Zákon lomu svetla. Absolútne a relatívne indexy (koeficienty) lomu. Totálny vnútorný odraz

Zákon lomu svetla bola založená empiricky v 17. storočí. Keď svetlo prechádza z jedného priehľadného média do druhého, smer svetla sa môže zmeniť. Zmena smeru svetla na rozhraní rôznych médií sa nazýva lom svetla. Vševedúcnosť lomu je zjavná zmena tvaru objektu. (príklad: lyžica v pohári vody). Zákon lomu svetla: Na hranici dvoch prostredí leží lomený lúč v rovine dopadu a vytvára s normálou k rozhraniu obnovenou v bode dopadu uhol lomu taký, že: = n 1- pád, 2 odrazy, n-index lomu (f. Snelius) - relatívny ukazovateľ Index lomu lúča dopadajúceho na médium z bezvzduchového priestoru sa nazýva jeho absolútny index lomu. Uhol dopadu, pri ktorom lomený lúč začne kĺzať po rozhraní medzi dvoma médiami bez prechodu do opticky hustejšieho média - hraničný uhol celkového vnútorného odrazu. Totálny vnútorný odraz- vnútorný odraz za predpokladu, že uhol dopadu presahuje určitý kritický uhol. V tomto prípade sa dopadajúca vlna úplne odráža a hodnota koeficientu odrazu presahuje svoje najvyššie hodnoty pre leštené povrchy. Koeficient odrazu pre úplný vnútorný odraz nezávisí od vlnovej dĺžky. V optike je tento jav pozorovaný pre široké spektrum elektromagnetického žiarenia vrátane röntgenového rozsahu. V geometrickej optike sa jav vysvetľuje v zmysle Snellovho zákona. Vzhľadom na to, že uhol lomu nemôže presiahnuť 90°, dostaneme, že pri uhle dopadu, ktorého sínus je väčší ako pomer menšieho indexu lomu k väčšiemu, by sa elektromagnetická vlna mala úplne odrážať do prvého prostredia. Príklad: Jasný lesk mnohých prírodných kryštálov, a najmä fazetovaných drahokamov a polodrahokamov, sa vysvetľuje úplným vnútorným odrazom, v dôsledku ktorého každý lúč, ktorý vstupuje do kryštálu, vytvára veľké množstvo pomerne jasných lúčov, ktoré vychádzajú, sfarbené ako výsledok rozptylu.

REFRAKTÍVNY INDIKÁTOR(index lomu) - optické. environmentálna charakteristika spojená s lom svetla na rozhraní dvoch transparentných opticky homogénnych a izotropných prostredí pri jeho prechode z jedného prostredia do druhého a v dôsledku rozdielu fázových rýchlostí šírenia svetla v médiách. Hodnota P. p., rovná pomeru týchto rýchlostí. príbuzný

P. p. týchto prostredí. Ak svetlo dopadá na druhé alebo prvé médium (odkiaľ rýchlosť šírenia svetla s), potom sú množstvá absolútne P. p. týchto prostredí. V tomto prípade môže byť zákon lomu napísaný v tvare kde a sú uhly dopadu a lomu.

Veľkosť absolútneho P. p. závisí od povahy a štruktúry látky, jej stavu agregácie, teploty, tlaku atď. Pri vysokých intenzitách závisí p. p. od intenzity svetla (viď. nelineárna optika). V rade látok sa vplyvom vonkajších mení P. p. elektrický polia ( Kerrov efekt- v kvapalinách a plynoch; elektro-optické Pockelsov efekt- v kryštáloch).

Pre dané médium závisí absorpčný pás od vlnovej dĺžky l svetla a v oblasti absorpčných pásov je táto závislosť anomálna (pozri obr. Rozptyl svetla). Pre takmer všetky médiá je absorpčný pás blízky 1, vo viditeľnej oblasti pre kvapaliny a tuhé látky je to asi 1,5; v IR oblasti pre množstvo transparentných médií 4.0 (pre Ge).

Charakterizujú ich dva parametrické javy: obyčajný (podobný izotropným prostrediam) a mimoriadny, ktorých veľkosť závisí od uhla dopadu lúča a následne od smeru šírenia svetla v prostredí (pozri obr. Kryštálová optika Pre médiá s absorpciou (najmä pre kovy) je absorpčný koeficient komplexná veličina a môže byť vyjadrená ako kde n je obvyklý absorpčný koeficient, je absorpčný index (pozri. absorpcia svetla, kovová optika).

P. p. je makroskopický. charakteristické pre prostredie a je spojené s jeho permitivita n magn. priepustnosť klasické elektronická teória (porov. Rozptyl svetla) umožňuje spojiť hodnotu P. p. s mikroskopickou. charakteristika prostredia - elektron polarizovateľnosť atóm (alebo molekula) v závislosti od povahy atómov a frekvencie svetla a prostredia: kde N je počet atómov na jednotku objemu. Pôsobenie na atóm (molekulu) elektr. pole svetelnej vlny spôsobí posun optiky. elektrón z rovnovážnej polohy; atóm sa indukuje. dipólový moment meniaci sa v čase s frekvenciou dopadajúceho svetla a je zdrojom sekundárnych koherentných vĺn, to-raže. pri interferencii s vlnou dopadajúcou na médium vytvárajú výslednú svetelnú vlnu šíriacu sa v médiu fázovou rýchlosťou, a preto

Intenzita konvenčných (nelaserových) svetelných zdrojov je relatívne nízka; pole svetelnej vlny pôsobiacej na atóm je oveľa menšie ako vnútroatómové elektrické. polia a elektrón v atóme možno považovať za harmonický. oscilátor. V tejto aproximácii je hodnota a P. p.

Sú to konštantné hodnoty (pri danej frekvencii), nezávislé od intenzity svetla. V intenzívnych svetelných tokoch vytvorených výkonnými lasermi je veľkosť elektr. pole svetelnej vlny môže byť úmerné vnútroatómovej elektrine bohaté. poliach a modeli harmónie sa oscilátor ukazuje ako neprijateľný. Zohľadnenie anharmonicity síl v systéme elektrón-atóm vedie k závislosti polarizovateľnosti atómu, a tým aj koeficientu polarizácie, od intenzity svetla. Spojenie medzi a sa ukazuje ako nelineárne; P. p. môže byť zastúpený vo forme

Kde - P. p. pri nízkej intenzite svetla; (zvyčajne akceptované označenie) - nelineárne pridanie k P. p., alebo koeficientu. nelinearita. P. p. závisí od charakteru prostredia, napr. pre silikátové sklo

Vysoká intenzita v dôsledku účinku je ovplyvnená aj P. p elektrostrikcia, zmena hustoty média, vysoká frekvencia pre anizotropné molekuly (v kvapaline), ako aj v dôsledku zvýšenia teploty spôsobeného absorpciou

Fyzikálne zákony zohrávajú veľmi dôležitú úlohu pri vykonávaní výpočtov na plánovanie špecifickej stratégie výroby akéhokoľvek produktu alebo pri zostavovaní projektu výstavby konštrukcií na rôzne účely. Vypočítava sa veľa hodnôt, takže merania a výpočty sa vykonávajú pred začatím plánovacích prác. Napríklad index lomu skla sa rovná pomeru sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu.

Najprv teda prebieha proces merania uhlov, potom sa vypočíta ich sínus a až potom môžete získať požadovanú hodnotu. Napriek dostupnosti tabuľkových údajov sa oplatí zakaždým vykonať dodatočné výpočty, pretože referenčné knihy často používajú ideálne podmienky, ktoré je v reálnom živote takmer nemožné dosiahnuť. Preto sa v skutočnosti bude ukazovateľ nevyhnutne líšiť od tabuľkového a v niektorých situáciách má zásadný význam.

Absolútny ukazovateľ

Absolútny index lomu závisí od značky skla, pretože v praxi existuje veľké množstvo možností, ktoré sa líšia zložením a stupňom priehľadnosti. V priemere je to 1,5 a okolo tejto hodnoty sa pohybuje o 0,2 v jednom alebo druhom smere. V zriedkavých prípadoch môžu existovať odchýlky od tohto čísla.

Opäť, ak je dôležitý presný ukazovateľ, potom sú nevyhnutné dodatočné merania. Ale ani tie neposkytnú 100% spoľahlivý výsledok, pretože konečnú hodnotu ovplyvní poloha slnka na oblohe a oblačnosť v deň meraní. Našťastie v 99,99% prípadov stačí jednoducho vedieť, že index lomu materiálu ako je sklo je väčší ako jedna a menší ako dve a všetky ostatné desatiny a stotiny nehrajú rolu.

Na fórach, ktoré pomáhajú riešiť problémy vo fyzike, často bliká otázka, aký je index lomu skla a diamantu? Mnoho ľudí si myslí, že keďže tieto dve látky majú podobný vzhľad, ich vlastnosti by mali byť približne rovnaké. Ale to je klam.

Maximálny lom skla bude okolo 1,7, zatiaľ čo pre diamant toto číslo dosiahne 2,42. Tento drahokam je jedným z mála materiálov na Zemi, ktorého index lomu presahuje 2. Je to spôsobené jeho kryštalickou štruktúrou a veľkým šírením svetelných lúčov. Fazetovanie hrá minimálnu úlohu pri zmenách hodnoty tabuľky.

Relatívny ukazovateľ

Relatívny ukazovateľ pre niektoré prostredia možno charakterizovať takto:

• - index lomu skla vo vzťahu k vode je približne 1,18;
• - index lomu toho istého materiálu vo vzťahu k vzduchu sa rovná 1,5;
• - index lomu vo vzťahu k alkoholu - 1,1.

Meranie ukazovateľa a výpočet relatívnej hodnoty sa vykonáva podľa dobre známeho algoritmu. Ak chcete nájsť relatívny parameter, musíte rozdeliť jednu hodnotu tabuľky druhou. Alebo urobte experimentálne výpočty pre dve prostredia a potom rozdeľte získané údaje. Takéto operácie sa často vykonávajú v laboratórnych triedach fyziky.

Stanovenie indexu lomu

Stanovenie indexu lomu skla v praxi je dosť ťažké, pretože na meranie počiatočných údajov sú potrebné vysoko presné prístroje. Akákoľvek chyba sa zvýši, pretože výpočet používa zložité vzorce, ktoré vyžadujú absenciu chýb.

Vo všeobecnosti tento koeficient ukazuje, koľkokrát sa rýchlosť šírenia svetelných lúčov spomalí pri prechode cez určitú prekážku. Preto je typický len pre priehľadné materiály. Pre referenčnú hodnotu, to znamená pre jednotku, sa berie index lomu plynov. Urobilo sa to preto, aby bolo možné vychádzať z nejakej hodnoty vo výpočtoch.

Ak slnečný lúč dopadá na sklenený povrch s indexom lomu, ktorý sa rovná tabuľkovej hodnote, možno ho zmeniť niekoľkými spôsobmi:

• 1. Na vrch nalepte fóliu, v ktorej bude index lomu vyšší ako u skla. Tento princíp sa používa pri tónovaní skiel automobilov na zlepšenie pohodlia pasažierov a umožnenie vodičovi lepšie vidieť na cestu. Film tiež zadrží ultrafialové žiarenie.
• 2. Sklo natrieme farbou. Takto to robia výrobcovia lacných slnečných okuliarov, no treba si uvedomiť, že to môže poškodiť váš zrak. V dobrých modeloch sa okuliare ihneď vyrábajú farebné pomocou špeciálnej technológie.
• 3. Ponorte pohár do nejakej tekutiny. Toto je užitočné len pre experimenty.

Ak svetelný lúč prechádza zo skla, potom sa index lomu na ďalšom materiáli vypočíta pomocou relatívneho koeficientu, ktorý možno získať porovnaním tabuľkových hodnôt navzájom. Tieto výpočty sú veľmi dôležité pri navrhovaní optických systémov, ktoré nesú praktickú alebo experimentálnu záťaž. Chyby tu nie sú povolené, pretože spôsobia poruchu celého zariadenia a potom budú akékoľvek dáta prijaté s ním zbytočné.

Na určenie rýchlosti svetla v skle s indexom lomu je potrebné vydeliť absolútnu hodnotu rýchlosti vo vákuu indexom lomu. Ako referenčné médium sa používa vákuum, pretože tam nepôsobí refrakcia kvôli absencii akýchkoľvek látok, ktoré by mohli narúšať nerušený pohyb svetelných lúčov po danej trajektórii.

Vo všetkých vypočítaných ukazovateľoch bude rýchlosť nižšia ako v referenčnom médiu, pretože index lomu je vždy väčší ako jedna.

Lom svetla- jav, pri ktorom lúč svetla prechádzajúci z jedného prostredia do druhého mení smer na hranici týchto prostredí.

K lomu svetla dochádza podľa nasledujúceho zákona:
Dopadajúce a lomené lúče a kolmica vedená na rozhranie medzi dvoma prostrediami v bode dopadu lúča ležia v rovnakej rovine. Pomer sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu je konštantná hodnota pre dve prostredia:
,
kde α - uhol dopadu,
β - uhol lomu
n - konštantná hodnota nezávislá od uhla dopadu.

Keď sa zmení uhol dopadu, zmení sa aj uhol lomu. Čím väčší je uhol dopadu, tým väčší je uhol lomu.
Ak svetlo prechádza z opticky menej hustého prostredia do hustejšieho prostredia, potom je uhol lomu vždy menší ako uhol dopadu: β < α.
Lúč svetla smerujúci kolmo na rozhranie medzi dvoma médiami prechádza z jedného média do druhého bez rozbitia.

absolútny index lomu látky- hodnota rovnajúca sa pomeru fázových rýchlostí svetla (elektromagnetických vĺn) vo vákuu a v danom prostredí n=c/v
Hodnota n zahrnutá v zákone lomu sa nazýva relatívny index lomu pre pár médií.

Hodnota n je relatívny index lomu média B vzhľadom na médium A a n" = 1/n je relatívny index lomu média A vzhľadom na médium B.
Táto hodnota, ceteris paribus, je väčšia ako jednota, keď lúč prechádza z hustejšieho média do média s menšou hustotou, a menšia než jedna, keď lúč prechádza z média s menšou hustotou do média s hustejšou (napríklad z plynu alebo z média). vákuum na kvapalinu alebo tuhú látku). Z tohto pravidla existujú výnimky, a preto je zvykom volať médium opticky viac či menej husté ako iné.
Lúč dopadajúci z bezvzduchového priestoru na povrch nejakého média B sa láme silnejšie ako keď naň dopadá z iného média A; Index lomu lúča dopadajúceho na médium z priestoru bez vzduchu sa nazýva jeho absolútny index lomu.

(Absolútne - vzhľadom na vákuum.
Relatívna - vo vzťahu k akejkoľvek inej látke (napríklad k rovnakému vzduchu).
Relatívny index dvoch látok je pomer ich absolútnych indexov.)

Totálny vnútorný odraz- vnútorný odraz za predpokladu, že uhol dopadu presahuje určitý kritický uhol. V tomto prípade sa dopadajúca vlna úplne odráža a hodnota koeficientu odrazu presahuje svoje najvyššie hodnoty pre leštené povrchy. Koeficient odrazu pre úplný vnútorný odraz nezávisí od vlnovej dĺžky.

V optike je tento jav pozorovaný pre široké spektrum elektromagnetického žiarenia vrátane röntgenového rozsahu.

V geometrickej optike sa jav vysvetľuje v zmysle Snellovho zákona. Vzhľadom na to, že uhol lomu nemôže presiahnuť 90°, dostaneme, že pri uhle dopadu, ktorého sínus je väčší ako pomer nižšieho indexu lomu k väčšiemu indexu, by sa elektromagnetická vlna mala úplne odrážať do prvého prostredia.

V súlade s vlnovou teóriou javu elektromagnetické vlnenie predsa len preniká do druhého prostredia – šíri sa tam takzvaná „nerovnomerná vlna“, ktorá sa exponenciálne rozpadá a neunáša so sebou energiu. Charakteristická hĺbka prieniku nehomogénnej vlny do druhého prostredia je rádovo vlnovej dĺžky.

Zákony lomu svetla.

Zo všetkého, čo bolo povedané, usudzujeme:
1 . Na rozhraní medzi dvoma médiami s rôznou optickou hustotou lúč svetla pri prechode z jedného média do druhého mení svoj smer.
2. Keď svetelný lúč prechádza do prostredia s vyššou optickou hustotou, uhol lomu je menší ako uhol dopadu; keď svetelný lúč prechádza z opticky hustejšieho prostredia do prostredia s menšou hustotou, uhol lomu je väčší ako uhol dopadu.
Lom svetla je sprevádzaný odrazom a so zväčšovaním uhla dopadu sa zvyšuje jas odrazeného lúča, kým lomený slabne. To je možné vidieť vykonaním experimentu znázorneného na obrázku. V dôsledku toho odrazený lúč unáša so sebou čím viac svetelnej energie, tým väčší je uhol dopadu.

Nechať byť MN- rozhranie medzi dvoma priehľadnými médiami, napríklad vzduchom a vodou, JSC- padajúci lúč OV- lomený lúč, - uhol dopadu, - uhol lomu, - rýchlosť šírenia svetla v prvom prostredí, - rýchlosť šírenia svetla v druhom prostredí.

Refrakcia alebo lom je jav, pri ktorom dochádza k zmene smeru lúča svetla alebo iných vĺn, keď prekročia hranicu oddeľujúcu dve prostredia, obe priehľadné (prepúšťajúce tieto vlny) a vnútri prostredia, v ktorom sa vlastnosti neustále menia. .

S fenoménom lomu sa stretávame pomerne často a vnímame ho ako obyčajný jav: vidíme, že tyčinka v priehľadnom pohári s farebnou tekutinou je „zlomená“ v mieste, kde sa vzduch a voda oddeľujú (obr. 1). Keď sa svetlo láme a odráža počas dažďa, radujeme sa, keď vidíme dúhu (obr. 2).

Index lomu je dôležitou charakteristikou látky súvisiacou s jej fyzikálno-chemickými vlastnosťami. Závisí to od hodnôt teploty, ako aj od vlnovej dĺžky svetelných vĺn, pri ktorých sa stanovenie uskutočňuje. Podľa údajov kontroly kvality v roztoku je index lomu ovplyvnený koncentráciou látky rozpustenej v roztoku, ako aj povahou rozpúšťadla. Najmä index lomu krvného séra je ovplyvnený množstvom v ňom obsiahnutých bielkovín, je to spôsobené tým, že pri rôznych rýchlostiach šírenia svetelných lúčov v médiách s rôznou hustotou sa mení ich smer na rozhraní medzi dvoma médiami. . Ak vydelíme rýchlosť svetla vo vákuu rýchlosťou svetla v skúmanej látke, dostaneme absolútny index lomu (index lomu). V praxi sa určuje relatívny index lomu (n), čo je pomer rýchlosti svetla vo vzduchu k rýchlosti svetla v skúmanej látke.

Index lomu sa kvantifikuje pomocou špeciálneho prístroja - refraktometra.

Refraktometria je jednou z najjednoduchších metód fyzikálnej analýzy a možno ju použiť v laboratóriách kontroly kvality pri výrobe chemických, potravinárskych, biologicky aktívnych potravinárskych aditív, kozmetických a iných druhov výrobkov s minimálnym časom a počtom vzoriek na testovanie.

Konštrukcia refraktometra je založená na skutočnosti, že svetelné lúče sa pri prechode cez hranicu dvoch prostredí (jedno je sklenený hranol, druhé skúšobný roztok) úplne odrážajú (obr. 3).

Ryža. 3. Schéma refraktometra

Zo zdroja (1) dopadá svetelný lúč na zrkadlovú plochu (2), potom pri odraze prechádza do horného osvetľovacieho hranola (3), potom do spodného meracieho hranola (4), ktorý je vyrobený zo skla. s vysokým indexom lomu. Medzi hranoly (3) a (4) sa pomocou kapiláry nanesú 1–2 kvapky vzorky. Aby nedošlo k mechanickému poškodeniu hranola, je potrebné nedotýkať sa jeho povrchu kapilárou.

Okulár (9) vidí pole s prekríženými čiarami na nastavenie rozhrania. Pohybom okuláru treba zarovnať priesečník polí s rozhraním (obr. 4.) Rovinu hranola (4) zohráva úlohu rozhrania, na povrchu ktorého sa láme svetelný lúč. Keďže lúče sú rozptýlené, hranica svetla a tieňa je rozmazaná, dúhová. Tento jav je eliminovaný disperzným kompenzátorom (5). Potom lúč prechádza cez šošovku (6) a hranol (7). Na doštičke (8) sú zameriavacie ťahy (dve krížom prekrížené rovné čiary), ako aj stupnica s indexmi lomu, ktorá je pozorovaná v okuláre (9). Používa sa na výpočet indexu lomu.

Deliaca čiara hraníc poľa bude zodpovedať uhlu vnútorného totálneho odrazu, ktorý závisí od indexu lomu vzorky.

Refraktometria sa používa na stanovenie čistoty a pravosti látky. Táto metóda sa používa aj na stanovenie koncentrácie látok v roztokoch pri kontrole kvality, ktorá sa vypočítava z kalibračného grafu (graf zobrazujúci závislosť indexu lomu vzorky od jej koncentrácie).

V KorolevPharm sa index lomu stanovuje v súlade so schválenou regulačnou dokumentáciou pri vstupnej kontrole surovín, vo výťažkoch z vlastnej výroby, ako aj pri výrobe hotových výrobkov. Stanovenie vykonávajú kvalifikovaní pracovníci akreditovaného fyzikálno-chemického laboratória pomocou refraktometra IRF-454 B2M.

Ak na základe výsledkov vstupnej kontroly surovín index lomu nespĺňa potrebné požiadavky, oddelenie kontroly kvality vypracuje zákon o nezhode, na základe ktorého sa táto šarža surovín vráti späť do dodávateľ.

Spôsob stanovenia

1. Pred začatím meraní sa skontroluje čistota povrchov hranolov, ktoré sa navzájom dotýkajú.

2. Kontrola nulového bodu. Na povrch meracieho hranola nanesieme 2÷3 kvapky destilovanej vody, opatrne uzavrieme osvetľovacím hranolom. Otvorte osvetľovacie okienko a pomocou zrkadla nastavte zdroj svetla najintenzívnejším smerom. Otáčaním skrutiek okulára získame v jeho zornom poli jasné, ostré rozlíšenie medzi tmavými a svetlými poľami. Otočíme skrutku a nasmerujeme čiaru tieňa a svetla tak, aby sa zhodovala s bodom, v ktorom sa čiary pretínajú v hornom okienku okuláru. Na zvislej čiare v spodnom okienku okuláru vidíme požadovaný výsledok - index lomu vody destilovanej pri 20 °C (1,333). Ak sú hodnoty odlišné, nastavte index lomu na 1,333 pomocou skrutky a pomocou kľúča (odstráňte nastavovaciu skrutku) privedieme hranicu tieňa a svetla k priesečníku čiar.

3. Určte index lomu. Zdvihnite komoru osvetlenia hranola a odstráňte vodu filtračným papierom alebo gázovým obrúskom. Potom naneste 1-2 kvapky testovacieho roztoku na povrch meracieho hranola a komôrku zatvorte. Skrutky otáčame, kým sa hranice tieňa a svetla nezhodujú s priesečníkom čiar. Na zvislej čiare v spodnom okienku okuláru vidíme požadovaný výsledok – index lomu testovanej vzorky. Index lomu vypočítame na stupnici v spodnom okienku okuláru.

4. Pomocou kalibračného grafu stanovíme vzťah medzi koncentráciou roztoku a indexom lomu. Na zostavenie grafu je potrebné pripraviť štandardné roztoky niekoľkých koncentrácií pomocou prípravkov chemicky čistých látok, zmerať ich indexy lomu a získané hodnoty vyniesť na zvislú os a na vodorovnú os vyniesť zodpovedajúce koncentrácie roztokov. Je potrebné zvoliť koncentračné intervaly, pri ktorých sa pozoruje lineárny vzťah medzi koncentráciou a indexom lomu. Zmeriame index lomu testovanej vzorky a pomocou grafu určíme jeho koncentráciu.