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 - constant, independent 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 ( undele 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 relativ de refracție 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 cel mai mult valori mari pentru suprafete lustruite. Coeficientul de reflexie pentru reflexia internă totală nu depinde de lungimea de undă.

În optică, acest fenomen este observat pentru o gamă largă radiatie electromagnetica, inclusiv gama 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 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 cel de-al doilea mediu - așa-numita „undă neuniformă” se propagă acolo, care se degradează exponențial și nu duce energie cu ea. 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, în timp ce cel refractat slăbește. Acest lucru poate fi văzut prin efectuarea experimentului prezentat în figură. În consecință, fasciculul reflectat duce cu el 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.

Nu există nimic altceva decât raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție

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 nu numai, putându-se, de asemenea, modifica și mai accentuat în anumite zone ale scalei de frecvență. Valoarea implicită este de obicei domeniul optic sau intervalul determinat de context.

Valoarea lui n, 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).

Tabelul arată câteva valori ale indicelui de refracție pentru unele medii:

Se spune că un mediu cu un indice de refracție mai mare este mai dens optic. De obicei, se măsoară indicele de refracție al diferitelor medii în raport cu aerul. Indicele absolut de refracție al aerului este . Astfel, indicele de refracție absolut al oricărui mediu este legat de indicele său de refracție față de aer prin formula:

Indicele de refracție depinde de lungimea de undă a luminii, adică de culoarea acesteia. Culorile diferite corespund unor indici de refracție diferiți. Acest fenomen, numit dispersie, joacă rol importantîn optică.

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 granița a 2 medii, fasciculul refractat se află în planul de incidență și formează, cu normala la interfața restabilită în punctul de incidență, un unghi de refracție astfel încât: 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 fie reflectată complet în primul mediu. Exemplu: strălucirea multor cristale naturale, și mai ales fațetate prețioase și pietre semiprețioase se explică prin reflexie internă totală, în urma căreia se formează fiecare rază care intră în cristal un numar mare de raze de ieșire suficient de strălucitoare, colorate ca urmare a dispersiei.

Acest articol dezvăluie esența unui astfel de concept de optică precum indicele de refracție. Sunt date formule pentru obținerea acestei valori scurtă recenzie aplicarea fenomenului de refractie a unei unde electromagnetice.

Abilitatea de a vedea și indicele de refracție

În zorii civilizației, oamenii și-au pus întrebarea: cum vede ochiul? S-a sugerat că o persoană emite raze care simt obiectele din jur sau, dimpotrivă, toate lucrurile emit astfel de raze. Răspunsul la această întrebare a fost dat în secolul al XVII-lea. Este conținut în optică și este legat de ceea ce este indicele de refracție. Reflectând din diferite suprafețe opace și refractând la graniță cu cele transparente, lumina oferă persoanei posibilitatea de a vedea.

Lumină și indice de refracție

Planeta noastră este învăluită în lumina Soarelui. Și tocmai cu natura ondulatorie a fotonilor este asociat un astfel de concept precum indicele de refracție absolut. Când se propagă în vid, un foton nu întâlnește obstacole. Pe planetă, lumina întâlnește multe medii mai dense: atmosfera (un amestec de gaze), apă, cristale. Fiind o undă electromagnetică, fotonii luminii au o singură viteză de fază în vid (notat c), iar în mediu - altul (notat v). Raportul dintre primul și al doilea este ceea ce se numește indice de refracție absolut. Formula arată astfel: n = c / v.

Viteza fazei

Merită să dați o definiție a vitezei de fază a mediului electromagnetic. În caz contrar, înțelegeți care este indicele de refracție n, este interzis. Un foton de lumină este un val. Deci, poate fi reprezentat ca un pachet de energie care oscilează (imaginați-vă un segment de sinusoid). Faza este acel segment al sinusoidei în care trece valul acest moment timp (reamintim că acest lucru este important pentru înțelegerea unei astfel de mărimi precum indicele de refracție).

De exemplu, o fază poate fi maximum o sinusoidă sau un segment al pantei sale. Viteza de fază a unei unde este viteza cu care faza respectivă se mișcă. După cum explică definiția indicelui de refracție, pentru un vid și pentru un mediu, aceste valori diferă. Mai mult, fiecare mediu are propria sa valoare a acestei cantități. Orice compus transparent, indiferent de compoziția sa, are un indice de refracție diferit de toate celelalte substanțe.

Indicele de refracție absolut și relativ

S-a arătat deja mai sus că valoarea absolută este măsurată în raport cu vidul. Cu toate acestea, acest lucru este dificil pe planeta noastră: lumina lovește mai des granița aerului și apei sau a cuarțului și spinelului. Pentru fiecare dintre aceste medii, așa cum sa menționat mai sus, indicele de refracție este diferit. În aer, un foton de lumină călătorește de-a lungul unei direcții și are o viteză de fază (v 1), dar când intră în apă, schimbă direcția de propagare și viteza de fază (v 2). Cu toate acestea, ambele direcții se află în același plan. Acest lucru este foarte important pentru înțelegerea modului în care imaginea lumii înconjurătoare se formează pe retina ochiului sau pe matricea camerei. Raportul de doi valori absolute dă indicele de refracție relativ. Formula arată astfel: n 12 \u003d v 1 / v 2.

Dar dacă lumina, dimpotrivă, iese din apă și intră în aer? Atunci această valoare va fi determinată de formula n 21 = v 2 / v 1. La înmulțirea indicilor de refracție relativi, obținem n 21 * n 12 \u003d (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) \u003d 1. Acest raport este valabil pentru orice pereche de medii. Indicele de refracție relativ poate fi găsit din sinusurile unghiurilor de incidență și refracție n 12 = sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2. Nu uitați că unghiurile sunt numărate de la normal la suprafață. O normală este o dreaptă care este perpendiculară pe suprafață. Adică dacă problemei i se dă un unghi α căzând în raport cu suprafața însăși, atunci trebuie luat în considerare sinusul lui (90 - α).

Frumusețea indicelui de refracție și aplicațiile sale

Într-o zi calmă și însorită, strălucirea se joacă pe fundul lacului. Gheața albastru închis acoperă stânca. Pe mâna unei femei, un diamant împrăștie mii de scântei. Aceste fenomene sunt o consecință a faptului că toate granițele medii transparente au un indice de refracție relativ. Pe lângă plăcerea estetică, acest fenomen poate fi folosit și pentru aplicații practice.

Aici sunt cateva exemple:

• O lentilă de sticlă adună un fascicul de lumină solară și dă foc ierbii.
• Raza laser se concentrează asupra organului bolnav și taie țesutul inutil.
• Lumina soarelui se refractă pe un vitraliu antic, creând o atmosferă specială.
• Microscopul mărește detalii foarte mici
• Lentilele spectrofotometrului colectează lumina laser reflectată de la suprafața substanței studiate. Astfel, este posibil să înțelegem structura și apoi proprietățile materialelor noi.
• Există chiar și un proiect pentru un computer fotonic, în care informațiile vor fi transmise nu prin electroni, așa cum este acum, ci prin fotoni. Pentru un astfel de dispozitiv, vor fi cu siguranță necesare elemente de refracție.

Lungime de undă

Cu toate acestea, Soarele ne furnizează fotoni nu numai în spectrul vizibil. Dispozițiile de raze X în infraroșu, ultraviolete nu sunt percepute de vederea umană, dar ne afectează viața. Razele IR ne mențin cald, fotonii UV ionizează atmosfera superioară și permit plantelor să producă oxigen prin fotosinteză.

Și ceea ce este egal cu indicele de refracție depinde nu numai de substanțele între care se află granița, ci și de lungimea de undă a radiației incidente. De obicei, din context reiese clar la ce valoare se face referire. Adică, dacă cartea ia în considerare razele X și efectul lor asupra unei persoane, atunci n acolo este definit pentru acest interval. Dar, de obicei, se înțelege spectrul vizibil al undelor electromagnetice, dacă nu se specifică altfel.

Indicele de refracție și reflexie

După cum a reieșit din cele de mai sus, vorbim despre medii transparente. Ca exemple, am citat aer, apă, diamant. Dar ce zici de lemn, granit, plastic? Există un indice de refracție pentru ei? Răspunsul este complex, dar în general da.

În primul rând, ar trebui să ne gândim cu ce fel de lumină avem de-a face. Acele medii care sunt opace pentru fotonii vizibili sunt tăiate de raze X sau radiații gamma. Adică, dacă toți am fi supraoameni, atunci întreaga lume din jur ar fi transparentă pentru noi, dar înăuntru grade diferite. De exemplu, pereții din beton nu ar fi mai denși decât jeleul, iar armăturile metalice ar arăta ca bucăți de fructe mai dense.

Pentru ceilalti particule elementare, muoni, planeta noastră este în general transparentă prin și prin. La un moment dat, oamenii de știință au adus o mulțime de probleme pentru a dovedi însuși faptul existenței lor. Muonii ne străpung milioane în fiecare secundă, dar probabilitatea ca o singură particulă să se ciocnească cu materia este foarte mică și este foarte dificil să remediați acest lucru. Apropo, Baikal va deveni în curând un loc pentru „prinderea” muonilor. Este adânc și apă limpede perfect pentru asta - mai ales iarna. Principalul lucru este că senzorii nu îngheață. Astfel, indicele de refracție al betonului, de exemplu, pentru fotonii cu raze X are sens. Mai mult, iradierea cu raze X a unei substanțe este una dintre cele mai precise și importante metode de studiere a structurii cristalelor.

De asemenea, merită să ne amintim că, în sens matematic, substanțele care sunt opace pentru un interval dat au un indice de refracție imaginar. În cele din urmă, trebuie să înțelegem că temperatura unei substanțe poate afecta și transparența acesteia.

INDICATOR REFRACTIV(indicele de refracție) - optic. caracteristică de mediu asociată cu refracția luminii la interfața dintre două medii transparente optic omogene și izotrope în timpul tranziției sale de la un mediu la altul și datorită diferenței de viteze 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, a acesteia starea de agregare, temperaturi, presiuni 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- în lichide și gaze; electro-optic Efectul 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 magnitudine 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 sticla silicata

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