Legea refracției luminii. Indicii (coeficienții) de refracție absoluti și relativi. Reflecție internă totală

Legea refracției luminii a fost stabilit empiric în secolul al XVII-lea. Când lumina trece de la un mediu transparent la altul, direcția luminii se poate schimba. Schimbarea direcției luminii la limita diferitelor medii se numește refracția luminii. Atotștiința refracției este o schimbare aparentă a formei unui obiect. (exemplu: o lingură într-un pahar cu apă). Legea refracției luminii: La limita a două medii, fasciculul refractat se află în planul incidenței și formează, cu normala la interfața restabilită în punctul de incidență, un unghi de refracție astfel încât: = n 1- cădere, 2 reflexii, indice n-refracție (f. Snelius) - indicator relativ Indicele de refracție al unui fascicul incident pe un mediu din spațiul fără aer se numește sa indicele absolut de refracție. Unghiul de incidență la care fasciculul refractat începe să alunece de-a lungul interfeței dintre două medii fără tranziție la un mediu optic mai dens - unghi limitator de reflexie internă totală. Reflecție internă totală- reflexie internă, cu condiția ca unghiul de incidență să depășească un anumit unghi critic. În acest caz, unda incidentă este reflectată complet, iar valoarea coeficientului de reflexie depășește cele mai mari valori ale sale pentru suprafețele lustruite. Coeficientul de reflexie pentru reflexia internă totală nu depinde de lungimea de undă. În optică, acest fenomen este observat pentru un spectru larg de radiații electromagnetice, inclusiv domeniul de raze X. În optica geometrică, fenomenul este explicat în termenii legii lui Snell. Având în vedere că unghiul de refracție nu poate depăși 90°, obținem că la un unghi de incidență al cărui sinus este mai mare decât raportul dintre indicele de refracție mai mic și cel mai mare, unda electromagnetică să se reflecte complet în primul mediu. Exemplu: Strălucirea strălucitoare a multor cristale naturale, și în special a pietrelor prețioase și semiprețioase fațetate, se explică prin reflexie internă totală, în urma căreia fiecare rază care pătrunde în cristal formează un număr mare de raze destul de strălucitoare care ies, colorate ca rezultat al dispersării.

INDICATOR REFRACTIV(indicele de refracție) - optic. caracteristica de mediu asociată cu refracția luminii la interfaţa dintre două medii transparente optic omogene şi izotrope în timpul trecerii acesteia de la un mediu la altul şi datorită diferenţei vitezelor de fază de propagare a luminii în medii. Valoarea lui P. p., egală cu raportul acestor viteze. relativ

P. p. acestor medii. Dacă lumina cade pe al doilea sau pe primul mediu de la (de unde viteza de propagare a luminii Cu), atunci cantitățile sunt P. absolută a acestor medii. În acest caz, legea refracției poate fi scrisă sub forma unde și sunt unghiurile de incidență și de refracție.

Mărimea P. p. absolută depinde de natura și structura substanței, de starea ei de agregare, temperatură, presiune etc. La intensități mari, p.p. depinde de intensitatea luminii (vezi. optică neliniară). Într-o serie de substanțe, P. p. se modifică sub influența externă. electric câmpuri ( Efectul Kerr- in lichide si gaze; electro-optic Efect Pockels- în cristale).

Pentru un mediu dat, banda de absorbție depinde de lungimea de undă l a luminii, iar în regiunea benzilor de absorbție această dependență este anormală (vezi Fig. Dispersia luminii). Pentru aproape toate mediile, banda de absorbție este aproape de 1, în regiunea vizibilă pentru lichide și solide, este de aproximativ 1,5; în regiunea IR pentru un număr de medii transparente 4.0 (pentru Ge).

Ele sunt caracterizate de două fenomene parametrice: obișnuite (asemănătoare cu mediile izotrope) și extraordinare, a căror mărime depinde de unghiul de incidență al fasciculului și, în consecință, de direcția de propagare a luminii în mediu (vezi Fig. Optica de cristal Pentru mediile cu absorbție (în special pentru metale), coeficientul de absorbție este o cantitate complexă și poate fi reprezentat ca unde n este coeficientul obișnuit de absorbție, este indicele de absorbție (vezi. Absorbția luminii, optica metalică).

P. p. este macroscopic. caracteristic mediului şi este asociat cu acesta permisivitatea n magn. permeabilitate Clasic teoria electronică (cf. Dispersia luminii) vă permite să asociați valoarea lui P. p. cu microscopic. caracteristicile mediului – electronice polarizabilitate atom (sau moleculă) în funcție de natura atomilor și de frecvența luminii, iar mediu: unde N este numărul de atomi pe unitatea de volum. Acționând asupra unui atom (moleculă) electric. câmpul undei luminoase determină o deplasare a opticei. un electron dintr-o poziție de echilibru; atomul devine indus. Momentul dipol care se schimbă în timp cu frecvența luminii incidente și este o sursă de unde coerente secundare, la secară. interferând cu unda incidentă pe mediu, ele formează unda luminoasă rezultată care se propagă în mediu cu viteza de fază și, prin urmare,

Intensitatea surselor de lumină convenționale (non-laser) este relativ scăzută; câmpul unei unde luminoase care acționează asupra unui atom este mult mai mic decât electric intra-atomic. câmpuri și un electron dintr-un atom poate fi considerat armonic. oscilator. În această aproximare, valoarea lui și P. p.

Sunt valori constante (la o frecventa data), independente de intensitatea luminii. În fluxurile intense de lumină create de lasere puternice, magnitudinea electrică. câmpul unei unde luminoase poate fi proporțional cu cel bogat în electricitate intra-atomică. câmpurile și modelul de armonie, oscilatorul se dovedește a fi inacceptabil. Luarea în considerare a anarmonicității forțelor din sistemul electron-atom duce la dependența polarizabilitatea atomului și, prin urmare, a coeficientului de polarizare, de intensitatea luminii. Legătura dintre și se dovedește a fi neliniară; P. p. poate fi reprezentat sub forma

Unde - P. p. la intensități luminoase scăzute; (desemnare de obicei acceptată) - o adăugare neliniară la P. p. sau coeficient. neliniaritate. P. p. depinde de natura mediului, de exemplu. pentru pahare de silicat

P. p. este de asemenea afectat de intensitate mare ca urmare a efectului electrostricție, modificarea densității mediului, de înaltă frecvență pentru moleculele anizotrope (într-un lichid), precum și ca urmare a creșterii temperaturii cauzată de absorbție

Legile fizicii joacă un rol foarte important în efectuarea calculelor pentru planificarea unei strategii specifice pentru producerea oricărui produs sau în elaborarea unui proiect de construcție a structurilor în diverse scopuri. Sunt calculate multe valori, astfel încât măsurătorile și calculele sunt făcute înainte de a începe lucrările de planificare. De exemplu, indicele de refracție al sticlei este egal cu raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție.

Deci, mai întâi există un proces de măsurare a unghiurilor, apoi se calculează sinusul lor și numai atunci puteți obține valoarea dorită. În ciuda disponibilității datelor tabelare, merită să efectuați calcule suplimentare de fiecare dată, deoarece cărțile de referință folosesc adesea condiții ideale care sunt aproape imposibil de realizat în viața reală. Prin urmare, în realitate, indicatorul va diferi în mod necesar de cel tabelar, iar în unele situații acest lucru are o importanță fundamentală.

Indicator absolut

Indicele de refracție absolut depinde de marca sticlei, deoarece în practică există un număr mare de opțiuni care diferă în ceea ce privește compoziția și gradul de transparență. În medie, este de 1,5 și fluctuează în jurul acestei valori cu 0,2 într-o direcție sau alta. În cazuri rare, pot exista abateri de la această cifră.

Din nou, dacă un indicator exact este important, atunci măsurătorile suplimentare sunt indispensabile. Dar nici măcar acestea nu dau un rezultat 100% fiabil, deoarece poziția soarelui pe cer și înnorarea în ziua măsurătorilor vor afecta valoarea finală. Din fericire, în 99,99% din cazuri, este suficient să știi pur și simplu că indicele de refracție al unui material precum sticla este mai mare de unu și mai mic de doi, iar toate celelalte zecimi și sutimi nu joacă un rol.

Pe forumurile care ajută la rezolvarea problemelor de fizică, întrebarea clipește adesea, care este indicele de refracție al sticlei și al diamantului? Mulți oameni cred că, deoarece aceste două substanțe sunt similare ca aspect, atunci proprietățile lor ar trebui să fie aproximativ aceleași. Dar aceasta este o iluzie.

Refracția maximă pentru sticlă va fi în jur de 1,7, în timp ce pentru diamant această cifră ajunge la 2,42. Această bijuterie este unul dintre puținele materiale de pe Pământ al căror indice de refracție depășește 2. Acest lucru se datorează structurii sale cristaline și răspândirii mari a razelor de lumină. Fațetarea joacă un rol minim în modificările valorii tabelului.

Indicator relativ

Indicatorul relativ pentru unele medii poate fi caracterizat astfel:

• - indicele de refracție al sticlei față de apă este de aproximativ 1,18;
• - indicele de refracție al aceluiași material față de aer este egal cu 1,5;
• - indicele de refracție relativ la alcool - 1.1.

Măsurarea indicatorului și calcularea valorii relative se efectuează conform unui algoritm binecunoscut. Pentru a găsi un parametru relativ, trebuie să împărțiți o valoare a tabelului la alta. Sau faceți calcule experimentale pentru două medii și apoi împărțiți datele obținute. Astfel de operațiuni sunt adesea efectuate în clasele de laborator de fizică.

Determinarea indicelui de refracție

Este destul de dificil să se determine indicele de refracție al sticlei în practică, deoarece sunt necesare instrumente de înaltă precizie pentru măsurarea datelor inițiale. Orice eroare va crește, deoarece calculul utilizează formule complexe care necesită absența erorilor.

În general, acest coeficient arată de câte ori viteza de propagare a razelor de lumină încetinește la trecerea printr-un anumit obstacol. Prin urmare, este tipic numai pentru materiale transparente. Pentru valoarea de referință, adică pentru unitate, se ia indicele de refracție al gazelor. Acest lucru a fost făcut pentru a putea pleca de la o anumită valoare în calcule.

Dacă o rază de soare cade pe o suprafață de sticlă cu un indice de refracție egal cu valoarea tabelului, atunci acesta poate fi modificat în mai multe moduri:

• 1. Lipiți deasupra o peliculă în care indicele de refracție va fi mai mare decât cel al sticlei. Acest principiu este folosit la nuanțarea geamurilor auto pentru a îmbunătăți confortul pasagerilor și pentru a permite șoferului să vadă drumul mai clar. De asemenea, filmul va reține și radiațiile ultraviolete.
• 2. Vopsește sticla cu vopsea. Aceasta este ceea ce fac producătorii de ochelari de soare ieftini, dar fiți conștienți de faptul că poate fi dăunător vederii. La modelele bune, ochelarii se produc imediat colorați folosind o tehnologie specială.
• 3. Scufundați paharul în puțin lichid. Acest lucru este util doar pentru experimente.

Dacă fasciculul de lumină trece din sticlă, atunci indicele de refracție pe următorul material este calculat folosind coeficientul relativ, care poate fi obținut prin compararea valorilor tabelare între ele. Aceste calcule sunt foarte importante în proiectarea sistemelor optice care poartă o sarcină practică sau experimentală. Erorile nu sunt permise aici, deoarece vor cauza funcționarea defectuoasă a întregului dispozitiv, iar apoi orice date primite cu acesta vor fi inutile.

Pentru a determina viteza luminii în sticlă cu un indice de refracție, trebuie să împărțiți valoarea absolută a vitezei în vid la indicele de refracție. Vidul este folosit ca mediu de referință, deoarece refracția nu acționează acolo din cauza absenței oricăror substanțe care ar putea interfera cu mișcarea nestingherită a razelor de lumină de-a lungul unei anumite traiectorii.

În orice indicator calculat, viteza va fi mai mică decât în ​​mediul de referință, deoarece indicele de refracție este întotdeauna mai mare decât unu.

Refracția luminii- un fenomen în care un fascicul de lumină, care trece de la un mediu la altul, își schimbă direcția la limita acestor medii.

Refracția luminii are loc conform următoarei legi:
Razele incidente și refractate și perpendiculara trasă pe interfața dintre două medii în punctul de incidență al fasciculului se află în același plan. Raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este o valoare constantă pentru două medii:
,
Unde α - unghiu de incidenta,
β - unghiul de refracție
n - o valoare constantă independentă de unghiul de incidență.

Când se modifică unghiul de incidență, se modifică și unghiul de refracție. Cu cât unghiul de incidență este mai mare, cu atât unghiul de refracție este mai mare.
Dacă lumina trece de la un mediu optic mai puțin dens la un mediu mai dens, atunci unghiul de refracție este întotdeauna mai mic decât unghiul de incidență: β < α.
Un fascicul de lumină direcționat perpendicular pe interfața dintre două medii trece de la un mediu la altul fără să se rupă.

indicele absolut de refracție al unei substanțe- o valoare egală cu raportul vitezelor de fază ale luminii (unde electromagnetice) în vid și într-un mediu dat n=c/v
Valoarea n inclusă în legea refracției se numește indice de refracție relativ pentru o pereche de medii.

Valoarea n este indicele de refracție relativ al mediului B față de mediul A și n" = 1/n este indicele de refracție relativ al mediului A față de mediul B.
Această valoare, ceteris paribus, este mai mare decât unitatea atunci când fasciculul trece de la un mediu mai dens la un mediu mai puțin dens și mai mică decât unitatea când fasciculul trece de la un mediu mai puțin dens la un mediu mai dens (de exemplu, de la un gaz sau de la vid la un lichid sau solid). Există excepții de la această regulă și, prin urmare, se obișnuiește să se numească un mediu optic mai mult sau mai puțin dens decât altul.
Un fascicul care cade din spațiul fără aer pe suprafața unui mediu B este refractat mai puternic decât atunci când cade pe ea dintr-un alt mediu A; Indicele de refracție al unei raze incidente pe un mediu din spațiul fără aer se numește indicele său absolut de refracție.

(Absolut - relativ la vid.
Relativ - relativ la orice altă substanță (același aer, de exemplu).
Indicele relativ al două substanțe este raportul dintre indicii lor absoluti.)

Reflecție internă totală- reflexie internă, cu condiția ca unghiul de incidență să depășească un anumit unghi critic. În acest caz, unda incidentă este reflectată complet, iar valoarea coeficientului de reflexie depășește cele mai mari valori ale sale pentru suprafețele lustruite. Coeficientul de reflexie pentru reflexia internă totală nu depinde de lungimea de undă.

În optică, acest fenomen este observat pentru un spectru larg de radiații electromagnetice, inclusiv domeniul de raze X.

În optica geometrică, fenomenul este explicat în termenii legii lui Snell. Având în vedere că unghiul de refracție nu poate depăși 90°, obținem că la un unghi de incidență al cărui sinus este mai mare decât raportul dintre indicele de refracție inferior și indicele mai mare, unda electromagnetică ar trebui să fie reflectată complet în primul mediu.

În conformitate cu teoria undelor a fenomenului, unda electromagnetică pătrunde totuși în al doilea mediu - așa-numita „undă neuniformă” se propagă acolo, care se degradează exponențial și nu duce cu ea energie. Adâncimea caracteristică de pătrundere a unei unde neomogene în al doilea mediu este de ordinul lungimii de undă.

Legile refracției luminii.

Din tot ce s-a spus, concluzionăm:
1 . La interfața dintre două medii de densitate optică diferită, un fascicul de lumină își schimbă direcția atunci când trece de la un mediu la altul.
2. Când un fascicul de lumină trece într-un mediu cu o densitate optică mai mare, unghiul de refracție este mai mic decât unghiul de incidență; când un fascicul de lumină trece de la un mediu mai dens optic la un mediu mai puțin dens, unghiul de refracție este mai mare decât unghiul de incidență.
Refracția luminii este însoțită de reflexie, iar odată cu creșterea unghiului de incidență, luminozitatea fasciculului reflectat crește, iar cel refractat se slăbește. Acest lucru poate fi văzut prin efectuarea experimentului prezentat în figură. În consecință, fasciculul reflectat duce cu cât mai multă energie luminoasă, cu atât unghiul de incidență este mai mare.

Lăsa MN- interfața dintre două medii transparente, de exemplu, aer și apă, SA- grindă în cădere OV- fascicul refractat, - unghiul de incidență, - unghiul de refracție, - viteza de propagare a luminii în primul mediu, - viteza de propagare a luminii în al doilea mediu.

Refracția sau refracția este un fenomen în care o schimbare a direcției unui fascicul de lumină, sau a altor unde, are loc atunci când trec granița care separă două medii, ambele transparente (transmițând aceste unde), și în interiorul unui mediu în care proprietățile sunt continuu. schimbându-se.

Fenomenul de refracție îl întâlnim destul de des și îl percepem ca pe un fenomen obișnuit: putem observa că un băț într-un pahar transparent cu un lichid colorat este „rupt” în punctul în care aerul și apa se separă (Fig. 1). Când lumina este refractată și reflectată în timpul ploii, ne bucurăm când vedem un curcubeu (Fig. 2).

Indicele de refracție este o caracteristică importantă a unei substanțe legată de proprietățile sale fizico-chimice. Depinde de valorile temperaturii, precum și de lungimea de undă a undelor luminoase la care se efectuează determinarea. Conform datelor de control al calității dintr-o soluție, indicele de refracție este afectat de concentrația substanței dizolvate în ea, precum și de natura solventului. În special, indicele de refracție al serului sanguin este afectat de cantitatea de proteine ​​​​conținută în acesta.Acest lucru se datorează faptului că, la viteze diferite de propagare a razelor de lumină în medii cu densități diferite, direcția acestora se schimbă la interfața dintre două medii. . Dacă împărțim viteza luminii în vid la viteza luminii în substanța studiată, obținem indicele de refracție absolut (indicele de refracție). În practică, se determină indicele de refracție relativ (n), care este raportul dintre viteza luminii în aer și viteza luminii în substanța studiată.

Indicele de refracție este cuantificat folosind un dispozitiv special - un refractometru.

Refractometria este una dintre cele mai ușoare metode de analiză fizică și poate fi utilizată în laboratoarele de control al calității în producția de aditivi alimentari chimici, alimentari, biologic activi, cosmetice și alte tipuri de produse cu un timp și un număr minim de probe de testat.

Proiectarea refractometrului se bazează pe faptul că razele de lumină sunt complet reflectate atunci când trec prin limita a două medii (unul dintre ele este o prismă de sticlă, celălalt este soluția de testare) (Fig. 3).

Orez. 3. Schema refractometrului

De la sursa (1), fasciculul de lumină cade pe suprafața oglinzii (2), apoi, fiind reflectat, trece în prisma de iluminare superioară (3), apoi în prisma de măsurare inferioară (4), care este din sticlă. cu un indice de refracție ridicat. Între prisme (3) și (4) se aplică 1–2 picături de probă cu ajutorul unui capilar. Pentru a nu provoca deteriorarea mecanică a prismei, este necesar să nu atingeți suprafața acesteia cu un capilar.

Ocularul (9) vede un câmp cu linii încrucișate pentru a seta interfața. Prin deplasarea ocularului, punctul de intersecție al câmpurilor trebuie aliniat cu interfața (Fig. 4).Planul prismei (4) joacă rolul interfeței, pe suprafața căreia se refractă fasciculul luminos. Deoarece razele sunt împrăștiate, marginea luminii și umbrei se dovedește a fi neclară, irizată. Acest fenomen este eliminat de compensatorul de dispersie (5). Apoi fasciculul este trecut prin lentilă (6) și prismă (7). Pe placa (8) se află curse de reticulă (două linii drepte încrucișate în cruce), precum și o scară cu indici de refracție, care se observă în ocularul (9). Este folosit pentru a calcula indicele de refracție.

Linia de despărțire a limitelor câmpului va corespunde unghiului de reflexie totală internă, care depinde de indicele de refracție al probei.

Refractometria este utilizată pentru a determina puritatea și autenticitatea unei substanțe. Această metodă este, de asemenea, utilizată pentru a determina concentrația de substanțe în soluții în timpul controlului calității, care este calculată dintr-un grafic de calibrare (un grafic care arată dependența indicelui de refracție al unei probe de concentrația sa).

În KorolevPharm, indicele de refracție este determinat în conformitate cu documentația de reglementare aprobată în timpul controlului de intrare al materiilor prime, în extrase din producția proprie, precum și în producția de produse finite. Determinarea se face de către angajați calificați ai unui laborator fizic și chimic acreditat folosind un refractometru IRF-454 B2M.

Dacă, pe baza rezultatelor controlului de intrare a materiilor prime, indicele de refracție nu îndeplinește cerințele necesare, departamentul de control al calității întocmește un Act de Neconformitate, în baza căruia acest lot de materii prime este returnat către Furnizorul.

Metoda de determinare

1. Inainte de inceperea masuratorilor se verifica curatenia suprafetelor prismelor aflate in contact intre ele.

2. Verificare punct zero. Aplicam 2÷3 picaturi de apa distilata pe suprafata prismei de masurat, inchidem cu grija cu o prisma de iluminare. Deschide fereastra de iluminare și, folosind o oglindă, setează sursa de lumină în direcția cea mai intensă. Prin rotirea șuruburilor ocularului, obținem o distincție clară și clară între câmpurile întunecate și cele deschise în câmpul său vizual. Rotim șurubul și direcționăm linia de umbră și lumină astfel încât să coincidă cu punctul în care liniile se intersectează în fereastra superioară a ocularului. Pe linia verticală din fereastra inferioară a ocularului vedem rezultatul dorit - indicele de refracție al apei distilate la 20 ° C (1,333). Dacă citirile sunt diferite, setați indicele de refracție la 1,333 cu un șurub, iar cu ajutorul unei chei (scoateți șurubul de reglare) aducem marginea umbrei și luminii în punctul de intersecție a liniilor.

3. Determinați indicele de refracție. Ridicați camera de iluminare a prismei și îndepărtați apa cu hârtie de filtru sau un șervețel de tifon. Apoi, aplicați 1-2 picături de soluție de testare pe suprafața prismei de măsurare și închideți camera. Rotim șuruburile până când marginile umbrei și luminii coincid cu punctul de intersecție al liniilor. Pe linia verticală din fereastra inferioară a ocularului, vedem rezultatul dorit - indicele de refracție al probei de testat. Calculăm indicele de refracție pe scara din fereastra inferioară a ocularului.

4. Cu ajutorul graficului de calibrare, stabilim relația dintre concentrația soluției și indicele de refracție. Pentru a construi un grafic, este necesar să se pregătească soluții standard de mai multe concentrații folosind preparate de substanțe chimic pure, să se măsoare indicii lor de refracție și să se pună pe grafic valorile obținute pe axa ordonatelor și să se pună pe grafic concentrațiile corespunzătoare de soluții pe axa absciselor. Este necesar să se aleagă intervalele de concentrație la care se observă o relație liniară între concentrație și indicele de refracție. Măsurăm indicele de refracție al probei de testat și folosim graficul pentru a determina concentrația acestuia.