente.

3)temperatura em que a medição é feita. Um pré-requisito para determinar o índice de refração é a conformidade com o regime de temperatura. Normalmente a determinação é realizada em 20±0,3 0 С.

À medida que a temperatura aumenta, o índice de refração diminui e, à medida que a temperatura diminui, aumenta..

A correção de temperatura é calculada usando a seguinte fórmula:

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

n - tchau índice de refração a uma determinada temperatura,

n 20 - índice de refração a 20 0 C

O efeito da temperatura nos valores dos índices de refração de gases e líquidos está relacionado aos valores de seus coeficientes de expansão volumétrica. O volume de todos os gases e líquidos aumenta quando aquecidos, a densidade diminui e, consequentemente, o indicador diminui

O índice de refração, medido a 20 0 C e um comprimento de onda de luz de 589,3 nm, é indicado pelo índice n D 20

A dependência do índice de refração de um sistema homogêneo de dois componentes em seu estado é estabelecida experimentalmente pela determinação do índice de refração para vários sistemas padrão (por exemplo, soluções), cujo conteúdo de componentes é conhecido.

4) a concentração de uma substância em uma solução.

Para muitas soluções aquosas de substâncias, os índices de refração em diferentes concentrações e temperaturas foram medidos de forma confiável e, nesses casos, os dados de referência podem ser usados. tabelas refractométricas. A prática mostra que quando o conteúdo da substância dissolvida não excede 10-20%, juntamente com o método gráfico, em muitos casos é possível usar equação linear como:

n=n o +FC,

n-índice de refração da solução,

nãoé o índice de refração do solvente puro,

C- concentração da substância dissolvida,%

F-coeficiente empírico, cujo valor é encontrado

determinando os índices de refração de soluções de concentração conhecida.

REFRACTÔMETRO.

Os refratômetros são dispositivos usados ​​para medir o índice de refração. Existem 2 tipos desses instrumentos: refratômetro tipo Abbe e tipo Pulfrich. Tanto nesses como em outros, as medidas são baseadas na determinação da magnitude do ângulo limite de refração. Na prática, são utilizados refratômetros de vários sistemas: laboratório-RL, RLU universal, etc.

O índice de refração da água destilada n 0 \u003d 1,33299, na prática, este indicador toma como referência n 0 =1,333.

O princípio de operação dos refratômetros é baseado na determinação do índice de refração pelo método do ângulo limite (o ângulo de reflexão total da luz).

refratômetro manual

Refratômetro Abbe

Bilhete 75.

Lei da reflexão da luz: os feixes incidente e refletido, bem como a perpendicular à interface entre dois meios, restaurada no ponto de incidência do feixe, situam-se no mesmo plano (o plano de incidência). O ângulo de reflexão γ é igual ao ângulo de incidência α.

Lei da refração da luz: os raios incidente e refratado, bem como a perpendicular à interface entre dois meios, restaurados no ponto de incidência do raio, estão no mesmo plano. A razão do seno do ângulo de incidência α para o seno do ângulo de refração β é um valor constante para dois meios dados:

As leis de reflexão e refração são explicadas na física das ondas. De acordo com os conceitos de onda, a refração é uma consequência de uma mudança na velocidade de propagação da onda durante a transição de um meio para outro. O significado físico do índice de refraçãoé a razão entre a velocidade de propagação da onda no primeiro meio υ 1 e a velocidade de sua propagação no segundo meio υ 2:

A Figura 3.1.1 ilustra as leis de reflexão e refração da luz.

Um meio com um índice de refração absoluto mais baixo é chamado opticamente menos denso.

Quando a luz passa de um meio opticamente mais denso para um opticamente menos denso n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать fenômeno de reflexão total, ou seja, o desaparecimento do feixe refratado. Este fenômeno é observado em ângulos de incidência que excedem um certo ângulo crítico αpr, que é chamado de ângulo limite de reflexão interna total(ver fig. 3.1.2).

Para o ângulo de incidência α = α pr sin β = 1; valor sin α pr \u003d n 2 / n 1< 1.

Se o segundo meio é o ar (n 2 ≈ 1), então é conveniente reescrever a fórmula na forma

O fenômeno da reflexão interna total encontra aplicação em muitos dispositivos ópticos. A aplicação mais interessante e praticamente importante é a criação de guias de luz de fibra, que são filamentos finos (de vários micrômetros a milímetros) arbitrariamente dobrados de um material opticamente transparente (vidro, quartzo). A luz que incide na extremidade da fibra pode se propagar ao longo dela por longas distâncias devido à reflexão interna total das superfícies laterais (Fig. 3.1.3). A direção científica e técnica envolvida no desenvolvimento e aplicação de guias de luz óptica é chamada de fibra óptica.

Dispe "luz rsiya" que (decomposição da luz)- este é um fenômeno devido à dependência do índice de refração absoluto de uma substância na frequência (ou comprimento de onda) da luz (dispersão de frequência), ou, a mesma coisa, a dependência da velocidade de fase da luz em uma substância na comprimento de onda (ou frequência). Descoberto experimentalmente por Newton por volta de 1672, embora teoricamente bem explicado muito mais tarde.

Dispersão espacialé a dependência do tensor da permissividade do meio no vetor de onda. Essa dependência causa uma série de fenômenos chamados efeitos de polarização espacial.

Um dos exemplos mais claros de dispersão - decomposição da luz branca ao passá-lo por um prisma (experimento de Newton). A essência do fenômeno da dispersão é a diferença nas velocidades de propagação dos raios de luz com diferentes comprimentos de onda em uma substância transparente - um meio óptico (enquanto no vácuo a velocidade da luz é sempre a mesma, independentemente do comprimento de onda e, portanto, da cor) . Normalmente, quanto maior a frequência de uma onda de luz, maior o índice de refração do meio para ela e menor a velocidade da onda no meio:

Experimentos de Newton Experimente a decomposição da luz branca em um espectro: Newton dirigiu um feixe de luz solar através de um pequeno orifício em um prisma de vidro. Entrando no prisma, o feixe foi refratado e deu na parede oposta uma imagem alongada com alternância iridescente de cores - o espectro. Experiência sobre a passagem de luz monocromática através de um prisma: Newton colocou um vidro vermelho no caminho do raio do sol, atrás do qual recebeu luz monocromática (vermelha), depois um prisma e observou na tela apenas uma mancha vermelha do raio de luz. Experiência na síntese (obtenção) de luz branca: Primeiro, Newton dirigiu o raio do sol para um prisma. Então, tendo coletado os raios coloridos que saíram do prisma com a ajuda de uma lente convergente, Newton recebeu uma imagem branca de um buraco em uma parede branca em vez de uma faixa colorida. Conclusões de Newton:- o prisma não altera a luz, mas apenas a decompõe em componentes - raios de luz que diferem em cores diferem no grau de refração; os raios violeta são mais fortemente refratados, a luz vermelha é menos fortemente refratada - a luz vermelha, que é menos refratada, tem a maior velocidade e a violeta tem a menor, portanto, o prisma decompõe a luz. A dependência do índice de refração da luz em sua cor é chamada de dispersão.

Conclusões:- um prisma decompõe a luz - a luz branca é complexa (composta) - os raios violeta são refratados mais do que os vermelhos. A cor de um feixe de luz é determinada pela sua frequência de oscilação. Ao passar de um meio para outro, a velocidade da luz e o comprimento de onda mudam, mas a frequência que determina a cor permanece constante. Os limites das faixas de luz branca e seus componentes são geralmente caracterizados por seus comprimentos de onda no vácuo. A luz branca é uma coleção de comprimentos de onda de 380 a 760 nm.

Bilhete 77.

Absorção de luz. lei de Bouguer

A absorção de luz em uma substância está associada à conversão da energia do campo eletromagnético da onda na energia térmica da substância (ou na energia da radiação fotoluminescente secundária). A lei de absorção de luz (lei de Bouguer) tem a forma:

eu = eu 0 exp(- x),(1)

Onde EU 0 , EU- intensidade da luz de entrada (x=0) e saída da camada média de espessura X, - coeficiente de absorção, depende de .

Para dielétricos  =10 -1  10 -5 m -1 , para metais =10 5  10 7 m -1 , portanto, os metais são opacos à luz.

Dependência  ( ) explica a coloração dos corpos absorventes. Por exemplo, o vidro que absorve pouca luz vermelha aparecerá vermelho quando iluminado com luz branca.

Dispersão da luz. lei de Rayleigh

A difração da luz pode ocorrer em um meio opticamente não homogêneo, por exemplo, em um meio turvo (fumaça, neblina, ar empoeirado, etc.). Difratando em heterogeneidades do meio, as ondas de luz criam um padrão de difração caracterizado por uma distribuição de intensidade bastante uniforme em todas as direções.

Tal difração por pequenas heterogeneidades é chamada dispersão da luz.

Este fenômeno é observado se um feixe estreito de luz solar passa pelo ar empoeirado, espalha partículas de poeira e se torna visível.

Se as dimensões das heterogeneidades forem pequenas em comparação com o comprimento de onda (não mais de 0,1  ), então a intensidade da luz espalhada é inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda, ou seja,

EU malandro ~ 1/  4 , (2)

essa relação é chamada de lei de Rayleigh.

A dispersão da luz também é observada em meios puros que não contêm partículas estranhas. Por exemplo, pode ocorrer em flutuações (desvios aleatórios) de densidade, anisotropia ou concentração. Esse espalhamento é chamado molecular. Explica, por exemplo, a cor azul do céu. De fato, de acordo com (2), os raios azuis e azuis são dispersos mais fortemente do que o vermelho e o amarelo, porque têm um comprimento de onda mais curto, causando assim a cor azul do céu.

Bilhete 78.

Polarização da luz- um conjunto de fenômenos de óptica ondulatória, nos quais se manifesta a natureza transversal das ondas de luz eletromagnéticas. onda transversal- as partículas do meio oscilam em direções perpendiculares à direção de propagação da onda ( Figura 1).

Figura 1 onda transversal

onda de luz eletromagnética plano polarizado(polarização linear), se as direções de oscilação dos vetores E e B são estritamente fixas e estão em certos planos ( Figura 1). Uma onda de luz polarizada plana é chamada plano polarizado(linearmente polarizada) luz. não polarizado onda (natural) - uma onda de luz eletromagnética na qual as direções de oscilação dos vetores E e B nesta onda podem estar em quaisquer planos perpendiculares ao vetor velocidade v. luz não polarizada- ondas de luz, nas quais as direções das oscilações dos vetores E e B mudam aleatoriamente de modo que todas as direções das oscilações nos planos perpendiculares ao feixe de propagação da onda sejam igualmente prováveis ​​( Figura 2).

Figura 2 luz não polarizada

ondas polarizadas- em que as direções dos vetores E e B permanecem inalteradas no espaço ou mudam de acordo com uma certa lei. Radiação, na qual a direção do vetor E muda aleatoriamente - não polarizado. Um exemplo de tal radiação pode ser a radiação térmica (átomos e elétrons distribuídos aleatoriamente). Plano de polarização- trata-se de um plano perpendicular à direção de oscilação do vetor E. O principal mecanismo para a ocorrência da radiação polarizada é o espalhamento da radiação por elétrons, átomos, moléculas e partículas de poeira.

1.2. Tipos de polarização Existem três tipos de polarização. Vamos defini-los. 1. Linear Ocorre se o vetor elétrico E mantém sua posição no espaço. Isso meio que destaca o plano no qual o vetor E oscila. 2. Circular Esta é a polarização que ocorre quando o vetor elétrico E gira em torno da direção de propagação da onda com uma velocidade angular igual à frequência angular da onda, mantendo seu valor absoluto. Essa polarização caracteriza a direção de rotação do vetor E no plano perpendicular à linha de visada. Um exemplo é a radiação cíclotron (um sistema de elétrons girando em um campo magnético). 3. Elíptico Ocorre quando a magnitude do vetor elétrico E muda para que ele descreva uma elipse (rotação do vetor E). A polarização elíptica e circular é para a direita (a rotação do vetor E ocorre no sentido horário, se você olhar para a onda em propagação) e para a esquerda (a rotação do vetor E ocorre no sentido anti-horário, se você olhar para a onda em propagação).

Na verdade, o mais comum polarização parcial (ondas eletromagnéticas parcialmente polarizadas). Quantitativamente, é caracterizada por uma certa quantidade chamada grau de polarização R, que é definido como: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Onde Imax,estou dentro- a densidade de fluxo de energia eletromagnética mais alta e mais baixa através do analisador (polaroid, prisma de Nicol…). Na prática, a polarização da radiação é frequentemente descrita pelos parâmetros de Stokes (os fluxos de radiação com uma determinada direção de polarização são determinados).

Bilhete 79.

Se a luz natural incide na interface entre dois dielétricos (por exemplo, ar e vidro), parte dela é refletida e parte é refratada e se propaga no segundo meio. Ao colocar um analisador (por exemplo, turmalina) no caminho dos feixes refletidos e refratados, garantimos que os feixes refletidos e refratados sejam parcialmente polarizados: quando o analisador é girado em torno dos feixes, a intensidade da luz aumenta e diminui periodicamente ( extinção completa não é observada!). Estudos posteriores mostraram que no feixe refletido prevalecem as oscilações perpendiculares ao plano de incidência (na Fig. 275 são indicadas por pontos), no feixe refratado - oscilações paralelas ao plano de incidência (indicadas pelas setas).

O grau de polarização (o grau de separação das ondas de luz com uma certa orientação do vetor elétrico (e magnético)) depende do ângulo de incidência dos raios e do índice de refração. físico escocês D. Brewster(1781-1868) estabelecido lei, segundo a qual no ângulo de incidência eu B (ângulo de Brewster), definido pela relação

(n 21 - índice de refração do segundo meio em relação ao primeiro), o feixe refletido é plano polarizado(contém apenas oscilações perpendiculares ao plano de incidência) (Fig. 276). O feixe refratado no ângulo de incidênciaeu B polarizada ao máximo, mas não completamente.

Se a luz incide na interface no ângulo de Brewster, então os raios refletidos e refratados mutuamente perpendiculares(tg eu B = pecado eu B/cos eu b, n 21 = pecado eu B / pecado eu 2 (eu 2 - ângulo de refração), de onde cos eu B = pecado eu 2). Consequentemente, eu B + eu 2 =  /2, mas eu’ B= eu B (lei da reflexão), então eu’ B+ eu 2 =  /2.

O grau de polarização da luz refletida e refratada em diferentes ângulos de incidência pode ser calculado a partir das equações de Maxwell, se levarmos em conta as condições de contorno para o campo eletromagnético na interface entre dois dielétricos isotrópicos (os chamados fórmulas de Fresnel).

O grau de polarização da luz refratada pode ser aumentado significativamente (por refração repetida, desde que a luz incida cada vez na interface no ângulo de Brewster). Se, por exemplo, para vidro ( n= 1.53), o grau de polarização do feixe refratado é 15%, então após a refração por 8-10 placas de vidro sobrepostas umas às outras, a luz que emerge de tal sistema será quase completamente polarizada. Esse conjunto de placas é chamado pé. O pé pode ser usado para analisar a luz polarizada tanto em sua reflexão quanto em sua refração.

Bilhete 79 (para esporão)

Como mostra a experiência, durante a refração e reflexão da luz, a luz refratada e refletida acaba sendo polarizada e a reflexão. a luz pode ser completamente polarizada em um certo ângulo de incidência, mas a luz é sempre parcialmente polarizada.Com base nas fórmulas de Frinel, pode-se mostrar que a luz reflete. a luz é polarizada em um plano perpendicular ao plano de incidência e refração. a luz é polarizada em um plano paralelo ao plano de incidência.

O ângulo de incidência em que a reflexão a luz é totalmente polarizada é chamado de ângulo de Brewster.O ângulo de Brewster é determinado a partir da lei de Brewster: -Lei de Brewster.Neste caso, o ângulo entre reflexão. e quebrar. os raios serão iguais. Para um sistema ar-vidro, o ângulo de Brewster é igual. Para obter uma boa polarização, ou seja, , quando a luz é refratada, muitas superfícies quebradas são usadas, chamadas de Pé de Stoletov.

Bilhete 80.

A experiência mostra que quando a luz interage com a matéria, a principal ação (fisiológica, fotoquímica, fotoelétrica, etc.) é causada por oscilações do vetor, que às vezes é chamado de vetor de luz a esse respeito. Portanto, para descrever os padrões de polarização da luz, o comportamento do vetor é monitorado.

O plano formado pelos vetores e é chamado de plano de polarização.

Se as oscilações vetoriais ocorrerem em um plano fixo, essa luz (feixe) é chamada de polarizada linearmente. É arbitrariamente designado como segue. Se o feixe é polarizado em um plano perpendicular (no plano xz, ver fig. 2 na segunda palestra), então é denotado.

A luz natural (de fontes comuns, o sol) consiste em ondas que têm diferentes planos de polarização distribuídos aleatoriamente (veja a Fig. 3).

A luz natural às vezes é convencionalmente referida como isso. Também é chamado de não polarizado.

Se durante a propagação da onda o vetor gira e, ao mesmo tempo, o final do vetor descreve um círculo, essa luz é chamada de polarização circular e a polarização é circular ou circular (direita ou esquerda). Há também polarização elíptica.

Existem dispositivos ópticos (filmes, placas, etc.) - polarizadores, que emitem luz linearmente polarizada ou luz parcialmente polarizada da luz natural.

Os polarizadores usados ​​para analisar a polarização da luz são chamados analisadores.

O plano do polarizador (ou analisador) é o plano de polarização da luz transmitida pelo polarizador (ou analisador).

Seja um polarizador (ou analisador) incidente com luz linearmente polarizada com amplitude E 0. A amplitude da luz transmitida será E=E 0 cos j, e a intensidade eu = eu 0 cos 2 j.

Esta fórmula expressa Lei de Malus:

A intensidade da luz linearmente polarizada que passa pelo analisador é proporcional ao quadrado do cosseno do ângulo j entre o plano de oscilações da luz incidente e o plano do analisador.

Bilhete 80 (para esporas)

Polarizadores são dispositivos que permitem obter luz polarizada. Analisadores são dispositivos com os quais você pode analisar se a luz é polarizada ou não. Estruturalmente, um polarizador e um analisador são iguais. Então, todas as direções do vetor E são igualmente prováveis. Cada O vetor pode ser decomposto em dois componentes mutuamente perpendiculares: um dos quais é paralelo ao plano de polarização do polarizador e o outro é perpendicular a ele.

Obviamente, a intensidade da luz que sai do polarizador será igual. Vamos denotar a intensidade da luz que sai do polarizador por (). Se um analisador for colocado no caminho do polarizador, cujo plano principal faz um ângulo com o plano principal do polarizador, então a intensidade da luz que sai do analisador é determinada pela lei.

Bilhete 81.

Estudando a luminescência de uma solução de sais de urânio sob a ação de raios - de rádio, o físico soviético P. A. Cherenkov chamou a atenção para o fato de que a própria água brilha, na qual não há sais de urânio. Descobriu-se que quando os raios (veja Radiação gama) passam por líquidos puros, todos eles começam a brilhar. S. I. Vavilov, sob cuja direção P. A. Cherenkov trabalhou, levantou a hipótese de que o brilho está associado ao movimento de elétrons eliminados por quanta de rádio dos átomos. De fato, o brilho dependia fortemente da direção do campo magnético no líquido (isso sugeria que sua causa era o movimento dos elétrons).

Mas por que os elétrons que se movem em um líquido emitem luz? A resposta correta a esta pergunta foi dada em 1937 pelos físicos soviéticos I. E. Tamm e I. M. Frank.

Um elétron, movendo-se em uma substância, interage com os átomos circundantes. Sob a ação de seu campo elétrico, elétrons e núcleos atômicos são deslocados em direções opostas - o meio é polarizado. Polarizando e depois retornando ao estado inicial, os átomos do meio localizados ao longo da trajetória do elétron emitem ondas de luz eletromagnética. Se a velocidade do elétron v for menor que a velocidade de propagação da luz no meio (- índice de refração), o campo eletromagnético ultrapassará o elétron e a substância terá tempo para se polarizar no espaço à frente do elétron. A polarização do meio na frente do elétron e atrás dele tem direção oposta, e as radiações dos átomos polarizados opostamente, "somando", "se extinguem". Quando os átomos, aos quais o elétron ainda não chegou, não têm tempo para se polarizar, aparece a radiação, direcionada ao longo de uma estreita camada cônica com um vértice coincidente com o elétron em movimento e um ângulo no vértice c. A aparência de um "cone" de luz e a condição de radiação podem ser obtidas a partir dos princípios gerais de propagação de ondas.

Arroz. 1. Mecanismo de formação da frente de onda

Deixe um elétron se mover ao longo do eixo OE (veja a Fig. 1) de um canal vazio muito estreito em uma substância transparente homogênea com um índice de refração (um canal vazio é necessário para não levar em conta colisões de um elétron com átomos em um consideração teórica). Qualquer ponto da linha OE ocupado sucessivamente por um elétron será o centro de emissão de luz. As ondas que emanam dos pontos sucessivos O, D, E interferem entre si e são amplificadas se a diferença de fase entre eles for zero (ver Interferência). Esta condição é satisfeita para a direção que faz um ângulo de 0 com a trajetória do elétron. O ângulo 0 é determinado pela razão:.

De fato, considere duas ondas emitidas na direção em um ângulo de 0 com a velocidade do elétron de dois pontos da trajetória - ponto O e ponto D, separados por uma distância . No ponto B, situado na reta BE, perpendicular a OB, a primeira onda no tempo - no onda do ponto O. Essas duas ondas estarão em fase, ou seja, a linha reta será uma frente de onda se esses tempos forem iguais:. Isso como condição de igualdade de tempos dá. Em todas as direções, para as quais, a luz se extinguirá devido à interferência de ondas emitidas de trechos da trajetória separados por uma distância D. O valor de D é determinado por uma equação óbvia, onde T é o período das oscilações da luz. Esta equação sempre tem uma solução se.

Se , então a direção na qual as ondas irradiadas, interferentes, amplificam não existe, não pode ser maior que 1.

Arroz. 2. Distribuição das ondas sonoras e formação de uma onda de choque durante o movimento do corpo

A radiação é observada apenas se .

Experimentalmente, os elétrons voam em um ângulo sólido finito, com uma certa dispersão nas velocidades, e como resultado, a radiação se propaga em uma camada cônica próxima à direção principal determinada pelo ângulo .

Em nossa consideração, desprezamos a desaceleração do elétron. Isso é bastante aceitável, pois as perdas devido à radiação de Vavilov-Cherenkov são pequenas e, na primeira aproximação, podemos supor que a energia perdida pelo elétron não afeta sua velocidade e ele se move uniformemente. Esta é a diferença fundamental e incomum da radiação Vavilov-Cherenkov. Normalmente, as cargas irradiam, experimentando uma aceleração significativa.

Um elétron superando sua própria luz é como um avião voando a uma velocidade maior que a velocidade do som. Neste caso, uma onda de choque cônica também se propaga na frente da aeronave (ver Fig. 2).

Campos de aplicação da refractometria.

O dispositivo e o princípio de operação do refratômetro IRF-22.

O conceito de índice de refração.

Plano

Refratometria. Características e essência do método.

Para identificar substâncias e verificar sua pureza, use

refrator.

Índice de refração de uma substância- um valor igual à razão entre as velocidades de fase da luz (ondas eletromagnéticas) no vácuo e o meio visto.

O índice de refração depende das propriedades da substância e do comprimento de onda

radiação eletromagnética. A razão do seno do ângulo de incidência em relação a

a normal traçada ao plano de refração (α) do feixe ao seno do ângulo de refração

A refração (β) durante a transição do feixe do meio A para o meio B é chamada de índice de refração relativo para este par de meios.

O valor n é o índice de refração relativo do meio B de acordo com

em relação ao ambiente A, e

O índice de refração relativo do meio A em relação a

O índice de refração de um feixe incidente em um meio de um airless

º espaço é chamado de índice de refração absoluto ou

simplesmente o índice de refração de um determinado meio (Tabela 1).

Tabela 1 - Índices de refração de diversos meios

Os líquidos têm um índice de refração na faixa de 1,2-1,9. Sólido

substâncias 1.3-4.0. Alguns minerais não têm um valor exato do indicador

para refração. Seu valor está em um certo "garfo" e determina

devido à presença de impurezas na estrutura cristalina, que determina a cor

cristal.

A identificação do mineral por "cor" é difícil. Assim, o mineral corindo existe na forma de rubi, safira, leucossafira, diferindo em

índice de refração e cor. Corindos vermelhos são chamados de rubis

(mistura de cromo), azul incolor, azul claro, rosa, amarelo, verde,

violeta - safiras (impurezas de cobalto, titânio, etc.). Luz colorida

nye safiras ou corindo incolor é chamado de leucossafira (amplamente

usado em óptica como filtro de luz). O índice de refração desses cristais

stall está na faixa de 1,757-1,778 e é a base para identificar

Figura 3.1 - Ruby Figura 3.2 - Azul safira

Líquidos orgânicos e inorgânicos também possuem valores de índice de refração característicos que os caracterizam como químicos

novos compostos e a qualidade de sua síntese (tabela 2):

Tabela 2 - Índices de refração de alguns líquidos a 20°C

4.2. Refratometria: conceito, princípio.

Método para o estudo de substâncias baseado na determinação do indicador

(coeficiente) de refração (refração) é chamado de refratometria (de

lat. refractus - refratado e grego. metro - eu meço). Refratometria

(método refratométrico) é usado para identificar

compostos, análise quantitativa e estrutural, determinação de

parâmetros químicos das substâncias. Princípio de refratometria implementado

em refratômetros Abbe, ilustrados pela Figura 1.

Figura 1 - O princípio da refratometria

O bloco de prismas de Abbe consiste em dois prismas retangulares:

corpo e medida, dobrados por faces hipotenusas. Iluminador-

prisma tem uma face hipotenusa áspera (fosca) e destina-se

chena para iluminar uma amostra líquida colocada entre os prismas.

A luz espalhada passa através de uma camada plana-paralela do líquido investigado e, sendo refratada no líquido, cai no prisma de medição. O prisma de medição é feito de vidro opticamente denso (sílex pesada) e tem um índice de refração superior a 1,7. Por esse motivo, o refratômetro Abbe mede n valores inferiores a 1,7. Um aumento na faixa de medição do índice de refração só pode ser alcançado alterando o prisma de medição.

A amostra de teste é derramada na face hipotenusa do prisma de medição e pressionada contra o prisma de iluminação. Neste caso, uma folga de 0,1-0,2 mm permanece entre os prismas em que a amostra está localizada e através

que passa por refração da luz. Para medir o índice de refração

usar o fenômeno da reflexão interna total. Consiste em

próximo.

Se os raios 1, 2, 3 caem na interface entre dois meios, então dependendo

o ângulo de incidência ao observá-los em um meio refrativo será

observa-se a presença de uma transição de áreas de iluminação diferente. Está conectado

com a incidência de alguma parte da luz no limite de refração em um ângulo de aprox.

kim a 90° em relação à normal (viga 3). (Figura 2).

Figura 2 - Imagem dos raios refratados

Esta parte dos raios não é refletida e, portanto, forma um objeto mais leve.

refração. Raios com ângulos menores experimentam e refletem

e refração. Portanto, uma área de menos iluminação é formada. Em volume

a linha limite da reflexão interna total é visível na lente, a posição

que depende das propriedades de refração da amostra.

A eliminação do fenômeno de dispersão (coloração da interface entre duas áreas de iluminação nas cores do arco-íris devido ao uso de luz branca complexa nos refratômetros Abbe) é conseguida usando dois prismas Amici no compensador, que são montados no telescópio. Ao mesmo tempo, uma escala é projetada na lente (Figura 3). 0,05 ml de líquido é suficiente para análise.

Figura 3 - Vista pela ocular do refratômetro. (A escala certa reflete

concentração do componente medido em ppm)

Além da análise de amostras de um único componente, são amplamente analisados

sistemas de dois componentes (soluções aquosas, soluções de substâncias nas quais

ou solvente). Em sistemas ideais de dois componentes (formando-

sem alterar o volume e polarizabilidade dos componentes), a dependência é mostrada

índice de refração na composição é próximo de linear se a composição é expressa em termos de

frações de volume (porcentagem)

onde: n, n1, n2 - índices de refração da mistura e componentes,

V1 e V2 são as frações de volume dos componentes (V1 + V2 = 1).

O efeito da temperatura no índice de refração é determinado por dois

fatores: uma mudança no número de partículas líquidas por unidade de volume e

dependência da polarizabilidade das moléculas com a temperatura. O segundo fator tornou-se

torna-se significativo apenas em mudanças de temperatura muito grandes.

O coeficiente de temperatura do índice de refração é proporcional ao coeficiente de temperatura da densidade. Como todos os líquidos se expandem quando aquecidos, seus índices de refração diminuem à medida que a temperatura aumenta. O coeficiente de temperatura depende da temperatura do líquido, mas em pequenos intervalos de temperatura pode ser considerado constante. Por esse motivo, a maioria dos refratômetros não possui controle de temperatura, porém, alguns projetos fornecem

controle de temperatura da água.

A extrapolação linear do índice de refração com mudanças de temperatura é aceitável para pequenas diferenças de temperatura (10 - 20°C).

A determinação exata do índice de refração em amplas faixas de temperatura é realizada de acordo com fórmulas empíricas da forma:

nt=n0+at+bt2+…

Para refratometria de solução em amplas faixas de concentração

usar tabelas ou fórmulas empíricas. Dependência de exibição-

índice de refração de soluções aquosas de certas substâncias na concentração

aproxima-se da linearidade e permite determinar as concentrações destas substâncias em

água em uma ampla gama de concentrações (Figura 4) usando refração

tômetros.

Figura 4 - Índice de refração de algumas soluções aquosas

Normalmente, n corpos líquidos e sólidos são determinados por refratômetros com precisão

até 0,0001. Os mais comuns são os refratômetros Abbe (Figura 5) com blocos de prisma e compensadores de dispersão, que permitem determinar nD em luz "branca" em escala ou indicador digital.

Figura 5 - Refratômetro Abbe (IRF-454; IRF-22)

Trabalho de laboratório

Refração da luz. Medição do índice de refração de um líquido

com refratômetro

Objetivo: aprofundamento das ideias sobre o fenômeno da refração da luz; estudo de métodos de medição do índice de refração de meios líquidos; estudo do princípio de operação com um refratômetro.

Equipamento: refratômetro, soluções salinas, pipeta, pano macio para limpeza das partes ópticas dos dispositivos.

Teoria

Leis de reflexão e refração da luz. índice de refração.

Na interface entre os meios, a luz muda a direção de sua propagação. Parte da energia luminosa retorna ao primeiro meio, ou seja, luz é refletida. Se o segundo meio é transparente, então parte da luz, sob certas condições, passa pela interface entre os meios, mudando, via de regra, a direção de propagação. Esse fenômeno é chamado de refração da luz. (Figura 1).

Arroz. 1. Reflexão e refração da luz em uma interface plana entre dois meios.

A direção dos raios refletidos e refratados durante a passagem da luz através de uma interface plana entre dois meios transparentes é determinada pelas leis de reflexão e refração da luz.

A lei da reflexão da luz. O raio refletido encontra-se no mesmo plano que o raio incidente e a normal restaurada ao plano de interface no ponto de incidência. Ângulo de incidência igual ao ângulo de reflexão
.

A lei da refração da luz. O feixe refratado encontra-se no mesmo plano que o feixe incidente e a normal restaurada ao plano de interface no ponto de incidência. A razão do seno do ângulo de incidência α ao seno do ângulo de refração β existe um valor constante para esses dois meios, chamado índice de refração relativo do segundo meio em relação ao primeiro:

Índice de refração relativo dois meios é igual à razão da velocidade da luz no primeiro meio v 1 para a velocidade da luz no segundo meio v 2:

Se a luz vai do vácuo para um meio, então o índice de refração do meio em relação ao vácuo é chamado de índice de refração absoluto desse meio e é igual à razão da velocidade da luz no vácuo Com para a velocidade da luz em um determinado meio v:

Os índices de refração absolutos são sempre maiores que um; para ar n tomado como uma unidade.

O índice de refração relativo de dois meios pode ser expresso em termos de seus índices absolutos n 1 e n 2 :

Determinação do índice de refração de um líquido

Para determinação rápida e conveniente do índice de refração de líquidos, existem instrumentos ópticos especiais - refratômetros, cuja parte principal são dois prismas (Fig. 2): auxiliar etc. 1 e medindo Ex 2. O líquido de teste é derramado no espaço entre os prismas.

Ao medir os indicadores, dois métodos podem ser usados: o método do feixe rasante (para líquidos transparentes) e o método de reflexão interna total (para soluções escuras, turvas e coloridas). Neste trabalho, o primeiro deles é usado.

No método de feixe rasante, a luz de uma fonte externa passa pela face AB prismas Ex 1, difunde em sua superfície fosca CA e então através da camada do líquido investigado penetra no prisma Ex 2. A superfície fosca torna-se uma fonte de raios de todas as direções, para que possa ser observada através do rosto EF prismas Ex 2. No entanto, a linha CA pode ser visto através EF apenas em um ângulo maior do que algum ângulo mínimo limitante eu. O valor desse ângulo está relacionado exclusivamente ao índice de refração do líquido localizado entre os prismas, que será a ideia principal do projeto do refratômetro.

Considere a passagem da luz através de um rosto EF prisma de medição inferior Ex 2. Como pode ser visto a partir da fig. 2, aplicando duas vezes a lei da refração da luz, podemos obter duas relações:

(1)

(2)

Resolvendo este sistema de equações, é fácil chegar à conclusão de que o índice de refração do líquido

(3)

depende de quatro quantidades: Q, r, r 1 e eu. No entanto, nem todos são independentes. Por exemplo,

r+ s= R , (4)

Onde R - ângulo de refração de um prisma Ex 2. Além disso, definindo o ângulo Q o valor máximo é 90°, da equação (1) obtemos:

(5)

Mas o valor máximo do ângulo r , como pode ser visto na fig. 2 e as relações (3) e (4), correspondem aos valores mínimos dos ângulos eu e r 1 , Essa. eu min e r min .

Assim, o índice de refração de um líquido para o caso de raios "deslizantes" está relacionado apenas ao ângulo eu. Neste caso, existe um valor mínimo do ângulo eu, quando a borda CA ainda é observado, ou seja, no campo de visão, parece ser um espelho branco. Para ângulos de visão menores, a borda não é visível e, no campo de visão, esse local aparece preto. Como o telescópio do instrumento captura uma zona angular relativamente ampla, áreas claras e pretas são observadas simultaneamente no campo de visão, cujo limite corresponde ao ângulo mínimo de observação e está inequivocamente relacionado ao índice de refração do líquido. Usando a fórmula de cálculo final:

(sua conclusão é omitida) e um número de líquidos com índices de refração conhecidos, é possível calibrar o dispositivo, ou seja, estabelecer uma correspondência um a um entre os índices de refração de líquidos e ângulos eu min . Todas as fórmulas acima são derivadas para raios de qualquer comprimento de onda.

A luz de diferentes comprimentos de onda será refratada, levando em consideração a dispersão do prisma. Assim, quando o prisma é iluminado com luz branca, a interface ficará borrada e colorida em cores diferentes devido à dispersão. Portanto, cada refratômetro possui um compensador que permite eliminar o resultado da dispersão. Pode consistir em um ou dois prismas de visão direta - prismas Amici. Cada prisma Amici consiste em três prismas de vidro com diferentes índices de refração e dispersão diferente, por exemplo, os prismas externos são feitos de vidro de coroa e o prisma do meio é feito de vidro de sílex (vidro de coroa e vidro de sílex são tipos de vidro). Ao girar o prisma do compensador com a ajuda de um dispositivo especial, é obtida uma imagem nítida e incolor da interface, cuja posição corresponde ao valor do índice de refração da linha amarela de sódio λ \u003d 5893 Å (os prismas são projetados para que os raios com comprimento de onda de 5893 Å não sofram desvios neles).

Os raios que passaram pelo compensador entram na objetiva do telescópio, então passam pelo prisma de reversão através da ocular do telescópio no olho do observador. O curso esquemático dos raios é mostrado na fig. 3.

A escala do refratômetro é calibrada em função do índice de refração e da concentração da solução de sacarose em água e está localizada no plano focal da ocular.

parte experimental

Tarefa 1. Verificação do refratômetro.

Aponte a luz com um espelho para o prisma auxiliar do refratômetro. Com o prisma auxiliar levantado, pipete algumas gotas de água destilada no prisma de medição. Com o prisma auxiliar abaixado, obtenha a melhor iluminação do campo de visão e ajuste a ocular de forma que a mira e a escala do índice de refração possam ser vistas claramente. Girando a câmera do prisma de medição, obtenha a borda de luz e sombra no campo de visão. Girando a cabeça do compensador, consegue-se a eliminação da coloração da borda de luz e sombra. Alinhe a borda de luz e sombra com o ponto de mira e meça o índice de refração da água n ismo . Se o refratômetro estiver funcionando, então para água destilada o valor deve ser n 0 = 1.333, se as leituras forem diferentes deste valor, você precisa determinar a correção Δn= n ismo - 1.333, que deve então ser levado em consideração em trabalhos posteriores com o refratômetro. Faça as correções na tabela 1.

Tabela 1.

	n 0	n ismo	Δ n
H 2 O

Tarefa 2. Determinação do índice de refração de um líquido.

Determinar os índices de refração de soluções de concentrações conhecidas, levando em consideração a correção encontrada.

Mesa 2.

C, sobre. %	n ismo	n é

Plote a dependência do índice de refração das soluções de cloreto de sódio na concentração de acordo com os resultados obtidos. Faça uma conclusão sobre a dependência de n em C; tirar conclusões sobre a precisão das medições em um refratômetro.

Tome uma solução salina de concentração desconhecida A PARTIR DE x , determine seu índice de refração e encontre a concentração da solução a partir do gráfico.

Limpe o local de trabalho, limpe cuidadosamente os prismas dos refratômetros com um pano limpo e úmido.

perguntas do teste

Reflexão e refração da luz.

Índices de refração absolutos e relativos do meio.

O princípio de funcionamento do refratômetro. Método de viga deslizante.

Trajeto esquemático de raios em um prisma. Por que os prismas compensadores são necessários?

Propagação, reflexão e refração da luz

A natureza da luz é eletromagnética. Uma prova disso é a coincidência das velocidades das ondas eletromagnéticas e da luz no vácuo.

Em um meio homogêneo, a luz se propaga em linha reta. Essa afirmação é chamada de lei da propagação retilínea da luz. Uma prova experimental desta lei são as sombras nítidas dadas por fontes pontuais de luz.

Uma linha geométrica que indica a direção de propagação da luz é chamada de feixe de luz. Em um meio isotrópico, os raios de luz são direcionados perpendicularmente à frente de onda.

O lugar geométrico dos pontos do meio oscilando na mesma fase é chamado de superfície de onda, e o conjunto de pontos em que a oscilação atingiu um determinado ponto no tempo é chamado de frente de onda. Dependendo do tipo de frente de onda, as ondas planas e esféricas são distinguidas.

Para explicar o processo de propagação da luz, é utilizado o princípio geral da teoria ondulatória sobre o movimento da frente de onda no espaço, proposto pelo físico holandês H. Huygens. De acordo com o princípio de Huygens, cada ponto do meio, ao qual a excitação da luz atinge, é o centro das ondas secundárias esféricas, que também se propagam à velocidade da luz. O envelope de superfície das frentes dessas ondas secundárias fornece a posição da frente da onda realmente se propagando naquele momento.

É necessário distinguir entre feixes de luz e raios de luz. Um feixe de luz é uma parte de uma onda de luz que transporta energia luminosa em uma determinada direção. Ao substituir um feixe de luz por um feixe de luz que o descreve, este último deve ser tomado para coincidir com o eixo de um feixe de luz bastante estreito, mas com uma largura finita (as dimensões da seção transversal são muito maiores que o comprimento de onda).

Existem feixes de luz divergentes, convergentes e quase paralelos. Os termos feixe de raios de luz ou simplesmente raios de luz são frequentemente usados, significando por isso um conjunto de raios de luz que descrevem um feixe de luz real.

A velocidade da luz no vácuo c = 3 108 m/s é uma constante universal e não depende da frequência. Pela primeira vez, a velocidade da luz foi determinada experimentalmente pelo método astronômico pelo cientista dinamarquês O. Römer. A. Michelson mediu a velocidade da luz com mais precisão.

A velocidade da luz na matéria é menor do que no vácuo. A razão entre a velocidade da luz no vácuo e sua velocidade em um determinado meio é chamada de índice de refração absoluto do meio:

onde c é a velocidade da luz no vácuo, v é a velocidade da luz em um determinado meio. Os índices de refração absolutos de todas as substâncias são maiores que a unidade.

Quando a luz se propaga em um meio, ela é absorvida e espalhada, e na interface entre os meios é refletida e refratada.

A lei da reflexão da luz: o feixe incidente, o feixe refletido e a perpendicular à interface entre dois meios, elevados no ponto de incidência do feixe, estão no mesmo plano; o ângulo de reflexão g é igual ao ângulo de incidência a (Fig. 1). Esta lei coincide com a lei de reflexão para ondas de qualquer natureza e pode ser obtida como consequência do princípio de Huygens.

A lei da refração da luz: o feixe incidente, o feixe refratado e a perpendicular à interface entre dois meios, restaurados 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 para uma dada frequência de luz é um valor constante, chamado índice de refração relativo do segundo meio em relação ao primeiro:

A lei da refração da luz, estabelecida experimentalmente, é explicada com base no princípio de Huygens. De acordo com os conceitos de onda, a refração é uma consequência de uma mudança na velocidade de propagação da onda durante a transição de um meio para outro, e o significado físico do índice de refração relativo é a razão da velocidade de propagação da onda no primeiro meio v1 para a velocidade de sua propagação no segundo meio

Para meios com índices de refração absolutos n1 e n2, o índice de refração relativo do segundo meio em relação ao primeiro é igual à razão do índice de refração absoluto do segundo meio para o índice de refração absoluto do primeiro meio:

O meio que possui maior índice de refração é chamado opticamente mais denso, a velocidade de propagação da luz nele é menor. Se a luz passa de um meio opticamente mais denso para um opticamente menos denso, então em um certo ângulo de incidência a0 o ângulo de refração deve se tornar igual a p/2. A intensidade do feixe refratado neste caso torna-se igual a zero. A luz incidente na interface entre dois meios é completamente refletida a partir dele.

O ângulo de incidência a0 no qual ocorre a reflexão interna total da luz é chamado de ângulo limite da reflexão interna total. Em todos os ângulos de incidência iguais ou maiores que a0, ocorre a reflexão total da luz.

O valor do ângulo limite é encontrado a partir da relação Se n2 = 1 (vácuo), então

2 O índice de refração de uma substância é um valor igual à razão entre as velocidades de fase da luz (ondas eletromagnéticas) no vácuo e em um determinado meio. Eles também falam sobre o índice de refração para quaisquer outras ondas, por exemplo, som

O índice de refração depende das propriedades da substância e do comprimento de onda da radiação, para algumas substâncias o índice de refração muda bastante quando a frequência das ondas eletromagnéticas muda de baixas frequências para ópticas e mais, e também pode mudar ainda mais acentuadamente em certas áreas da escala de frequência. O padrão geralmente é o intervalo óptico ou o intervalo determinado pelo contexto.

Existem substâncias opticamente anisotrópicas nas quais o índice de refração depende da direção e da polarização da luz. Tais substâncias são bastante comuns, em particular, são todos cristais com uma simetria suficientemente baixa da rede cristalina, bem como substâncias sujeitas a deformação mecânica.

O índice de refração pode ser expresso como a raiz do produto das propriedades magnéticas e permissividades do meio

(deve-se levar em consideração que os valores da permeabilidade magnética e do índice de permissividade absoluta para a faixa de frequência de interesse - por exemplo, a óptica, podem diferir muito do valor estático desses valores).

Para medir o índice de refração, são utilizados refratômetros manuais e automáticos. Ao usar um refratômetro para determinar a concentração de açúcar em uma solução aquosa, o dispositivo é chamado de sacarímetro.

A razão do seno do ângulo de incidência () do feixe para o seno do ângulo de refração () durante a transição do feixe do meio A para o meio B é chamado de índice de refração relativo para este par de meios.

A quantidade n é o índice de refração relativo do meio B em relação ao meio A, an" = 1/n é o índice de refração relativo do meio A em relação ao meio B.

Este valor, ceteris paribus, é geralmente menor que a unidade quando o feixe passa de um meio mais denso para um meio menos denso, e maior que a unidade quando o feixe passa de um meio menos denso para um meio mais denso (por exemplo, de um gás ou do vácuo para um líquido ou sólido). Existem exceções a esta regra e, portanto, é costume chamar um meio opticamente mais ou menos denso que outro (não confundir com densidade óptica como medida da opacidade de um meio).

Um feixe 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 feixe incidente em um meio do espaço sem ar é chamado de índice de refração absoluto ou simplesmente índice de refração desse meio, este é o índice de refração, cuja definição é dada no início do artigo. O índice de refração de qualquer gás, incluindo ar, sob condições normais é muito menor do que os índices de refração de líquidos ou sólidos, portanto, aproximadamente (e com precisão relativamente boa) o índice de refração absoluto pode ser julgado a partir do índice de refração relativo ao ar.

Arroz. 3. O princípio de funcionamento do refratômetro de interferência. Um feixe de luz é dividido de modo que suas duas partes passem por cubetas de comprimento l cheias de substâncias com diferentes índices de refração. Na saída da célula, os raios adquirem uma certa diferença de caminho e, sendo reunidos, dão na tela uma imagem dos máximos e mínimos de interferência com k ordens (mostrados esquematicamente à direita). A diferença nos índices de refração Dn=n2 –n1 =kl/2, onde l é o comprimento de onda da luz.

Os refratômetros são dispositivos usados ​​para medir o índice de refração de substâncias. O princípio de operação de um refratômetro é baseado no fenômeno da reflexão total. Se um feixe de luz espalhado incide na interface entre dois meios com índices de refração e de um meio opticamente mais denso, a partir de um certo ângulo de incidência, os raios não entram no segundo meio, mas são completamente refletidos da interface em o primeiro meio. Este ângulo é chamado de ângulo limite da reflexão total. A Figura 1 mostra o comportamento dos raios quando incidem em uma determinada corrente desta superfície. O feixe vai em um ângulo limite. A partir da lei da refração, você pode determinar:, (porque).

O ângulo limite depende do índice de refração relativo dos dois meios. Se os raios refletidos da superfície são direcionados para uma lente convergente, então no plano focal da lente pode-se ver a borda da luz e da penumbra, e a posição dessa borda depende do valor do ângulo limite e, consequentemente, , no índice de refração. Uma mudança no índice de refração de um dos meios acarreta uma mudança na posição da interface. A fronteira entre luz e sombra pode servir como um indicador na determinação do índice de refração, que é usado em refratômetros. Este método de determinação do índice de refração é chamado de método de reflexão total.

Além do método de reflexão total, os refratômetros usam o método de feixe de pastagem. Neste método, um feixe de luz espalhado atinge o limite de um meio menos opticamente denso em todos os ângulos possíveis (Fig. 2). O feixe que desliza ao longo da superfície (), corresponde - ao ângulo limite de refração (feixe na Fig. 2). Se colocarmos uma lente no caminho dos raios () refratados na superfície, no plano focal da lente também veremos uma borda nítida entre luz e sombra.

Arroz. 2

Como as condições que determinam o valor do ângulo limite são as mesmas em ambos os métodos, a posição da interface é a mesma. Ambos os métodos são equivalentes, mas o método de reflexão total permite medir o índice de refração de substâncias opacas

O caminho dos raios em um prisma triangular

A Figura 9 mostra um corte de um prisma de vidro com um plano perpendicular às suas bordas laterais. O feixe no prisma desvia-se para a base, refratando nas faces OA e 0B. O ângulo j entre essas faces é chamado de ângulo de refração do prisma. O ângulo de deflexão q do feixe depende do ângulo de refração do prisma j, do índice de refração n do material do prisma e do ângulo de incidência a. Pode ser calculado usando a lei da refração (1.4).

O refratômetro usa uma fonte de luz branca 3. Devido à dispersão quando a luz passa pelos prismas 1 e 2, a fronteira entre luz e sombra acaba sendo colorida. Para evitar isso, um compensador 4 é colocado na frente da lente do telescópio, que consiste em dois prismas idênticos, cada um dos quais é colado a partir de três prismas com um índice de refração diferente. Prismas são selecionados de modo que um feixe monocromático com comprimento de onda = 589,3 um. (comprimento de onda da linha amarela de sódio) não foi testado após passar o compensador de deflexão. Raios com outros comprimentos de onda são desviados por prismas em diferentes direções. Ao mover os prismas do compensador com a ajuda de uma alça especial, a fronteira entre a luz e a escuridão fica o mais clara possível.

Raios de luz, tendo passado pelo compensador, caem na lente 6 do telescópio. A imagem da interface luz-sombra é vista através da ocular 7 do telescópio. Ao mesmo tempo, a escala 8 é visualizada através da ocular. Como o ângulo limite de refração e o ângulo limite de reflexão total dependem do índice de refração do líquido, os valores desse índice de refração são imediatamente plotados no escala do refratômetro.

O sistema óptico do refratômetro também contém um prisma rotativo 5. Ele permite posicionar o eixo do telescópio perpendicular aos prismas 1 e 2, o que torna a observação mais conveniente.