Optica este una dintre cele mai vechi ramuri ale fizicii. Din vremea lui Grecia antică, mulți filozofi au fost interesați de legile mișcării și propagării luminii în diverse materiale transparente precum apa, sticla, diamantul și aerul. În acest articol, este luat în considerare fenomenul de refracție a luminii, atenția fiind concentrată pe indicele de refracție al aerului.

Efect de refracție a fasciculului de lumină

Toată lumea din viața lui s-a confruntat de sute de ori cu acest efect când s-a uitat la fundul unui rezervor sau la un pahar cu apă cu un obiect plasat în el. În același timp, rezervorul nu părea atât de adânc pe cât era de fapt, iar obiectele dintr-un pahar cu apă păreau deformate sau sparte.

Fenomenul de refracție constă într-o rupere a traiectoriei sale rectilinie atunci când traversează interfața dintre două materiale transparente. Rezumând un numar mare de dintre aceste experimente, la începutul secolului al XVII-lea, olandezul Willebrord Snell a obținut o expresie matematică care descrie cu acuratețe acest fenomen. Această expresie este scrisă sub următoarea formă:

n 1 *sin(θ 1) = n 2 *sin(θ 2) = const.

Aici n 1 , n 2 sunt indicii de refracție absoluti ai luminii în materialul corespunzător, θ 1 și θ 2 sunt unghiurile dintre fasciculul incident și cel refractat și perpendiculara pe planul de interfață, care este trasat prin punctul de intersecție al fasciculului. și acest avion.

Această formulă se numește legea lui Snell sau Snell-Descartes (francezul a fost cel care a notat-o ​​în forma prezentată, olandezul a folosit nu sinusuri, ci unități de lungime).

Pe lângă această formulă, fenomenul de refracție este descris de o altă lege, care este de natură geometrică. Constă în faptul că perpendiculara marcată pe plan și două raze (refractată și incidentă) se află în același plan.

Indicele de refracție absolut

Această valoare este inclusă în formula Snell, iar valoarea ei joacă rol important. Din punct de vedere matematic, indicele de refracție n corespunde formulei:

Simbolul c este viteza undelor electromagnetice în vid. Este de aproximativ 3*10 8 m/s. Valoarea v este viteza luminii în mediu. Astfel, indicele de refracție reflectă cantitatea de încetinire a luminii într-un mediu în raport cu spațiul fără aer.

Din formula de mai sus rezultă două concluzii importante:

• valoarea lui n este întotdeauna mai mare decât 1 (pentru vid este egală cu unu);
• este o cantitate adimensională.

De exemplu, indicele de refracție al aerului este 1,00029, în timp ce pentru apă este de 1,33.

Indicele de refracție nu este o valoare constantă pentru un anumit mediu. Depinde de temperatura. Mai mult, pentru fiecare frecvență unde electromagnetice are propriul ei sens. Deci, cifrele de mai sus corespund unei temperaturi de 20 o C și părții galbene a spectrului vizibil (lungime de undă - aproximativ 580-590 nm).

Dependența valorii lui n de frecvența luminii se manifestă în expansiune lumină albă o prismă pe o serie de culori, precum și în formarea unui curcubeu pe cer în timpul ploii abundente.

Indicele de refracție al luminii în aer

Valoarea sa (1,00029) a fost deja dată mai sus. Deoarece indicele de refracție al aerului diferă doar cu a patra zecimală de zero, atunci pentru rezolvarea problemelor practice poate fi considerat egal cu unu. O mică diferență de n pentru aer față de unitate indică faptul că lumina practic nu este încetinită de moleculele de aer, ceea ce este asociat cu densitatea sa relativ scăzută. Astfel, densitatea medie a aerului este de 1,225 kg/m 3 , adică este de peste 800 de ori mai ușor decât apa dulce.

Aerul este un mediu optic subțire. Însuși procesul de încetinire a vitezei luminii într-un material este de natură cuantică și este asociat cu actele de absorbție și emisie de fotoni de către atomii materiei.

Modificările în compoziția aerului (de exemplu, o creștere a conținutului de vapori de apă din acesta) și schimbările de temperatură duc la modificări semnificative ale indicelui de refracție. Un prim exemplu este efectul unui miraj în deșert, care apare datorită diferenței indicilor de refracție ai straturilor de aer cu temperaturi diferite.

interfață sticlă-aer

Sticla este un mediu mult mai dens decât aerul. A lui indicator absolut refracția variază de la 1,5 la 1,66 în funcție de tipul de sticlă. Dacă luăm valoarea medie de 1,55, atunci refracția fasciculului la interfața aer-sticlă poate fi calculată folosind formula:

păcat (θ 1) / păcat (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1,55.

Valoarea lui n 21 se numește indicele de refracție relativ al aerului - sticlă. Dacă fasciculul iese din sticlă în aer, atunci trebuie utilizată următoarea formulă:

păcat (θ 1) / păcat (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1 / 1,55 \u003d 0,645.

Dacă unghiul fasciculului refractat în acest din urmă caz ​​este egal cu 90 o , atunci cel corespunzător se numește critic. Pentru limita sticlă-aer, este egală cu:

θ 1 \u003d arcsin (0,645) \u003d 40,17 o.

Dacă fasciculul cade pe limita sticlă-aer cu unghiuri mai mari de 40,17 o , atunci va fi reflectat complet înapoi în sticlă. Acest fenomen se numește „reflexie internă totală”.

Unghiul critic există doar atunci când fasciculul se deplasează dintr-un mediu dens (din sticlă în aer, dar nu invers).

Lecția 25/III-1 Propagarea luminii în diverse medii. Refracția luminii la interfața dintre două medii.

Învățarea de materiale noi.

Până acum, am luat în considerare propagarea luminii într-un singur mediu, ca de obicei - în aer. Lumina se poate propaga în diverse medii: trecerea de la un mediu la altul; în punctele de incidență, razele nu sunt doar reflectate de la suprafață, ci și trec parțial prin aceasta. Astfel de tranziții provoacă multe fenomene frumoase și interesante.

Modificarea direcției de propagare a luminii care trece prin limita a două medii se numește refracția luminii.

O parte din fasciculul de lumină incident pe interfața dintre două medii transparente este reflectată, iar o parte merge într-un alt mediu. În acest caz, direcția fasciculului de lumină, care a trecut într-un alt mediu, se schimbă. Prin urmare, fenomenul se numește refracție, iar fasciculul se numește refractat.

1 - fascicul incident

2 - fascicul reflectat

3 – fascicul refractat α β

OO 1 - granița dintre două medii

MN - perpendiculară O O 1

Unghiul format de fascicul și perpendiculara pe interfața dintre două medii, coborât până la punctul de incidență al fasciculului, se numește unghi de refracție. γ (gama).

Lumina în vid se deplasează cu o viteză de 300.000 km/s. În orice mediu, viteza luminii este întotdeauna mai mică decât în ​​vid. Prin urmare, atunci când lumina trece dintr-un mediu în altul, viteza acesteia scade și acesta este motivul refracției luminii. Cu cât viteza de propagare a luminii este mai mică într-un mediu dat, cu atât este mai mare densitatea optică a acestui mediu. De exemplu, aerul are o densitate optică mai mare decât în ​​vid, deoarece viteza luminii în aer este ceva mai mică decât în ​​vid. Densitatea optică a apei este mai mare decât densitatea optică a aerului, deoarece viteza luminii în aer este mai mare decât în ​​apă.

Cu cât densitățile optice ale două medii diferă mai mult, cu atât mai multă lumină este refractă la interfața lor. Cu cât viteza luminii se schimbă mai mult la interfața dintre două medii, cu atât este mai mult refractată.

Pentru fiecare substanță transparentă, există o caracteristică fizică atât de importantă precum indicele de refracție al luminii n. Arată de câte ori viteza luminii într-o anumită substanță este mai mică decât în ​​vid.

Indicele de refracție

Raportul dintre unghiul de incidență și unghiul de refracție depinde de densitatea optică a fiecărui mediu. Dacă un fascicul de lumină trece de la un mediu cu o densitate optică mai mică la un mediu cu o densitate optică mai mare, atunci unghiul de refracție va fi mai mic decât unghiul de incidență. Dacă un fascicul de lumină trece dintr-un mediu cu o densitate optică mai mare, atunci unghiul de refracție va fi mai mic decât unghiul de incidență. Dacă un fascicul de lumină trece de la un mediu cu o densitate optică mai mare la un mediu cu o densitate optică mai mică, atunci unghiul de refracție este mai mare decât unghiul de incidență.

Adică dacă n 1 y; dacă n 1 >n 2 , atunci α<γ.

Legea refracției luminii :

Fasciculul incident, fasciculul refractat și perpendiculara pe interfața dintre două medii în punctul de incidență al fasciculului se află în același plan.

Raporturile dintre unghiul de incidență și unghiul de refracție sunt determinate de formula.

unde este sinusul unghiului de incidență, este sinusul unghiului de refracție.

Valoarea sinusurilor și tangentelor pentru unghiurile 0 - 900

Legea refracției luminii a fost formulată pentru prima dată de astronomul și matematicianul olandez W. Snelius în jurul anului 1626, profesor la Universitatea din Leiden (1613).

Pentru secolul al XVI-lea, optica a fost o știință ultramodernă Dintr-o bilă de sticlă umplută cu apă, care era folosită ca lentilă, a apărut o lupă. Și din el au inventat o lunetă și un microscop. La acea vreme, Țările de Jos aveau nevoie de telescoape pentru a vedea coasta și a scăpa de inamici în timp util. Optica a fost cea care a asigurat succesul și fiabilitatea navigației. Prin urmare, în Țările de Jos, o mulțime de oameni de știință au fost interesați de optică. Olandezul Skel Van Royen (Snelius) a observat cum un fascicul subțire de lumină era reflectat într-o oglindă. El a măsurat unghiul de incidență și unghiul de reflexie și a descoperit că unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență. El deține și legile reflectării luminii. El a dedus legea refracției luminii.

Luați în considerare legea refracției luminii.

În el - indicele de refracție relativ al celui de-al doilea mediu față de primul, în cazul în care al doilea are o densitate optică mare. Dacă lumina este refractă și trece printr-un mediu cu o densitate optică mai mică, atunci α< γ, тогда

Dacă primul mediu este vid, atunci n 1 =1 atunci .

Acest indice se numește indicele absolut de refracție al celui de-al doilea mediu:

unde este viteza luminii în vid, viteza luminii într-un mediu dat.

O consecință a refracției luminii în atmosfera Pământului este faptul că vedem Soarele și stelele ușor deasupra poziției lor actuale. Refracția luminii poate explica apariția mirajelor, curcubeului... fenomenul refracției luminii stă la baza principiului de funcționare a dispozitivelor optice numerice: un microscop, un telescop, o cameră.

Lucrări de laborator

Refracția luminii. Măsurarea indicelui de refracție al unui lichid

cu un refractometru

Scopul lucrării: aprofundarea ideilor despre fenomenul refracţiei luminii; studiul metodelor de măsurare a indicelui de refracție al mediilor lichide; studiul principiului de funcționare cu un refractometru.

Echipamente: refractometru, soluții saline, pipetă, cârpă moale pentru ștergerea părților optice ale aparatelor.

Teorie

Legile reflexiei și refracției luminii. indicele de refracție.

La interfața dintre medii, lumina își schimbă direcția de propagare. O parte din energia luminii se întoarce în primul mediu, adică. lumina este reflectată. Dacă al doilea mediu este transparent, atunci o parte a luminii, în anumite condiții, trece prin interfața dintre medii, schimbând, de regulă, direcția de propagare. Acest fenomen se numește refracția luminii. (Fig. 1).

Orez. 1. Reflexia și refracția luminii pe o interfață plată între două medii.

Direcția razelor reflectate și refractate în timpul trecerii luminii printr-o interfață plană între două medii transparente este determinată de legile reflexiei și refracției luminii.

Legea reflexiei luminii. Raza reflectată se află în același plan cu raza incidentă și normalul restabilit în planul de interfață în punctul de incidență. Unghiu de incidenta egal cu unghiul de reflexie
.

Legea refracției luminii. Fasciculul refractat se află în același plan cu fasciculul incident și normalul este restabilit în planul de interfață în punctul de incidență. Raportul dintre sinusul unghiului de incidență α la sinusul unghiului de refracție β există o valoare constantă pentru aceste două medii, numită indicele de refracție relativ al celui de-al doilea mediu față de primul:

Indicele de refracție relativ două medii este egală cu raportul dintre viteza luminii în primul mediu v 1 și viteza luminii în al doilea mediu v 2:

Dacă lumina trece de la vid la un mediu, atunci indicele de refracție al mediului în raport cu vidul se numește indicele de refracție absolut al acestui mediu și este egal cu raportul vitezei luminii în vid. Cu la viteza luminii într-un mediu dat v:

Indicii de refracție absoluti sunt întotdeauna mai mari decât unu; pentru aer n luată ca unitate.

Indicele de refracție relativ al două medii poate fi exprimat în termeni de indici lor absoluti n 1 Și n 2 :

Determinarea indicelui de refracție al unui lichid

Pentru determinarea rapidă și convenabilă a indicelui de refracție al lichidelor, există instrumente optice speciale - refractometre, a căror parte principală sunt două prisme (Fig. 2): auxiliare etc. 1și măsurarea Ex 2. Lichidul de testare este turnat în golul dintre prisme.

La măsurarea indicatorilor se pot folosi două metode: metoda fasciculului de pășunat (pentru lichide transparente) și metoda reflexiei totale interioare (pentru soluții întunecate, tulburi și colorate). În această lucrare, primul dintre ele este folosit.

În metoda fasciculului de pășunat, lumina dintr-o sursă externă trece prin față AB prisme Ex 1, difuzează pe suprafața sa mată AC iar apoi prin stratul de lichid investigat pătrunde în prismă Ex 2. Suprafața mată devine o sursă de raze din toate direcțiile, așa că poate fi observată prin față EF prisme Ex 2. Cu toate acestea, linia AC poate fi văzut prin EF numai la un unghi mai mare decât un unghi minim limitator i. Valoarea acestui unghi este legată în mod unic de indicele de refracție al lichidului situat între prisme, care se va întâmpla să fie ideea principală a designului refractometrului.

Luați în considerare trecerea luminii printr-o față EF prismă de măsurare inferioară Ex 2. După cum se poate observa din fig. 2, aplicând de două ori legea refracției luminii, putem obține două relații:

(1)

(2)

Rezolvând acest sistem de ecuații, este ușor să ajungem la concluzia că indicele de refracție al lichidului

(3)

depinde de patru cantități: Q, r, r 1 Și i. Cu toate acestea, nu toate sunt independente. De exemplu,

r+ s= R , (4)

Unde R - unghiul de refracție al unei prisme Ex 2. În plus, prin setarea unghiului Q valoarea maximă este 90°, din ecuația (1) obținem:

(5)

Dar valoarea maximă a unghiului r , după cum se vede din fig. 2 și relațiile (3) și (4), corespund valorilor minime ale unghiurilor i Și r 1 , acestea. i min Și r min .

Astfel, indicele de refracție al unui lichid în cazul razelor „planare” este legat doar de unghi. i. În acest caz, există o valoare minimă a unghiului i, când marginea AC este încă observat, adică, în câmpul vizual, pare a fi alb în oglindă. Pentru unghiuri de vizualizare mai mici, marginea nu este vizibilă, iar în câmpul vizual acest loc apare negru. Deoarece telescopul instrumentului captează o zonă unghiulară relativ largă, în câmpul vizual se observă simultan zone luminoase și negre, granița dintre care corespunde unghiului minim de observare și este legată fără ambiguitate de indicele de refracție al lichidului. Folosind formula finală de calcul:

(concluzia sa este omisă) și un număr de lichide cu indici de refracție cunoscuți, este posibil să se calibreze dispozitivul, adică să se stabilească o corespondență unu-la-unu între indicii de refracție ai lichidelor și unghiurilor i min . Toate formulele de mai sus sunt derivate pentru raze de orice lungime de undă.

Lumina de diferite lungimi de unda va fi refracta, tinand cont de dispersia prismei. Astfel, atunci când prisma este iluminată cu lumină albă, interfața va fi neclară și colorată în diferite culori datorită dispersiei. Prin urmare, fiecare refractometru are un compensator care vă permite să eliminați rezultatul dispersiei. Poate consta din una sau două prisme de vedere directă - prisme Amici. Fiecare prismă Amici este formată din trei prisme de sticlă cu indici de refracție diferiți și dispersii diferite, de exemplu, prismele exterioare sunt din sticlă coroană, iar prisma din mijloc este din sticlă flint (sticlă coroană și sticla flint sunt tipuri de sticlă). Prin rotirea prismei compensatoare cu ajutorul unui dispozitiv special, se obține o imagine clară, incoloră a interfeței, a cărei poziție corespunde valorii indicelui de refracție pentru linia galbenă de sodiu. λ \u003d 5893 Å (prismele sunt proiectate astfel încât razele cu o lungime de undă de 5893 Å să nu experimenteze abateri în ele).

Razele care au trecut prin compensator intră în obiectivul telescopului, apoi trec prin prisma inversă prin ocularul telescopului în ochiul observatorului. Cursul schematic al razelor este prezentat în fig. 3.

Scara refractometrului este calibrată în ceea ce privește indicele de refracție și concentrația soluției de zaharoză în apă și este situată în planul focal al ocularului.

partea experimentală

Sarcina 1. Verificarea refractometrului.

Îndreptați lumina cu o oglindă către prisma auxiliară a refractometrului. Cu prisma auxiliară ridicată, pipetați câteva picături de apă distilată pe prisma de măsurare. Coborâți prisma secundară, obțineți cea mai bună iluminare a câmpului de vedere și setați ocularul astfel încât încrucișarea și scala indicelui de refracție să poată fi văzute clar. Întorcând camera prismei de măsurare, obțineți granița de lumină și umbră în câmpul vizual. Prin rotirea capului compensator, obțineți eliminarea colorării marginii de lumină și umbră. Aliniați marginea luminii și umbrelor cu punctul încrucișat și măsurați indicele de refracție al apei n ism . Dacă refractometrul funcționează, atunci valoarea ar trebui să fie pentru apă distilată n 0 = 1.333, dacă citirile diferă de această valoare, trebuie să determinați corecția Δn= n ism - 1.333, care ar trebui să fie luate în considerare în continuarea lucrărilor cu refractometrul. Faceți corecții în tabelul 1.

Tabelul 1.

Sarcina 2. Determinarea indicelui de refracție al unui lichid.

Determinați indicii de refracție ai soluțiilor de concentrații cunoscute, ținând cont de corecția constatată.

Masa 2.

Reprezentați grafic dependența indicelui de refracție al soluțiilor de clorură de sodiu de concentrație în funcție de rezultatele obținute. Faceți o concluzie despre dependența lui n de C; trageți concluzii despre acuratețea măsurătorilor pe un refractometru.

Luați o soluție de sare de concentrație necunoscută CU X , determinați-i indicele de refracție și găsiți concentrația soluției din grafic.

Curățați locul de muncă, ștergeți cu atenție prismele refractometrelor cu o cârpă curată umedă.

Întrebări de control

Reflexia si refractia luminii.

Indicii de refracție absoluti și relativi ai mediului.

Principiul de funcționare al refractometrului. Metoda grinzii glisante.

Cursul schematic al razelor într-o prismă. De ce sunt necesare prisme compensatoare?

Propagarea, reflectarea și refracția luminii

Natura luminii este electromagnetică. O dovadă în acest sens este coincidența dintre vitezele undelor electromagnetice și ale luminii în vid.

Într-un mediu omogen, lumina se propagă în linie dreaptă. Această afirmație se numește legea propagării rectilinie a luminii. O dovadă experimentală a acestei legi sunt umbrele ascuțite date de sursele punctiforme de lumină.

O linie geometrică care indică direcția de propagare a luminii se numește fascicul de lumină. Într-un mediu izotrop, razele de lumină sunt direcționate perpendicular pe frontul de undă.

Locul punctelor mediului care oscilează în aceeași fază se numește suprafață de undă, iar setul de puncte până la care oscilația a atins un anumit moment în timp se numește front de undă. În funcție de tipul de front de undă, se disting unde plane și sferice.

Pentru a explica procesul de propagare a luminii, se folosește principiul general al teoriei undelor despre mișcarea frontului de undă în spațiu, propus de fizicianul olandez H. Huygens. Conform principiului Huygens, fiecare punct al mediului, la care ajunge excitația luminii, este centrul undelor secundare sferice, care se propagă și ele cu viteza luminii. Anvelopa de suprafață a fronturilor acestor unde secundare dă poziția frontului undei care se propagă efectiv în acel moment de timp.

Este necesar să se facă distincția între fasciculele de lumină și razele de lumină. Un fascicul de lumină este o parte dintr-o undă luminoasă care transportă energia luminoasă într-o direcție dată. Când se înlocuiește un fascicul de lumină cu un fascicul de lumină care îl descrie, acesta din urmă trebuie considerat ca coincide cu axa unui fascicul de lumină destul de îngust, dar având o lățime finită (dimensiunile secțiunii transversale sunt mult mai mari decât lungimea de undă).

Există fascicule de lumină divergente, convergente și cvasi-paralele. Sunt adesea folosiți termenii fascicul de raze de lumină sau pur și simplu raze de lumină, adică un set de raze de lumină care descriu un fascicul de lumină real.

Viteza luminii în vid c = 3 108 m/s este o constantă universală și nu depinde de frecvență. Pentru prima dată, viteza luminii a fost determinată experimental prin metoda astronomică de către omul de știință danez O. Römer. A. Michelson a măsurat viteza luminii mai precis.

Viteza luminii în materie este mai mică decât în ​​vid. Raportul dintre viteza luminii în vid și viteza acesteia într-un mediu dat se numește indicele de refracție absolut al mediului:

unde c este viteza luminii în vid, v este viteza luminii într-un mediu dat. Indicii absoluti de refracție ai tuturor substanțelor sunt mai mari decât unitatea.

Când lumina se propagă într-un mediu, este absorbită și împrăștiată, iar la interfața dintre medii este reflectată și refractă.

Legea reflexiei luminii: fasciculul incident, fasciculul reflectat și perpendiculara pe interfața dintre două medii, restabilite în punctul de incidență al fasciculului, se află în același plan; unghiul de reflexie g este egal cu unghiul de incidență a (fig. 1). Această lege coincide cu legea reflexiei pentru undele de orice natură și poate fi obținută ca o consecință a principiului Huygens.

Legea refracției luminii: fasciculul incident, fasciculul refractat și perpendiculara pe interfața dintre două medii, restaurate în punctul de incidență al fasciculului, se află în același plan; raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție pentru o anumită frecvență a luminii este o valoare constantă, numită indicele de refracție relativ al celui de-al doilea mediu față de primul:

Legea refracției luminii stabilită experimental este explicată pe baza principiului Huygens. Conform conceptelor de undă, refracția este o consecință a unei modificări a vitezei de propagare a undei în timpul tranziției de la un mediu la altul, iar semnificația fizică a indicelui de refracție relativ este raportul dintre viteza de propagare a undei în primul mediu v1 și viteza de propagare a acestora în al doilea mediu

Pentru mediile cu indici absoluti de refracție n1 și n2, indicele de refracție relativ al celui de-al doilea mediu față de primul este egal cu raportul dintre indicele de refracție absolut al celui de-al doilea mediu și indicele de refracție absolut al primului mediu:

Mediul care are un indice de refracție mai mare se numește optic mai dens, viteza de propagare a luminii în el este mai mică. Dacă lumina trece de la un mediu optic mai dens la unul optic mai puțin dens, atunci la un anumit unghi de incidență a0 unghiul de refracție ar trebui să devină egal cu p/2. Intensitatea fasciculului refractat în acest caz devine egală cu zero. Incidentul luminii de pe interfața dintre două medii este complet reflectat de ea.

Unghiul de incidență a0 la care are loc reflexia internă totală a luminii se numește unghiul limitativ al reflexiei interne totale. La toate unghiurile de incidență egale sau mai mari decât a0, are loc reflexia totală a luminii.

Valoarea unghiului limitator se gaseste din relatie Dacă n2 = 1 (vid), atunci

2 Indicele de refracție al unei substanțe este o valoare egală cu raportul vitezelor de fază ale luminii (unde electromagnetice) în vid și într-un mediu dat. Ei vorbesc și despre indicele de refracție pentru orice alte unde, de exemplu, sunet

Indicele de refracție depinde de proprietățile substanței și de lungimea de undă a radiației, pentru unele substanțe indicele de refracție se modifică destul de puternic atunci când frecvența undelor electromagnetice se schimbă de la frecvențe joase la cele optice și mai departe, putându-se, de asemenea, modifica și mai accentuat în anumite zonele scalei de frecvenţă. Valoarea implicită este de obicei domeniul optic sau intervalul determinat de context.

Există substanțe optic anizotrope în care indicele de refracție depinde de direcția și polarizarea luminii. Astfel de substanțe sunt destul de comune, în special, acestea sunt toate cristale cu o simetrie suficient de scăzută a rețelei cristaline, precum și substanțe supuse deformării mecanice.

Indicele de refracție poate fi exprimat ca rădăcină a produsului dintre magnetic și permitivitățile mediului

(trebuie ținut cont de faptul că valorile permeabilității magnetice și ale indicelui de permitivitate absolută pentru intervalul de frecvență de interes - de exemplu, cel optic, pot fi foarte diferite de valoarea statică a acestor valori).

Pentru măsurarea indicelui de refracție se folosesc refractometre manuale și automate. Când utilizați un refractometru pentru a determina concentrația de zahăr într-o soluție apoasă, dispozitivul se numește zaharimetru.

Raportul dintre sinusul unghiului de incidență () al fasciculului și sinusul unghiului de refracție () în timpul tranziției fasciculului de la mediu A la mediu B se numește indice de refracție relativ pentru această pereche de medii.

Mărimea n este indicele de refracție relativ al mediului B față de mediul A, an" = 1/n este indicele de refracție relativ al mediului A față de mediul B.

Această valoare, ceteris paribus, este de obicei mai mică decât unitatea atunci când fasciculul trece de la un mediu mai dens la un mediu mai puțin dens și mai mult 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 mai mult sau mai puțin dens din punct de vedere optic decât altul (a nu se confunda cu densitatea optică ca măsură a opacității unui mediu).

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 sau pur și simplu indicele de refracție al acestui mediu, acesta este indicele de refracție, a cărui definiție este dată la începutul articolului. Indicele de refracție a oricărui gaz, inclusiv a aerului, în condiții normale este mult mai mic decât indicii de refracție ai lichidelor sau solidelor, prin urmare, aproximativ (și cu o precizie relativ bună) indicele de refracție absolut poate fi judecat din indicele de refracție față de aer.

Orez. 3. Principiul de funcționare al refractometrului de interferență. Un fascicul de lumină este împărțit astfel încât cele două părți ale sale să treacă prin cuve de lungime l umplute cu substanțe cu indici de refracție diferiți. La ieșirea din celulă, razele capătă o anumită diferență de drum și, fiind reunite, dau pe ecran o imagine a maximelor și minimelor de interferență cu ordine k (reprezentate schematic în dreapta). Diferența indicilor de refracție Dn=n2 –n1 =kl/2, unde l este lungimea de undă a luminii.

Refractometrele sunt dispozitive folosite pentru a măsura indicele de refracție al substanțelor. Principiul de funcționare al unui refractometru se bazează pe fenomenul de reflexie totală. Dacă un fascicul de lumină împrăștiat cade pe interfața a două medii cu indici de refracție și dintr-un mediu mai dens din punct de vedere optic, atunci pornind de la un anumit unghi de incidență, razele nu intră în al doilea mediu, ci sunt complet reflectate de interfața în primul mediu. Acest unghi se numește unghi limitativ de reflexie totală. Figura 1 arată comportamentul razelor atunci când cad într-un anumit curent al acestei suprafețe. Fasciculul merge la un unghi limitator. Din legea refracției, puteți determina:, (pentru că).

Unghiul limitator depinde de indicele de refracție relativ al celor două medii. Dacă razele reflectate de la suprafață sunt direcționate către o lentilă convergentă, atunci în planul focal al lentilei se poate vedea granița luminii și penumbrei, iar poziția acestei margini depinde de valoarea unghiului limitator și, în consecință , pe indicele de refracție. O modificare a indicelui de refracție al unuia dintre medii implică o modificare a poziției interfeței. Limita dintre lumină și umbră poate servi ca un indicator în determinarea indicelui de refracție, care este utilizat în refractometre. Această metodă de determinare a indicelui de refracție se numește metoda de reflexie totală.

În plus față de metoda de reflexie totală, refractometrele folosesc metoda fasciculului de pășunat. În această metodă, un fascicul de lumină împrăștiat lovește granița dintr-un mediu mai puțin dens optic în toate unghiurile posibile (Fig. 2). Fasciculul care alunecă de-a lungul suprafeței (), corespunde - unghiului limitator de refracție (fascicul din Fig. 2). Dacă punem o lentilă în calea razelor () refractate pe suprafață, atunci în planul focal al lentilei vom vedea și o graniță ascuțită între lumină și umbră.

Orez. 2

Deoarece condițiile care determină valoarea unghiului limitator sunt aceleași în ambele metode, poziția interfeței este aceeași. Ambele metode sunt echivalente, dar metoda reflexiei totale vă permite să măsurați indicele de refracție al substanțelor opace

Calea razelor într-o prismă triunghiulară

Figura 9 prezintă o secțiune a unei prisme de sticlă cu un plan perpendicular pe marginile sale laterale. Fasciculul din prismă deviază spre bază, refractând pe fețele OA și 0B. Unghiul j dintre aceste fețe se numește unghiul de refracție al prismei. Unghiul de deformare q al fasciculului depinde de unghiul de refracție al prismei j, de indicele de refracție n al materialului prismei și de unghiul de incidență a. Poate fi calculat folosind legea refracției (1.4).

Refractometrul folosește o sursă de lumină albă 3. Datorită dispersiei atunci când lumina trece prin prismele 1 și 2, granița dintre lumină și umbră se dovedește a fi colorată. Pentru a evita acest lucru, în fața lentilei telescopului este plasat un compensator 4. Acesta este format din două prisme identice, fiecare fiind lipită împreună din trei prisme cu un indice de refracție diferit. Prismele sunt selectate astfel încât un fascicul monocromatic cu o lungime de undă = 589,3 um. (lungimea de undă a liniei galbene de sodiu) nu a fost testată după trecerea compensatorului de deviere. Razele cu alte lungimi de undă sunt deviate de prisme în direcții diferite. Prin deplasarea prismelor compensatoare cu ajutorul unui mâner special, granița dintre lumină și întuneric devine cât mai clară.

Razele de lumină, după ce au trecut de compensator, cad în lentila 6 a telescopului. Imaginea interfeței lumină-umbră este vizualizată prin ocularul 7 al telescopului. În același timp, prin ocular este vizualizată scara 8. Deoarece unghiul limitator de refracție și unghiul limitator de reflexie totală depind de indicele de refracție al lichidului, valorile acestui indice de refracție sunt imediat trasate pe scara refractometrului.

Sistemul optic al refractometrului conține și o prismă rotativă 5. Vă permite să poziționați axa telescopului perpendicular pe prismele 1 și 2, ceea ce face observarea mai convenabilă.

Domenii de aplicare ale refractometriei.

Dispozitivul și principiul de funcționare al refractometrului IRF-22.

Conceptul de indice de refracție.

Plan

Refractometrie. Caracteristicile și esența metodei.

Pentru a identifica substanțele și a verifica puritatea acestora, utilizați

refractor.

Indicele de refracție al unei substanțe- o valoare egală cu raportul dintre vitezele de fază ale luminii (unde electromagnetice) în vid și mediul văzut.

Indicele de refracție depinde de proprietățile substanței și de lungimea de undă

radiatie electromagnetica. Raportul dintre sinusul unghiului de incidență relativ la

normala trasată la planul de refracție (α) al fasciculului la sinusul unghiului de refracție

refracția (β) în timpul tranziției fasciculului de la mediul A la mediu B se numește indice de refracție relativ pentru această pereche de medii.

Valoarea n este indicele relativ de refracție al mediului B conform

în raport cu mediul A și

Indicele de refracție relativ al mediului A în raport cu

Indicele de refracție al unui fascicul incident pe un mediu de la un airless

spațiul se numește indicele său absolut de refracție sau

pur și simplu indicele de refracție al unui mediu dat (Tabelul 1).

Tabelul 1 - Indicii de refracție ai diferitelor medii

Lichidele au un indice de refracție în intervalul 1,2-1,9. Solid

substanţe 1,3-4,0. Unele minerale nu au o valoare exactă a indicatorului

pentru refractie. Valoarea sa este într-o anumită „furcă” și determină

datorită prezenței impurităților în structura cristalină, care determină culoarea

cristal.

Identificarea mineralului după „culoare” este dificilă. Deci, corindonul mineral există sub formă de rubin, safir, leucozafir, diferă în

indicele de refracție și culoarea. Corindonul roșu se numește rubine

(amestec de crom), albastru incolor, albastru deschis, roz, galben, verde,

violet - safire (impuritati de cobalt, titan etc.). Deschis la culoare

safire sau corindon incolor se numesc leucozafir (pe scară largă

folosit în optică ca filtru de lumină). Indicele de refracție al acestor cristale

blocarea se află în intervalul 1.757-1.778 și este baza pentru identificarea

Figura 3.1 - Ruby Figura 3.2 - Albastru safir

Lichidele organice și anorganice au, de asemenea, valori caracteristice ale indicelui de refracție care le caracterizează ca fiind chimice

compușii nye și calitatea sintezei lor (tabelul 2):

Tabelul 2 - Indicii de refracție ai unor lichide la 20 °C

4.2. Refractometrie: concept, principiu.

Metodă de studiu a substanțelor bazată pe determinarea indicatorului

(coeficientul) de refracție (refracția) se numește refractometrie (din

lat. refractus - refractat și grecesc. metreo - măsoară). Refractometrie

(metoda refractometrică) este utilizată pentru identificarea substanțelor chimice

compuși, analize cantitative și structurale, determinarea fizico-

parametrii chimici ai substantelor. Principiul refractometriei implementat

în refractometrele Abbe, ilustrate în figura 1.

Figura 1 - Principiul refractometriei

Blocul de prisme Abbe este format din două prisme dreptunghiulare: iluminatoare

corp și măsurare, pliate de fețele de ipotenuză. iluminator-

prisma are o față de ipotenuză aspră (mată) și este destinată

chena pentru iluminarea unei probe lichide plasate între prisme.

Lumina împrăștiată trece printr-un strat plan-paralel al lichidului investigat și, fiind refractată în lichid, cade pe prisma de măsurare. Prisma de măsurare este realizată din sticlă densă optic (slex greu) și are un indice de refracție mai mare de 1,7. Din acest motiv, refractometrul Abbe măsoară n valori mai mici de 1,7. O creștere a domeniului de măsurare a indicelui de refracție poate fi realizată numai prin schimbarea prismei de măsurare.

Proba de testat este turnată pe fața de ipotenuză a prismei de măsurare și presată pe prisma de iluminare. În acest caz, rămâne un spațiu de 0,1-0,2 mm între prismele în care se află proba și prin

care trece prin refractia luminii. Pentru a măsura indicele de refracție

folosiți fenomenul de reflexie internă totală. Constă în

Următorul.

Dacă razele 1, 2, 3 cad pe interfața dintre două medii, atunci în funcție de

unghiul de incidenţă la observarea lor într-un mediu de refracţie va fi

se observă prezenţa unei tranziţii de zone de iluminare diferită. Este conectat

cu incidența unei părți a luminii pe limita de refracție la un unghi de aprox.

kim la 90° față de normal (fascicul 3). (Figura 2).

Figura 2 - Imaginea razelor refractate

Această parte a razelor nu este reflectată și, prin urmare, formează un obiect mai ușor.

refracţie. Razele cu unghiuri mai mici experimentează și reflectă

si refractie. Prin urmare, se formează o zonă de iluminare mai mică. În volum

linia de delimitare a reflexiei interne totale este vizibilă pe lentilă, poziția

care depinde de proprietăţile de refracţie ale probei.

Eliminarea fenomenului de dispersie (colorarea interfeței dintre două zone de iluminare în culorile curcubeului datorită utilizării luminii albe complexe în refractometrele Abbe) se realizează prin utilizarea a două prisme Amici în compensator, care sunt montate în telescop. În același timp, o scară este proiectată în lentilă (Figura 3). 0,05 ml de lichid sunt suficiente pentru analiză.

Figura 3 - Vedere prin ocularul refractometrului. (Scara corectă reflectă

concentrația componentei măsurate în ppm)

Pe lângă analiza probelor monocomponente, sunt analizate pe scară largă

sisteme cu două componente (soluții apoase, soluții de substanțe în care

sau solvent). În sistemele ideale cu două componente (formarea-

fără a modifica volumul și polarizabilitatea componentelor), este afișată dependența

indicele de refracție pe compoziție este aproape de liniar dacă compoziția este exprimată în termeni de

fracții de volum (procent)

unde: n, n1, n2 - indici de refracție ai amestecului și ai componentelor,

V1 și V2 sunt fracțiile de volum ale componentelor (V1 + V2 = 1).

Efectul temperaturii asupra indicelui de refracție este determinat de doi

factori: o modificare a numărului de particule lichide pe unitatea de volum și

dependența polarizabilității moleculelor de temperatură. Al doilea factor a devenit

devine semnificativă numai la schimbări foarte mari de temperatură.

Coeficientul de temperatură al indicelui de refracție este proporțional cu coeficientul de temperatură al densității. Deoarece toate lichidele se extind atunci când sunt încălzite, indicii lor de refracție scad pe măsură ce temperatura crește. Coeficientul de temperatură depinde de temperatura lichidului, dar la intervale mici de temperatură poate fi considerat constant. Din acest motiv, majoritatea refractometrelor nu au control al temperaturii, cu toate acestea, unele modele oferă

controlul temperaturii apei.

Extrapolarea liniară a indicelui de refracție cu schimbări de temperatură este acceptabilă pentru diferențe mici de temperatură (10 - 20°C).

Determinarea exactă a indicelui de refracție în intervale largi de temperatură se realizează conform formulelor empirice de forma:

nt=n0+at+bt2+…

Pentru refractometrie în soluție pe domenii largi de concentrație

utilizați tabele sau formule empirice. Dependența de afișare-

indicele de refracție al soluțiilor apoase ale anumitor substanțe la concentrație

este aproape de liniar și face posibilă determinarea concentrațiilor acestor substanțe în

apă într-o gamă largă de concentrații (Figura 4) folosind refracția

tometre.

Figura 4 - Indicele de refracție al unor soluții apoase

De obicei, n corpuri lichide și solide sunt determinate de refractometre cu precizie

până la 0,0001. Cele mai comune sunt refractometrele Abbe (Figura 5) cu blocuri de prismă și compensatoare de dispersie, care fac posibilă determinarea nD în lumină „albă” pe o scară sau indicator digital.

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

Lumina, prin natura sa, se propagă în diferite medii la viteze diferite. Cu cât mediul este mai dens, cu atât viteza de propagare a luminii în acesta este mai mică. S-a stabilit o măsură adecvată referitoare atât la densitatea unui material, cât și la viteza de propagare a luminii în acel material. Această măsură se numește indice de refracție. Pentru orice material, indicele de refracție este măsurat în raport cu viteza luminii în vid (vidul este adesea denumit spațiu liber). Următoarea formulă descrie această relație.

Cu cât indicele de refracție al unui material este mai mare, cu atât este mai dens. Când un fascicul de lumină trece de la un material la altul (cu un indice de refracție diferit), unghiul de refracție va fi diferit de unghiul de incidență. Un fascicul de lumină care pătrunde într-un mediu cu un indice de refracție mai mic va ieși la un unghi mai mare decât unghiul de incidență. Un fascicul de lumină care pătrunde într-un mediu cu un indice de refracție ridicat va ieși la un unghi mai mic decât unghiul de incidență. Acest lucru este prezentat în fig. 3.5.

Orez. 3.5.a. Un fascicul care trece de la un mediu cu N 1 ridicat la un mediu cu N 2 scăzut

Orez. 3.5.b. Un fascicul care trece de la un mediu cu N 1 scăzut la unul mediu cu N 2 ridicat

În acest caz, θ 1 este unghiul de incidență și θ 2 este unghiul de refracție. Unii indici tipici de refracție sunt enumerați mai jos.

Este curios de observat că pentru razele X indicele de refracție al sticlei este întotdeauna mai mic decât pentru aer, prin urmare, atunci când trec din aer în sticlă, acestea se îndepărtează de perpendiculară și nu spre perpendiculară, ca razele de lumină.