العمل المخبري

انكسار الضوء. قياس معامل الانكسار لسائل

مع مقياس الانكسار

هدف: تعميق الأفكار حول ظاهرة انكسار الضوء. دراسة طرق قياس معامل الانكسار للوسائط السائلة ؛ دراسة مبدأ التشغيل بمقياس الانكسار.

معدات: مقياس انكسار ، محاليل ملحية ، ماصة ، قطعة قماش ناعمة لمسح الأجزاء البصرية من الأجهزة.

نظرية

قوانين انعكاس وانكسار الضوء. معامل الانكسار.

في الواجهة بين الوسائط ، يغير الضوء اتجاه انتشاره. يعود جزء من الطاقة الضوئية إلى الوسيط الأول ، أي ينعكس الضوء. إذا كان الوسيط الثاني شفافًا ، فإن جزءًا من الضوء ، في ظل ظروف معينة ، يمر عبر الواجهة بين الوسائط ، ويغير ، كقاعدة عامة ، اتجاه الانتشار. هذه الظاهرة تسمى انكسار الضوء. (رسم بياني 1).

أرز. 1. انعكاس وانكسار الضوء على واجهة مسطحة بين وسيطين.

يتم تحديد اتجاه الأشعة المنعكسة والمنكسرة أثناء مرور الضوء عبر واجهة مسطحة بين وسيطين شفافين من خلال قوانين انعكاس وانكسار الضوء.

قانون انعكاس الضوء.يقع الشعاع المنعكس في نفس مستوى الشعاع الساقط ويعود الشعاع الطبيعي إلى مستوى السطح البيني عند نقطة السقوط. زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس .

قانون انكسار الضوء.تقع الحزمة المنكسرة في نفس المستوى مثل الحزمة الساقطة والعادية المستعادة إلى مستوى السطح البيني عند نقطة الوقوع. نسبة الجيب لزاوية السقوط α إلى جيب زاوية الانكسار β هناك قيمة ثابتة لهاتين الوسيطتين ، تسمى معامل الانكسار النسبي للوسيط الثاني فيما يتعلق بالأول:

معامل الانكسار النسبي وسيطان يساويان نسبة سرعة الضوء في الوسيط الأول v 1 إلى سرعة الضوء في الوسيط الثاني v 2:

إذا انتقل الضوء من فراغ إلى وسيط ، فإن معامل الانكسار للوسط بالنسبة للفراغ يسمى معامل الانكسار المطلق لهذا الوسط ويساوي نسبة سرعة الضوء في الفراغ معلسرعة الضوء في وسط معين v:

تكون مؤشرات الانكسار المطلق دائمًا أكبر من واحد ؛ للهواء نتؤخذ كوحدة.

يمكن التعبير عن معامل الانكسار النسبي لوسائط اثنين من حيث مؤشراتهما المطلقة ن 1 و ن 2 :

تحديد معامل انكسار السائل

من أجل التحديد السريع والمريح لمعامل الانكسار للسوائل ، توجد أدوات بصرية خاصة - مقاييس الانكسار ، الجزء الرئيسي منها عبارة عن موشورين (الشكل 2): مساعد إلخ. واحدوالقياس المثال 2.يُسكب سائل الاختبار في الفجوة بين المنشور.

عند قياس المؤشرات ، يمكن استخدام طريقتين: طريقة شعاع الرعي (للسوائل الشفافة) وطريقة الانعكاس الداخلي الكلي (للمحاليل المظلمة والغائمة والملونة). في هذا العمل ، يتم استخدام أولهم.

في طريقة شعاع الرعي ، يمر الضوء من مصدر خارجي عبر الوجه ABالموشورات المثال 1 ،ينتشر على سطحه غير اللامع تيار مترددثم من خلال طبقة السائل الذي تم فحصه يخترق المنشور المثال 2.يصبح السطح غير اللامع مصدرًا للأشعة من جميع الاتجاهات ، بحيث يمكن ملاحظته من خلال الوجه هF الموشورات المثال 2.ومع ذلك ، فإن الخط تيار متردديمكن رؤيته من خلال هFفقط بزاوية أكبر من بعض الحد الأدنى للزاوية أنا. ترتبط قيمة هذه الزاوية بشكل فريد بمعامل انكسار السائل الموجود بين المنشور ، والذي سيكون الفكرة الرئيسية لتصميم مقياس الانكسار.

تأمل في مرور الضوء عبر الوجه إي أفمنشور قياس أقل المثال 2.كما يظهر في الشكل. 2 ، بتطبيق قانون انكسار الضوء مرتين ، يمكننا الحصول على علاقتين:

لحل نظام المعادلات هذا ، من السهل التوصل إلى استنتاج مفاده أن معامل الانكسار للسائل

يعتمد على أربع كميات: س, ص, ص 1 و أنا. ومع ذلك ، ليس كل منهم مستقل. فمثلا،

ص+ س= ص , (4)

أين ص - زاوية انكسار المنشور المثال 2. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال ضبط الزاوية سالقيمة القصوى هي 90 درجة ، من المعادلة (1) نحصل على:

لكن القيمة القصوى للزاوية ص , كما يتضح من الشكل. 2 والعلاقات (3) و (4) ، تتوافق مع القيم الدنيا للزوايا أنا و ص 1 , أولئك. أنا دقيقة و ص دقيقة .

وهكذا ، فإن معامل الانكسار للسائل في حالة الأشعة "الانزلاقية" يرتبط فقط بالزاوية أنا. في هذه الحالة ، يوجد حد أدنى للزاوية أنا, عندما الحافة تيار مترددلا يزال يتم ملاحظته ، أي في مجال الرؤية ، يبدو أنه أبيض عاكسة. بالنسبة لزوايا المشاهدة الأصغر ، لا تكون الحافة مرئية ، وفي مجال الرؤية يظهر هذا المكان باللون الأسود. نظرًا لأن تلسكوب الجهاز يلتقط منطقة زاوية واسعة نسبيًا ، تتم ملاحظة المناطق الفاتحة والسوداء في وقت واحد في مجال الرؤية ، والحدود التي تتوافق مع الحد الأدنى لزاوية الملاحظة وترتبط بشكل لا لبس فيه بمؤشر الانكسار للسائل. باستخدام صيغة الحساب النهائية:

(تم حذف استنتاجه) وعدد من السوائل ذات مؤشرات الانكسار المعروفة ، فمن الممكن معايرة الجهاز ، أي إنشاء تطابق واحد لواحد بين مؤشرات الانكسار للسوائل والزوايا أنا دقيقة . جميع الصيغ المذكورة أعلاه مشتقة لأشعة ذات طول موجي واحد.

سينكسر الضوء ذو الأطوال الموجية المختلفة ، مع مراعاة تشتت المنشور. وبالتالي ، عندما يضيء المنشور بضوء أبيض ، ستكون الواجهة غير واضحة وملونة بألوان مختلفة بسبب التشتت. لذلك ، يحتوي كل مقياس انكسار على معوض يسمح لك بالتخلص من نتيجة التشتت. يمكن أن تتكون من واحد أو اثنين من موشورات الرؤية المباشرة - موشورات Amici. يتكون كل منشور من موشور Amici من ثلاثة مناشير زجاجية بمؤشرات انكسار مختلفة ومشتتات مختلفة ، على سبيل المثال ، المناشير الخارجية مصنوعة من زجاج التاج ، والمنشور الأوسط مصنوع من زجاج الصوان (زجاج التاج وزجاج الصوان نوعان من الزجاج). من خلال تدوير منشور المعوض بمساعدة جهاز خاص ، يتم الحصول على صورة حادة عديمة اللون للواجهة ، يتوافق موضعها مع قيمة معامل الانكسار لخط الصوديوم الأصفر λ \ u003d 5893 Å (المنشورات مصممة بحيث لا تتعرض الأشعة ذات الطول الموجي 5893 للانحرافات فيها).

تدخل الأشعة التي مرت عبر المعوض هدف التلسكوب ، ثم تمر عبر المنشور العكسي عبر العدسة العينية للتلسكوب إلى عين الراصد. يظهر المسار التخطيطي للأشعة في الشكل. 3.

يتم معايرة مقياس الانكسار من حيث معامل الانكسار وتركيز محلول السكروز في الماء ويقع في المستوى البؤري للعدسة.

جزء تجريبي

المهمة 1. فحص مقياس الانكسار.

وجّه الضوء بمرآة إلى المنشور الإضافي لمقياس الانكسار. مع رفع المنشور الإضافي ، قم بتقطير بضع قطرات من الماء المقطر على منشور القياس. خفض المنشور الثانوي ، وتحقيق أفضل إضاءة لمجال الرؤية وضبط العدسة بحيث يمكن رؤية الشعيرات المتصالبة ومقياس معامل الانكسار بوضوح. اقلب كاميرا منشور القياس ، احصل على حدود الضوء والظل في مجال الرؤية. من خلال تدوير رأس المعوض ، حقق القضاء على لون حدود الضوء والظل. قم بمحاذاة حدود الضوء والظل مع نقطة التقاطع وقياس معامل انكسار الماء ن ISM . إذا كان مقياس الانكسار يعمل ، فيجب أن تكون القيمة بالنسبة للماء المقطر ن 0 = 1.333 ، إذا كانت القراءات تختلف عن هذه القيمة ، فأنت بحاجة إلى تحديد التصحيح Δn= ن ISM - 1.333 ، والتي يجب أخذها في الاعتبار عند إجراء المزيد من العمل باستخدام مقياس الانكسار. أدخل تصويبات في الجدول 1.

الجدول 1.

	ن 0	ن ISM	Δ ن
ح 2 ا

المهمة 2. تحديد معامل انكسار السائل.

تحديد مؤشرات الانكسار لمحاليل التركيزات المعروفة ، مع مراعاة التصحيح الموجود.

الجدول 2.

ج ، حوالي. ٪	ن ISM	ن IST

ارسم مدى اعتماد معامل الانكسار لمحاليل كلوريد الصوديوم على التركيز حسب النتائج التي تم الحصول عليها. توصل إلى استنتاج حول اعتماد n على C ؛ استخلاص استنتاجات حول دقة القياسات على مقياس الانكسار.

خذ محلول ملحي بتركيز غير معروف من x , تحديد معامل الانكسار وإيجاد تركيز المحلول من الرسم البياني.

نظف مكان العمل ، امسح بعناية مناشير أجهزة قياس الانكسار بقطعة قماش مبللة ونظيفة.

أسئلة الاختبار

انعكاس وانكسار الضوء.

مؤشرات الانكسار المطلقة والنسبية للوسط.

مبدأ تشغيل مقياس الانكسار. طريقة شعاع انزلاق.

مسار تخطيطي للأشعة في منشور. لماذا هناك حاجة إلى مناشير المعوض؟

انتشار وانعكاس وانكسار الضوء

طبيعة الضوء كهرومغناطيسية. أحد الأدلة على ذلك هو مصادفة سرعات الموجات الكهرومغناطيسية والضوء في الفراغ.

في وسط متجانس ، ينتشر الضوء في خط مستقيم. يسمى هذا البيان قانون الانتشار المستقيم للضوء. الدليل التجريبي لهذا القانون هو الظلال الحادة التي تقدمها مصادر الضوء النقطية.

يسمى الخط الهندسي الذي يشير إلى اتجاه انتشار الضوء بالحزمة الضوئية. في وسط الخواص ، يتم توجيه أشعة الضوء بشكل عمودي على مقدمة الموجة.

يُطلق على موضع نقاط الوسط المتذبذب في نفس المرحلة سطح الموجة ، وتسمى مجموعة النقاط التي وصل إليها التذبذب إلى نقطة معينة في الوقت ، جبهة الموجة. اعتمادًا على نوع مقدمة الموجة ، يتم تمييز الموجات المستوية والكروية.

لشرح عملية انتشار الضوء ، تم استخدام المبدأ العام لنظرية الموجة حول حركة مقدمة الموجة في الفضاء ، الذي اقترحه الفيزيائي الهولندي هـ. هيغنز. وفقًا لمبدأ Huygens ، فإن كل نقطة من الوسط يصل إليها الإثارة الضوئية هي مركز الموجات الثانوية الكروية ، والتي تنتشر أيضًا بسرعة الضوء. يعطي الغلاف السطحي لجبهات هذه الموجات الثانوية موضع مقدمة الموجة المنتشرة بالفعل في تلك اللحظة من الزمن.

من الضروري التمييز بين أشعة الضوء وأشعة الضوء. شعاع الضوء هو جزء من موجة ضوئية تحمل طاقة ضوئية في اتجاه معين. عند استبدال شعاع ضوئي بشعاع ضوئي يصفه ، يجب أن يؤخذ هذا الأخير ليتزامن مع محور ضيق إلى حد ما ، ولكن له عرض محدود (أبعاد المقطع العرضي أكبر بكثير من الطول الموجي) ، شعاع الضوء.

هناك أشعة ضوئية متباينة ومتقاربة وشبه متوازية. غالبًا ما يتم استخدام مصطلحات شعاع الضوء أو ببساطة أشعة الضوء ، وهذا يعني مجموعة من أشعة الضوء التي تصف شعاع ضوء حقيقي.

سرعة الضوء في الفراغ ج = 3108 م / ث ثابت عالمي ولا يعتمد على التردد. لأول مرة ، تم تحديد سرعة الضوء بشكل تجريبي من خلال الطريقة الفلكية من قبل العالم الدنماركي O. Römer. قام A. Michelson بقياس سرعة الضوء بشكل أكثر دقة.

سرعة الضوء في المادة أقل مما هي عليه في الفراغ. تسمى نسبة سرعة الضوء في الفراغ إلى سرعته في وسط معين معامل الانكسار المطلق للوسط:

حيث c هي سرعة الضوء في الفراغ ، v هي سرعة الضوء في وسط معين. مؤشرات الانكسار المطلقة لجميع المواد أكبر من الوحدة.

عندما ينتشر الضوء في وسط ، فإنه يمتص ويتناثر ، وعند السطح البيني بين الوسائط ينعكس وينكسر.

قانون انعكاس الضوء: تقع الحزمة الساقطة والحزمة المنعكسة والعمودي على السطح البيني بين وسيطين ، المستعادتين عند نقطة سقوط الحزمة ، في نفس المستوى ؛ زاوية الانعكاس g تساوي زاوية السقوط a (الشكل 1). يتوافق هذا القانون مع قانون انعكاس الموجات من أي طبيعة ويمكن الحصول عليها نتيجة لمبدأ Huygens.

قانون انكسار الضوء: تقع الحزمة الساقطة والحزمة المنكسرة والعمودية على السطح البيني بين وسيطين ، المستعادة عند نقطة وقوع الحزمة ، في نفس المستوى ؛ نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار لتردد ضوء معين هي قيمة ثابتة ، تسمى معامل الانكسار النسبي للوسيط الثاني بالنسبة إلى الأول:

يتم شرح قانون انكسار الضوء المعمول به تجريبياً على أساس مبدأ Huygens. وفقًا لمفاهيم الموجة ، يكون الانكسار نتيجة للتغيير في سرعة انتشار الموجة أثناء الانتقال من وسيط إلى آخر ، والمعنى المادي لمعامل الانكسار النسبي هو نسبة سرعة انتشار الموجة في الوسيط الأول v1 إلى سرعة انتشارها في الوسط الثاني

بالنسبة للوسائط ذات مؤشرات الانكسار المطلقة n1 و n2 ، فإن معامل الانكسار النسبي للوسيط الثاني بالنسبة إلى الأول يساوي نسبة معامل الانكسار المطلق للوسيط الثاني إلى معامل الانكسار المطلق للوسيط الأول:

يُطلق على الوسط الذي يحتوي على معامل انكسار أعلى كثافة بصرية ، وتكون سرعة انتشار الضوء فيه أقل. إذا مر الضوء من وسط أكثر كثافة بصريًا إلى وسيط أقل كثافة بصريًا ، فعند زاوية معينة من السقوط a0 ، يجب أن تصبح زاوية الانكسار مساوية لـ p / 2. تصبح شدة الحزمة المنكسرة في هذه الحالة مساوية للصفر. ينعكس الحادث الخفيف على الواجهة بين وسيطين تمامًا منه.

تسمى زاوية السقوط a0 التي يحدث عندها الانعكاس الداخلي الكلي للضوء بزاوية الحد من الانعكاس الداخلي الكلي. في جميع زوايا السقوط التي تساوي أو تزيد عن 0 ، يحدث الانعكاس الكلي للضوء.

تم العثور على قيمة الزاوية المحددة من العلاقة إذا كان n2 = 1 (فراغ) ، إذن

2 معامل الانكسار للمادة هو قيمة مساوية لنسبة سرعات طور الضوء (الموجات الكهرومغناطيسية) في الفراغ وفي وسط معين. يتحدثون أيضًا عن معامل الانكسار لأي موجات أخرى ، مثل الصوت

يعتمد معامل الانكسار على خصائص المادة والطول الموجي للإشعاع ، فبالنسبة لبعض المواد يتغير معامل الانكسار بشدة عندما يتغير تردد الموجات الكهرومغناطيسية من الترددات المنخفضة إلى الترددات الضوئية وما بعدها ، ويمكن أيضًا أن يتغير بشكل أكثر حدة في بعض المواد. مناطق مقياس التردد. عادةً ما يكون الافتراضي هو النطاق البصري ، أو النطاق الذي يحدده السياق.

هناك مواد متباينة الخواص بصريًا يعتمد فيها معامل الانكسار على اتجاه واستقطاب الضوء. هذه المواد شائعة جدًا ، على وجه الخصوص ، هذه كلها بلورات ذات تناظر منخفض بدرجة كافية للشبكة البلورية ، بالإضافة إلى مواد معرضة للتشوه الميكانيكي.

يمكن التعبير عن معامل الانكسار على أنه جذر ناتج المغناطيسية وسمات الوسط

(يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن قيم النفاذية المغناطيسية ومؤشر السماحية المطلقة لنطاق التردد المعني - على سبيل المثال ، البصري ، يمكن أن تكون مختلفة تمامًا عن القيمة الثابتة لهذه القيم).

لقياس معامل الانكسار ، يتم استخدام مقاييس معامل الانكسار اليدوية والآلية. عند استخدام مقياس الانكسار لتحديد تركيز السكر في محلول مائي ، يسمى الجهاز مقياس السكر.

نسبة الجيب لزاوية السقوط () للشعاع إلى جيب زاوية الانكسار () أثناء انتقال الحزمة من المتوسط ​​A إلى المتوسط ​​B تسمى معامل الانكسار النسبي لهذا الزوج من الوسائط.

الكمية ن هي معامل الانكسار النسبي للوسيط ب فيما يتعلق بالوسط أ ، "= 1 / ن هو معامل الانكسار النسبي للوسط أ بالنسبة للوسط ب.

هذه القيمة ، مع ثبات العوامل الأخرى ، عادة ما تكون أقل من الوحدة عندما تمر الحزمة من وسط أكثر كثافة إلى وسط أقل كثافة ، وأكثر من الوحدة عندما تنتقل الحزمة من وسط أقل كثافة إلى وسط أكثر كثافة (على سبيل المثال ، من غاز أو من فراغ إلى سائل أو صلب). هناك استثناءات لهذه القاعدة ، وبالتالي فمن المعتاد استدعاء وسيط بصريًا أكثر أو أقل كثافة من الآخر (يجب عدم الخلط بينه وبين الكثافة الضوئية كمقياس لشفافية الوسيط).

الشعاع الذي يسقط من الفضاء الخالي من الهواء على سطح بعض الوسط B ينكسر بشدة أكثر من السقوط عليه من وسط آخر A ؛ يُطلق على معامل الانكسار لحادث شعاع على وسيط من الفضاء الخالي من الهواء اسم معامل الانكسار المطلق أو ببساطة معامل الانكسار لهذا الوسط ، وهذا هو مؤشر الانكسار ، الذي يتم تقديم تعريفه في بداية المقالة. معامل الانكسار لأي غاز ، بما في ذلك الهواء ، في ظل الظروف العادية أقل بكثير من مؤشرات الانكسار للسوائل أو المواد الصلبة ، لذلك ، تقريبًا (وبدقة جيدة نسبيًا) يمكن الحكم على معامل الانكسار المطلق من معامل الانكسار بالنسبة للهواء.

أرز. 3. مبدأ تشغيل مقياس انكسار التداخل. يتم تقسيم شعاع من الضوء بحيث يمر جزأاه من خلال فتحات بطول l مليئة بمواد ذات مؤشرات انكسار مختلفة. عند الخروج من الخلية ، تكتسب الأشعة اختلافًا معينًا في المسار ، وعند تجميعها معًا ، تعطي على الشاشة صورة للحد الأقصى للتداخل والحد الأدنى مع أوامر k (تظهر بشكل تخطيطي على اليمين). الفرق في مؤشرات الانكسار Dn = n2 –n1 = kl / 2 ، حيث l هو الطول الموجي للضوء.

أجهزة قياس الانكسار هي أجهزة تستخدم لقياس معامل انكسار المواد. يعتمد مبدأ تشغيل مقياس الانكسار على ظاهرة الانعكاس الكلي. إذا سقط شعاع ضوئي مبعثر على وسيطتين مع مؤشرات انكسار ومن وسط أكثر كثافة بصريًا ، ثم بدءًا من زاوية وقوع معينة ، فإن الأشعة لا تدخل الوسيط الثاني ، ولكنها تنعكس تمامًا من الواجهة في الوسيط الأول. تسمى هذه الزاوية الزاوية المحددة للانعكاس الكلي. يوضح الشكل 1 سلوك الأشعة عندما تسقط في تيار معين لهذا السطح. يذهب الشعاع بزاوية محددة. من قانون الانكسار يمكنك تحديد: ، (بسبب).

تعتمد الزاوية المحددة على معامل الانكسار النسبي للوسيطتين. إذا تم توجيه الأشعة المنعكسة من السطح إلى عدسة متقاربة ، فعندئذٍ في المستوى البؤري للعدسة يمكن للمرء أن يرى حدود الضوء وشبه الظل ، ويعتمد موضع هذا الحد على قيمة الزاوية المحددة ، وبالتالي ، على معامل الانكسار. يستلزم التغيير في معامل الانكسار لإحدى الوسائط تغيير موضع الواجهة. يمكن أن تكون الحدود بين الضوء والظل بمثابة مؤشر في تحديد معامل الانكسار ، والذي يستخدم في أجهزة قياس الانكسار. تسمى هذه الطريقة لتحديد معامل الانكسار بطريقة الانعكاس الكلي.

بالإضافة إلى طريقة الانعكاس الكلي ، تستخدم أجهزة قياس الانكسار طريقة شعاع الرعي. في هذه الطريقة ، يضرب شعاع ضوئي متناثر الحدود من وسط أقل كثافة بصريًا في جميع الزوايا الممكنة (الشكل 2). الشعاع المنزلق على طول السطح () ، يتوافق مع - زاوية الانكسار المحددة (الشعاع في الشكل 2). إذا وضعنا عدسة في مسار الأشعة () المنكسرة على السطح ، فسنرى أيضًا في المستوى البؤري للعدسة حدًا حادًا بين الضوء والظل.

نظرًا لأن الشروط التي تحدد قيمة زاوية التحديد هي نفسها في كلتا الطريقتين ، فإن موضع الواجهة هو نفسه. كلتا الطريقتين متساويتان ، لكن طريقة الانعكاس الكلي تسمح لك بقياس معامل الانكسار للمواد المعتمة

مسار الأشعة في منشور مثلثي

يوضح الشكل 9 مقطعًا من المنشور الزجاجي بمستوى عمودي على حوافه الجانبية. تنحرف الحزمة في المنشور إلى القاعدة ، وتنكسر على الوجوه OA و 0B. تسمى الزاوية j بين هذه الوجوه بزاوية انكسار المنشور. تعتمد زاوية الانحراف q للشعاع على زاوية الانكسار للمنشور j ، ومعامل الانكسار n لمادة المنشور وزاوية السقوط أ. يمكن حسابه باستخدام قانون الانكسار (1.4).

يستخدم مقياس الانكسار مصدر ضوء أبيض 3. بسبب التشتت عندما يمر الضوء عبر المنشورين 1 و 2 ، يتضح أن الحدود بين الضوء والظل ملونة. لتجنب ذلك ، يتم وضع المعوض 4 أمام عدسة التلسكوب ، ويتكون من موشورين متطابقين ، يتم لصق كل منهما معًا من ثلاثة موشورات بمعامل انكسار مختلف. يتم اختيار المنشورات بحيث يكون شعاع أحادي اللون بطول موجي = 589.3 ميكرومتر. (الطول الموجي لخط الصوديوم الأصفر) لم يتم اختباره بعد اجتياز معوض الانحراف. تنحرف الأشعة ذات الأطوال الموجية الأخرى بواسطة المناشير في اتجاهات مختلفة. من خلال تحريك موشورات المعوض بمساعدة مقبض خاص ، تصبح الحدود بين الضوء والظلام واضحة قدر الإمكان.

أشعة الضوء ، بعد أن مرت المعوض ، تسقط في العدسة 6 من التلسكوب. يتم عرض صورة واجهة الظل الخفيف من خلال العدسة رقم 7 للتلسكوب. في الوقت نفسه ، يُنظر إلى المقياس 8 من خلال العدسة. نظرًا لأن زاوية الانكسار المحددة وزاوية الانعكاس الكلي تعتمد على معامل الانكسار للسائل ، يتم رسم قيم معامل الانكسار هذا على الفور على مقياس الانكسار.

يحتوي النظام البصري لمقياس الانكسار أيضًا على منشور دوار 5. يسمح لك بوضع محور التلسكوب بشكل عمودي على المنشور 1 و 2 ، مما يجعل الملاحظة أكثر ملاءمة.

يُطلق على الانكسار رقمًا تجريديًا معينًا يميز قوة الانكسار لأي وسيط شفاف. من المعتاد تعيينه n. هناك معامل انكسار مطلق ومعامل نسبي.

يتم حساب الأول باستخدام إحدى الصيغتين:

n = sin α / sin β = const (حيث sin α هو جيب زاوية السقوط ، و sin هو جيب شعاع الضوء الذي يدخل الوسط قيد النظر من الفراغ)

n = c / υ λ (حيث c هي سرعة الضوء في الفراغ ، υ λ هي سرعة الضوء في الوسط قيد الدراسة).

هنا ، يوضح الحساب عدد المرات التي يغير فيها الضوء سرعة انتشاره في لحظة الانتقال من الفراغ إلى وسط شفاف. بهذه الطريقة ، يتم تحديد معامل الانكسار (المطلق). لمعرفة النسبي ، استخدم الصيغة:

وهذا يعني أن مؤشرات الانكسار المطلقة للمواد ذات الكثافة المختلفة ، مثل الهواء والزجاج ، تؤخذ في الاعتبار.

بشكل عام ، المعاملات المطلقة لأي أجسام ، سواء كانت غازية أو سائلة أو صلبة ، تكون دائمًا أكبر من 1. بشكل أساسي ، تتراوح قيمها من 1 إلى 2. أعلى من 2 ، يمكن أن تكون هذه القيمة فقط في حالات استثنائية. قيمة هذه المعلمة لبعض البيئات:

هذه القيمة ، عند تطبيقها على أصعب مادة طبيعية على الكوكب ، الماس ، هي 2.42. في كثير من الأحيان ، عند إجراء البحث العلمي ، وما إلى ذلك ، من الضروري معرفة معامل انكسار الماء. هذه المعلمة هي 1.334.

نظرًا لأن الطول الموجي هو مؤشر ، بالطبع ، ليس ثابتًا ، يتم تعيين فهرس للحرف n. تساعد قيمته على فهم أي موجة من الطيف يشير إليها هذا المعامل. عند النظر إلى نفس المادة ، ولكن مع زيادة الطول الموجي للضوء ، سينخفض ​​معامل الانكسار. تسبب هذا الظرف في تحلل الضوء إلى طيف عند المرور عبر العدسة أو المنشور وما إلى ذلك.

من خلال قيمة معامل الانكسار ، يمكنك تحديد ، على سبيل المثال ، مقدار المادة المذابة في مادة أخرى. هذا مفيد ، على سبيل المثال ، في التخمير أو عندما تحتاج إلى معرفة تركيز السكر أو الفاكهة أو التوت في العصير. هذا المؤشر مهم أيضًا في تحديد جودة المنتجات البترولية ، وفي المجوهرات ، عندما يكون من الضروري إثبات صحة الحجر ، وما إلى ذلك.

بدون استخدام أي مادة ، سيكون المقياس المرئي في العدسة العينية للأداة أزرق بالكامل. إذا قمت بإسقاط الماء المقطر العادي على منشور ، مع المعايرة الصحيحة للأداة ، فإن حدود الألوان الزرقاء والبيضاء ستمر بدقة على طول علامة الصفر. عند فحص مادة أخرى ، فإنها ستتحرك على طول المقياس وفقًا لمعامل الانكسار الموجود بها.

الدرس 25 / ثالثاً -1: انتشار الضوء في مختلف الوسائط. انكسار الضوء عند السطح البيني بين وسيطين.

تعلم مواد جديدة.

حتى الآن ، درسنا انتشار الضوء في وسط واحد ، كالعادة - في الهواء. يمكن للضوء أن ينتشر في وسائط مختلفة: الانتقال من وسط إلى آخر ؛ عند نقاط الوقوع ، لا تنعكس الأشعة فقط من السطح ، ولكن أيضًا تمر جزئيًا عبره. مثل هذه التحولات تسبب العديد من الظواهر الجميلة والمثيرة للاهتمام.

يسمى التغيير في اتجاه انتشار الضوء الذي يمر عبر حدود وسيطين بانكسار الضوء.

ينعكس جزء من شعاع الضوء الواقع على السطح البيني بين وسيطين شفافين ، وينتقل جزء منه إلى وسيط آخر. في هذه الحالة ، يتغير اتجاه شعاع الضوء ، الذي يمر إلى وسط آخر. لذلك ، تسمى هذه الظاهرة الانكسار ، ويسمى الشعاع منكسر.

1 - شعاع الحادث

2 - شعاع منعكس

3 - شعاع منكسر α β

OO 1 - الحد الفاصل بين وسيطين

MN - عمودي O O 1

تسمى الزاوية التي تشكلها الحزمة والعمودية على السطح البيني بين وسيطين ، والتي يتم خفضها إلى نقطة وقوع الحزمة ، بزاوية الانكسار γ (جاما).

ينتقل الضوء في الفراغ بسرعة 300000 كم / ثانية. في أي وسط ، تكون سرعة الضوء دائمًا أقل من سرعة الفراغ. لذلك عندما يمر الضوء من وسط إلى آخر تقل سرعته وهذا هو سبب انكسار الضوء. كلما انخفضت سرعة انتشار الضوء في وسط معين ، زادت الكثافة الضوئية لهذا الوسط. على سبيل المثال ، الهواء له كثافة بصرية أعلى من الفراغ ، لأن سرعة الضوء في الهواء أقل إلى حد ما من الفراغ. الكثافة الضوئية للماء أكبر من الكثافة الضوئية للهواء ، لأن سرعة الضوء في الهواء أكبر منها في الماء.

كلما اختلفت الكثافة الضوئية لوسائط ، زاد انكسار الضوء في واجهتهما. كلما تغيرت سرعة الضوء في الواجهة بين وسيطين ، زاد انكسار الضوء.

لكل مادة شفافة ، هناك خاصية فيزيائية مهمة مثل معامل انكسار الضوء ن.يوضح عدد المرات التي تكون فيها سرعة الضوء في مادة معينة أقل من الفراغ.

معامل الانكسار

مستوى		مستوى		مستوى
		الملح الصخري		زيت التربنتين
		زيت الأرز		الإيثانول
الجلسرين		شبكي		زجاج (خفيف)
		ثاني كبريتيد الكربون

تعتمد النسبة بين زاوية السقوط وزاوية الانكسار على الكثافة البصرية لكل وسيط. إذا مرت شعاع من الضوء من وسط ذي كثافة بصرية منخفضة إلى وسيط بكثافة بصرية أعلى ، فإن زاوية الانكسار ستكون أصغر من زاوية الوقوع. إذا مرت شعاع من الضوء من وسط بكثافة بصرية أعلى ، فإن زاوية الانكسار ستكون أصغر من زاوية السقوط. إذا مرت شعاع من الضوء من وسط ذي كثافة بصرية أعلى إلى وسط بكثافة بصرية أقل ، فإن زاوية الانكسار تكون أكبر من زاوية السقوط.

هذا هو ، إذا كان n 1 γ ؛ إذا كان n 1> n 2 ، ثم α<γ.

قانون انكسار الضوء :

تقع الحزمة الساقطة والحزمة المنكسرة والعمودية على السطح البيني بين وسيطين عند نقطة وقوع الحزمة في نفس المستوى.

يتم تحديد نسب زاوية السقوط وزاوية الانكسار بواسطة الصيغة.

أين هو جيب زاوية السقوط ، هو جيب زاوية الانكسار.

قيمة الجيب والظل للزوايا من 0 إلى 900

درجات			درجات			درجات

تمت صياغة قانون انكسار الضوء لأول مرة من قبل عالم الفلك والرياضيات الهولندي دبليو سنيليوس حوالي عام 1626 ، وهو أستاذ في جامعة ليدن (1613).

بالنسبة للقرن السادس عشر ، كانت البصريات علمًا حديثًا للغاية ، حيث ظهرت عدسة مكبرة من كرة زجاجية مملوءة بالماء ، والتي كانت تستخدم كعدسة. ومنه اخترعوا منظار ومجهر. في ذلك الوقت ، كانت هولندا بحاجة إلى تلسكوبات لرؤية الساحل والهروب من الأعداء في الوقت المناسب. كانت البصريات هي التي ضمنت نجاح وموثوقية الملاحة. لذلك ، في هولندا ، كان الكثير من العلماء مهتمين بالبصريات. لاحظ الهولندي سكيل فان روين (Snelius) كيف انعكس شعاع رفيع من الضوء في المرآة. قام بقياس زاوية السقوط وزاوية الانعكاس ووجد أن زاوية الانعكاس تساوي زاوية السقوط. كما أنه يمتلك قوانين انعكاس الضوء. استنتج قانون انكسار الضوء.

تأمل في قانون انكسار الضوء.

فيه - معامل الانكسار النسبي للوسيط الثاني بالنسبة إلى الأول ، في الحالة التي يكون فيها الثاني كثافة بصرية عالية. إذا انكسر الضوء وتمر عبر وسيط بكثافة بصرية منخفضة ، فعندئذ تكون α< γ, тогда

إذا كان الوسيط الأول عبارة عن فراغ ، فعندئذٍ n 1 = 1.

يسمى هذا الفهرس معامل الانكسار المطلق للوسيط الثاني:

أين هي سرعة الضوء في الفراغ ، وسرعة الضوء في وسط معين.

نتيجة لانكسار الضوء في الغلاف الجوي للأرض هي حقيقة أننا نرى الشمس والنجوم أعلى بقليل من موقعها الفعلي. يمكن أن يفسر انكسار الضوء حدوث السراب وأقواس قزح ... ظاهرة انكسار الضوء هي أساس مبدأ تشغيل الأجهزة البصرية الرقمية: مجهر ، تلسكوب ، كاميرا.

الانكسار أو الانكسار هو ظاهرة يحدث فيها تغيير في اتجاه شعاع من الضوء ، أو موجات أخرى ، عندما يعبرون الحدود الفاصلة بين وسيطين ، كلاهما شفاف (ينقل هذه الموجات) وداخل وسط تتغير فيه الخصائص باستمرار .

نواجه ظاهرة الانكسار في كثير من الأحيان ونعتبرها ظاهرة عادية: يمكننا أن نرى أن العصا الموضوعة في زجاج شفاف بسائل ملون "مكسورة" عند النقطة التي ينفصل فيها الهواء والماء (الشكل 1). عندما ينكسر الضوء وينعكس أثناء المطر ، نبتهج عندما نرى قوس قزح (الشكل 2).

معامل الانكسار هو خاصية مهمة لمادة مرتبطة بخصائصها الفيزيائية والكيميائية. يعتمد ذلك على قيم درجة الحرارة ، وكذلك على الطول الموجي لموجات الضوء التي يتم عندها التحديد. وفقًا لبيانات مراقبة الجودة في محلول ما ، يتأثر مؤشر الانكسار بتركيز المادة المذابة فيه ، فضلاً عن طبيعة المذيب. على وجه الخصوص ، يتأثر معامل الانكسار لمصل الدم بكمية البروتين الموجودة فيه. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه عند السرعات المختلفة لانتشار أشعة الضوء في الوسائط ذات الكثافة المختلفة ، يتغير اتجاهها عند السطح البيني بين وسيطين . إذا قسمنا سرعة الضوء في الفراغ على سرعة الضوء في المادة قيد الدراسة ، نحصل على معامل الانكسار المطلق (معامل الانكسار). في الممارسة العملية ، يتم تحديد معامل الانكسار النسبي (n) ، وهو نسبة سرعة الضوء في الهواء إلى سرعة الضوء في المادة قيد الدراسة.

يتم قياس معامل الانكسار باستخدام جهاز خاص - مقياس الانكسار.

يعد قياس الانكسار أحد أسهل طرق التحليل الفيزيائي ويمكن استخدامه في مختبرات مراقبة الجودة في إنتاج المواد الكيميائية والغذائية والمكملات الغذائية النشطة بيولوجيًا ومستحضرات التجميل وأنواع أخرى من المنتجات بأقل وقت وعدد العينات المراد اختبارها.

يعتمد تصميم مقياس الانكسار على حقيقة أن أشعة الضوء تنعكس تمامًا عندما تمر عبر حدود وسيطين (أحدهما منشور زجاجي والآخر هو محلول الاختبار) (الشكل 3).

أرز. 3. مخطط مقياس الانكسار

من المصدر (1) ، يسقط شعاع الضوء على سطح المرآة (2) ، ثم ينعكس ، ويمر في منشور الإنارة العلوي (3) ، ثم إلى منشور القياس السفلي (4) ، المصنوع من الزجاج مع معامل انكسار عالي. بين المنشور (3) و (4) يتم تطبيق 1-2 قطرات من العينة باستخدام أنبوب شعري. من أجل عدم التسبب في ضرر ميكانيكي للمنشور ، من الضروري عدم لمس سطحه بشعري.

ترى العدسة (9) حقلاً به خطوط متقاطعة لتعيين الواجهة. من خلال تحريك العدسة ، يجب محاذاة نقطة تقاطع الحقول مع الواجهة (الشكل 4). يلعب مستوى المنشور (4) دور الواجهة التي ينكسر شعاع الضوء على سطحها. نظرًا لتناثر الأشعة ، يتضح أن حدود الضوء والظل ضبابية ومتقزحة اللون. يتم القضاء على هذه الظاهرة بواسطة معوض التشتت (5). ثم يتم تمرير الشعاع من خلال العدسة (6) والمنشور (7). على اللوحة (8) توجد ضربات رؤية (خطان مستقيمان متقاطعان بالعرض) ، بالإضافة إلى مقياس بمؤشرات الانكسار ، وهو ما لوحظ في العدسة (9). يتم استخدامه لحساب معامل الانكسار.

سيتوافق الخط الفاصل لحدود المجال مع زاوية الانعكاس الكلي الداخلي ، والذي يعتمد على معامل الانكسار للعينة.

يستخدم قياس الانكسار لتحديد نقاء المادة وأصالتها. تُستخدم هذه الطريقة أيضًا لتحديد تركيز المواد في المحاليل أثناء مراقبة الجودة ، والتي يتم حسابها من الرسم البياني للمعايرة (رسم بياني يوضح اعتماد معامل الانكسار لعينة على تركيزها).

في KorolevPharm ، يتم تحديد معامل الانكسار وفقًا للوثائق التنظيمية المعتمدة أثناء التحكم الوارد في المواد الخام ، وفي مستخلصات إنتاجنا ، وكذلك في إنتاج المنتجات النهائية. يتم التحديد من قبل موظفين مؤهلين في مختبر فيزيائي وكيميائي معتمد باستخدام مقياس انكسار IRF-454 B2M.

إذا كان مؤشر الانكسار ، بناءً على نتائج التحكم في إدخال المواد الخام ، لا يفي بالمتطلبات الضرورية ، فإن قسم مراقبة الجودة يضع قانون عدم المطابقة ، والذي على أساسه يتم إرجاع هذه الدفعة من المواد الخام إلى المورد.

طريقة التحديد

1. قبل البدء بالقياسات ، يتم فحص نظافة أسطح المناشير الملامسة لبعضها البعض.

2. فحص نقطة الصفر. نضع 2 3 قطرات من الماء المقطر على سطح منشور القياس ، ونغلقه بعناية بمنشور مضيء. افتح نافذة الإضاءة ، وباستخدام مرآة ، اضبط مصدر الضوء في الاتجاه الأكثر كثافة. من خلال تدوير مسامير العدسة ، نحصل على تمييز واضح وحاد بين الحقول المظلمة والفاتحة في مجال رؤيتها. نقوم بتدوير البرغي وتوجيه خط الظل والضوء بحيث يتزامن مع النقطة التي تتقاطع عندها الخطوط في النافذة العلوية للعدسة. على الخط الرأسي في النافذة السفلية للعدسة ، نرى النتيجة المرجوة - معامل انكسار الماء المقطر عند 20 درجة مئوية (1.333). إذا كانت القراءات مختلفة ، فاضبط البرغي على معامل الانكسار على 1.333 ، وبمساعدة مفتاح (قم بإزالة برغي الضبط) نأتي بحدود الظل والضوء إلى نقطة تقاطع الخطوط.

3. تحديد معامل الانكسار. ارفع حجرة إضاءة المنشور وقم بإزالة الماء بورق الترشيح أو منديل الشاش. بعد ذلك ، ضع 1-2 قطرات من محلول الاختبار على سطح منشور القياس وأغلق الغرفة. نقوم بتدوير البراغي حتى تتوافق حدود الظل والضوء مع نقطة تقاطع الخطوط. على الخط العمودي في النافذة السفلية للعدسة ، نرى النتيجة المرجوة - معامل الانكسار لعينة الاختبار. نحسب معامل الانكسار على المقياس في النافذة السفلية للعدسة.

4. باستخدام مخطط المعايرة ، نؤسس العلاقة بين تركيز المحلول ومعامل الانكسار. لإنشاء رسم بياني ، من الضروري إعداد حلول قياسية لتركيزات متعددة باستخدام مستحضرات من مواد نقية كيميائيًا ، وقياس مؤشرات انكسارها ورسم القيم التي تم الحصول عليها على المحور الإحداثي ، ورسم التراكيز المقابلة للحلول على محور الإحداثي. من الضروري اختيار فترات التركيز التي يتم فيها ملاحظة علاقة خطية بين التركيز ومعامل الانكسار. نقيس معامل الانكسار لعينة الاختبار ونستخدم الرسم البياني لتحديد تركيزها.

التذكرة 75.

قانون انعكاس الضوء: يقع الحادث والحزم المنعكسة ، وكذلك العمودي على السطح البيني بين وسيطين ، المستعادتين عند نقطة وقوع الحزمة ، في نفس المستوى (مستوى الوقوع). زاوية الانعكاس γ تساوي زاوية السقوط α.

قانون انكسار الضوء: تقع الحزم الساقطة والمنكسرة ، وكذلك العمودي على السطح البيني بين وسيطين ، المستعادتين عند نقطة وقوع الحزمة ، في نفس المستوى. نسبة الجيب لزاوية السقوط α إلى جيب زاوية الانكسار β هي قيمة ثابتة لوسائط معينة:

تم شرح قوانين الانعكاس والانكسار في فيزياء الأمواج. وفقًا لمفاهيم الموجة ، فإن الانكسار هو نتيجة للتغيير في سرعة انتشار الموجة أثناء الانتقال من وسط إلى آخر. المعنى المادي لمعامل الانكسارهي نسبة سرعة انتشار الموجة في الوسط الأول 1 إلى سرعة انتشارها في الوسط الثاني υ 2:

يوضح الشكل 3.1.1 قوانين انعكاس وانكسار الضوء.

يُطلق على الوسط ذو معامل الانكسار المطلق المنخفض بصريًا أقل كثافة.

عندما يمر الضوء من وسط كثيف بصريًا إلى وسط ضوئي أقل كثافة ، n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать ظاهرة الانعكاس الكليأي اختفاء الشعاع المنكسر. لوحظت هذه الظاهرة عند زوايا حدوث تتجاوز زاوية حرجة معينة α pr ، والتي تسمى الحد من زاوية الانعكاس الداخلي الكلي(انظر الشكل 3.1.2).

لزاوية السقوط α = α pr sin β = 1 ؛ القيمة sin α pr \ u003d n 2 / n 1< 1.

إذا كان الوسيط الثاني هو الهواء (ن 2 1) ، فمن الملائم إعادة كتابة الصيغة على النحو التالي

تجد ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي تطبيقًا في العديد من الأجهزة البصرية. التطبيق الأكثر إثارة للاهتمام والأهم من الناحية العملية هو إنشاء أدلة ضوئية من الألياف ، والتي تكون رقيقة (من بضعة ميكرومتر إلى مليمترات) خيوط مثنية بشكل تعسفي من مادة شفافة بصريًا (زجاج ، كوارتز). يمكن أن ينتشر الضوء الساقط على نهاية الألياف بطولها عبر مسافات طويلة بسبب الانعكاس الداخلي الكلي من الأسطح الجانبية (الشكل 3.1.3). يُطلق على الاتجاه العلمي والتقني الذي ينطوي عليه تطوير وتطبيق أدلة الضوء الضوئية اسم الألياف البصرية.

التخلص من "ضوء rsiya" ذلك (تحلل الضوء)- هذه ظاهرة ناتجة عن اعتماد معامل الانكسار المطلق لمادة ما على التردد (أو الطول الموجي) للضوء (تشتت التردد) ، أو ، نفس الشيء ، اعتماد سرعة الطور للضوء في مادة ما على الطول الموجي (أو التردد). اكتشف نيوتن تجريبيًا حوالي عام 1672 ، على الرغم من أنه تم شرحه جيدًا من الناحية النظرية في وقت لاحق.

التشتت المكانيهو اعتماد موتر سماحية الوسط على متجه الموجة. يتسبب هذا الاعتماد في عدد من الظواهر تسمى تأثيرات الاستقطاب المكاني.

من أوضح الأمثلة على التشتت - تحلل الضوء الأبيضعند تمريره عبر منشور (تجربة نيوتن). جوهر ظاهرة التشتت هو الاختلاف في سرعات انتشار أشعة الضوء ذات الأطوال الموجية المختلفة في مادة شفافة - وسط بصري (بينما في الفراغ تكون سرعة الضوء هي نفسها دائمًا ، بغض النظر عن الطول الموجي ومن ثم اللون) . عادة ، كلما زاد تردد الموجة الضوئية ، زاد معامل انكسار الوسط لها وانخفضت سرعة الموجة في الوسط:

تجارب نيوتن تجربة على تحلل الضوء الأبيض إلى طيف:وجه نيوتن شعاعًا من ضوء الشمس عبر ثقب صغير على منشور زجاجي. عند الوصول إلى المنشور ، تم انكسار الشعاع وأعطى على الجدار المقابل صورة ممدودة مع تناوب ألوان قزحي الألوان - الطيف. جرب مرور الضوء أحادي اللون من خلال منشور: وضع نيوتن زجاجًا أحمر في مسار شعاع الشمس ، تلقى خلفه ضوءًا أحادي اللون (أحمر) ، ثم منشورًا ولم يلاحظ على الشاشة سوى بقعة حمراء من شعاع الضوء. خبرة في تركيب (الحصول على) الضوء الأبيض:أولاً ، وجه نيوتن شعاع الشمس إلى موشور. بعد ذلك ، بعد أن جمع نيوتن الأشعة الملونة الخارجة من المنشور بمساعدة عدسة متقاربة ، تلقى نيوتن صورة بيضاء لثقب على جدار أبيض بدلاً من شريط ملون. استنتاجات نيوتن:- لا يغير المنشور الضوء ، ولكنه يحللها فقط إلى مكونات - تختلف أشعة الضوء التي تختلف في اللون في درجة الانكسار ؛ تكون الأشعة البنفسجية أكثر انكسارًا ، والضوء الأحمر أقل انكسارًا بقوة - الضوء الأحمر ، وهو أقل انكسارًا ، وله أعلى سرعة ، والبنفسجي لديه أدنى مستوياته ، وبالتالي فإن المنشور يحلل الضوء. يسمى اعتماد معامل انكسار الضوء على لونه بالتشتت.

الاستنتاجات:- المنشور يحلل الضوء - الضوء الأبيض معقد (مركب) - الأشعة البنفسجية تنكسر أكثر من الأشعة الحمراء. يتم تحديد لون شعاع الضوء من خلال تردد التذبذب. عند الانتقال من وسيط إلى آخر ، تتغير سرعة الضوء وطول الموجة ، لكن التردد الذي يحدد اللون يظل ثابتًا. عادةً ما تتميز حدود نطاقات الضوء الأبيض ومكوناته بأطوال موجاتهم في الفراغ. الضوء الأبيض عبارة عن مجموعة من الأطوال الموجية من 380 إلى 760 نانومتر.

التذكرة 77.

امتصاص الضوء. قانون بوجير

يرتبط امتصاص الضوء في مادة ما بتحويل طاقة المجال الكهرومغناطيسي للموجة إلى الطاقة الحرارية للمادة (أو إلى طاقة الإشعاع الضوئي الثانوي). قانون امتصاص الضوء (قانون Bouguer) له الشكل:

أنا = أنا 0 إكسب (- خ) ،(1)

أين أنا 0 , أنا- شدة ضوء الإدخال (س = 0)والخروج من الطبقة المتوسطة من السماكة X ، - معامل الامتصاص يعتمد على .

للعوازل  =10 -1  10 -5 م -1 للمعادن =10 5  10 7 م -1 , لذلك المعادن غير شفافة للضوء.

الاعتماد  ( ) يشرح لون الأجسام الممتصة. على سبيل المثال ، الزجاج الذي يمتص القليل من الضوء الأحمر سيظهر باللون الأحمر عند إضاءته بالضوء الأبيض.

تشتت الضوء. قانون رايلي

يمكن أن يحدث انحراف الضوء في وسط غير متجانس بصريًا ، على سبيل المثال ، في وسط عكر (دخان ، ضباب ، هواء مغبر ، إلخ). تشتت موجات الضوء على عدم تجانس الوسط ، وتخلق نمط حيود يتميز بتوزيع شدة موحد إلى حد ما في جميع الاتجاهات.

يسمى هذا الانعراج عن طريق عدم التجانس الصغير تشتت الضوء.

تُلاحظ هذه الظاهرة إذا كان شعاع ضيق من ضوء الشمس يمر عبر الهواء المترب ، وينتشر على جزيئات الغبار ويصبح مرئيًا.

إذا كانت أبعاد عدم التجانس صغيرة مقارنة بطول الموجة (ليس أكثر من 0,1  ) ، فإن شدة الضوء المبعثر تتناسب عكسياً مع القوة الرابعة من الطول الموجي ، أي

أنا راس ~ 1/  4 , (2)

هذه العلاقة تسمى قانون رايلي.

لوحظ أيضًا تشتت الضوء في الوسائط النقية التي لا تحتوي على جزيئات غريبة. على سبيل المثال ، يمكن أن يحدث عند التقلبات (الانحرافات العشوائية) للكثافة أو تباين الخواص أو التركيز. يسمى هذا التشتت الجزيئي. إنه يشرح ، على سبيل المثال ، اللون الأزرق للسماء. في الواقع ، وفقًا لـ (2) ، فإن الأشعة الزرقاء والأزرق مبعثرة بقوة أكبر من الأحمر والأصفر ، لأن لها طول موجي أقصر ، مما يؤدي إلى اللون الأزرق للسماء.

التذكرة 78.

استقطاب الضوء- مجموعة من ظواهر بصريات الموجات ، تتجلى فيها الطبيعة العرضية لموجات الضوء الكهرومغناطيسية. موجة عرضية- تتأرجح جسيمات الوسط في اتجاهات عمودية على اتجاه انتشار الموجة ( رسم بياني 1).

رسم بياني 1 موجة عرضية

الموجة الضوئية الكهرومغناطيسية مستقطبة الطائرة(الاستقطاب الخطي) ، إذا كانت اتجاهات تذبذب المتجهين E و B ثابتة بدقة وتكمن في مستويات معينة ( رسم بياني 1). تسمى الموجة الضوئية المستقطبة المستوية مستقطبة الطائرة(مستقطب خطيًا) ضوء. غير مستقطب(طبيعي) موجة - موجة ضوئية كهرومغناطيسية يمكن أن تقع فيها اتجاهات تذبذب المتجهين E و B في هذه الموجة في أي مستويات متعامدة مع متجه السرعة v. ضوء غير مستقطب- موجات الضوء ، حيث تتغير اتجاهات اهتزازات المتجهين E و B بشكل عشوائي بحيث تكون جميع اتجاهات التذبذبات في المستويات المتعامدة مع حزمة انتشار الموجة محتملة بشكل متساوٍ ( الصورة 2).

الصورة 2 ضوء غير مستقطب

موجات مستقطبة- حيث تظل اتجاهات المتجهين E و B دون تغيير في الفضاء أو تتغير وفقًا لقانون معين. الإشعاع ، حيث يتغير اتجاه المتجه E بشكل عشوائي - غير مستقطب. مثال على هذا الإشعاع يمكن أن يكون الإشعاع الحراري (ذرات وإلكترونات موزعة عشوائياً). طائرة الاستقطاب- هذا مستوي عمودي على اتجاه تذبذب المتجه E. الآلية الرئيسية لحدوث الإشعاع المستقطب هي تشتت الإشعاع بواسطة الإلكترونات والذرات والجزيئات وجزيئات الغبار.

1.2 أنواع الاستقطابهناك ثلاثة أنواع من الاستقطاب. دعونا نحددهم. 1. الخطي يحدث إذا احتفظ المتجه الكهربائي E بموقعه في الفراغ. إنه نوع من الضوء على المستوى الذي يتأرجح فيه المتجه E. 2. تعميم هذا هو الاستقطاب الذي يحدث عندما يدور المتجه الكهربائي E حول اتجاه انتشار الموجة بسرعة زاوية تساوي التردد الزاوي للموجة ، مع الحفاظ على قيمتها المطلقة. يميز هذا الاستقطاب اتجاه دوران المتجه E في المستوى العمودي على خط البصر. ومن الأمثلة على ذلك إشعاع السيكلوترون (نظام من الإلكترونات يدور في مجال مغناطيسي). 3. بيضاوي الشكل يحدث عندما يتغير حجم المتجه الكهربائي E بحيث يصف القطع الناقص (دوران المتجه E). الاستقطاب البيضاوي والدائري صحيح (دوران المتجه E يحدث في اتجاه عقارب الساعة ، إذا نظرت نحو موجة الانتشار) واليسار (دوران المتجه E يحدث عكس اتجاه عقارب الساعة ، إذا نظرت نحو موجة الانتشار).

في الواقع ، الأكثر شيوعًا استقطاب جزئي (موجات كهرومغناطيسية مستقطبة جزئيًا). من الناحية الكمية ، تتميز بكمية معينة تسمى درجة الاستقطاب ص، والتي يتم تعريفها على أنها: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin)أين إيماكس,موافق- أعلى وأقل كثافة لتدفق الطاقة الكهرومغناطيسية من خلال المحلل (بولارويد ، موشور نيكول ...). من الناحية العملية ، غالبًا ما يتم وصف استقطاب الإشعاع بواسطة معلمات Stokes (يتم تحديد تدفقات الإشعاع مع اتجاه استقطاب معين).

التذكرة 79.

إذا وقع الضوء الطبيعي على السطح الفاصل بين عازلين (على سبيل المثال ، الهواء والزجاج) ، فعندئذٍ ينعكس جزء منه وينكسر جزء وينتشر في الوسط الثاني. من خلال وضع محلل (على سبيل المثال ، التورمالين) على مسار الحزم المنعكسة والمنكسرة ، نتأكد من أن الحزم المنعكسة والمنكسرة مستقطبة جزئيًا: عندما يتم تدوير المحلل حول الحزم ، تزداد شدة الضوء وتنخفض بشكل دوري ( لم يلاحظ الانقراض الكامل!). أظهرت دراسات أخرى أنه في الحزمة المنعكسة ، تسود الاهتزازات العمودية على مستوى الوقوع (في الشكل 275 يشار إليها بالنقاط) ، في الحزمة المنكسرة - التذبذبات الموازية لمستوى السقوط (كما هو موضح بالسهام).

تعتمد درجة الاستقطاب (درجة فصل موجات الضوء مع اتجاه معين للناقل الكهربائي (والمغناطيسي)) على زاوية سقوط الأشعة ومعامل الانكسار. فيزيائي اسكتلندي دي بروستر(1781-1868) قانونوفقا لزاوية السقوط أناب (زاوية بروستر) ، التي تحددها العلاقة

(ن 21 - معامل الانكسار للوسيط الثاني نسبة إلى الأول) ، الشعاع المنعكس مستقطب مستوي(يحتوي فقط على تذبذبات عمودية على مستوى السقوط) (الشكل 276). الشعاع المنكسر بزاوية السقوطأناب مستقطبة إلى أقصى حد ، ولكن ليس بالكامل.

إذا وقع ضوء على السطح البيني بزاوية بروستر ، فإن الأشعة المنعكسة والمنكسرة متعامدة بشكل متبادل(tg أناب = الخطيئة أناب / كوس أناب، ن 21 = الخطيئة أناب / الخطيئة أنا 2 (أنا 2 - زاوية الانكسار) ، ومن أين جيب التمام أناب = الخطيئة أنا 2). بالتالي، أناب + أنا 2 =  / 2 لكن أنا’ ب = أناب (قانون الانعكاس) ، هكذا أنا’ ب + أنا 2 =  /2.

يمكن حساب درجة استقطاب الضوء المنعكس والمنكسر عند زوايا مختلفة من الوقوع من معادلات ماكسويل ، إذا أخذنا في الاعتبار الظروف الحدودية للحقل الكهرومغناطيسي عند السطح البيني بين عازلين متناحيين (ما يسمى صيغ فرينل).

يمكن زيادة درجة استقطاب الضوء المنكسر بشكل كبير (عن طريق الانكسار المتكرر ، بشرط أن يسقط الضوء في كل مرة على الواجهة بزاوية بروستر). إذا ، على سبيل المثال ، للزجاج ( ن = 1.53) ، تكون درجة استقطاب الحزمة المنكسرة 15٪ ، ثم بعد الانكسار بمقدار 8-10 ألواح زجاجية متراكبة على بعضها البعض ، سيكون الضوء الخارج من هذا النظام مستقطبًا بالكامل تقريبًا. هذه المجموعة من اللوحات تسمى قدم.يمكن استخدام القدم لتحليل الضوء المستقطب في انعكاسه وانكساره.

التذكرة 79 (for spur)

كما تظهر التجربة ، أثناء انكسار الضوء وانعكاسه ، يتضح أن الضوء المنكسر والانعكاس مستقطب وانعكاس. يمكن للضوء أن يكون مستقطبًا تمامًا عند زاوية وقوع معينة ، ولكن يكون الضوء دائمًا مستقطبًا جزئيًا ، وبناءً على صيغ فرينل ، يمكن إظهار أن الانعكاس. يستقطب الضوء في مستوى عمودي على مستوى السقوط والانكسار. الضوء مستقطب في مستوى موازٍ لمستوى السقوط.

زاوية السقوط التي عندها الانعكاس الضوء مستقطب بالكامل يسمى زاوية بروستر ، زاوية بروستر محددة من قانون بروستر: قانون بروستر ، في هذه الحالة الزاوية بين الانعكاس. وكسر. ستكون الأشعة متساوية. بالنسبة لنظام زجاج الهواء ، تكون زاوية Brewster متساوية. للحصول على استقطاب جيد ، أي عندما ينكسر الضوء ، يتم استخدام الكثير من الأسطح المكسورة ، والتي تسمى قدم ستوليتوف.

التذكرة 80.

تُظهر التجربة أنه عندما يتفاعل الضوء مع المادة ، فإن الإجراء الرئيسي (الفسيولوجي ، والكيميائي الضوئي ، والكهروضوئي ، وما إلى ذلك) ناتج عن تذبذبات المتجه ، والتي تسمى أحيانًا متجه الضوء في هذا الصدد. لذلك ، لوصف أنماط استقطاب الضوء ، يتم مراقبة سلوك المتجه.

يتكون المستوى من المتجهات ويسمى مستوى الاستقطاب.

إذا حدثت تذبذبات المتجهات في مستوى ثابت واحد ، فإن هذا الضوء (الحزمة) يسمى مستقطب خطيًا. تم تعيينه بشكل تعسفي على النحو التالي. إذا كانت الحزمة مستقطبة في مستوى عمودي (في المستوى xz، انظر الشكل. 2 في المحاضرة الثانية) ثم يرمز لها.

يتكون الضوء الطبيعي (من مصادر عادية ، الشمس) من موجات لها مستويات استقطاب مختلفة موزعة عشوائيًا (انظر الشكل 3).

يشار إلى الضوء الطبيعي في بعض الأحيان على أنه هذا. ويسمى أيضًا غير مستقطب.

إذا كان المتجه يدور أثناء انتشار الموجة وفي نفس الوقت تصف نهاية المتجه دائرة ، فإن هذا الضوء يسمى مستقطب دائريًا ، ويكون الاستقطاب دائريًا أو دائريًا (يمينًا أو يسارًا). هناك أيضًا استقطاب إهليلجي.

يوجد أجهزة بصرية (أفلام ، ألواح ، إلخ) - المستقطبات، التي ينبعث منها ضوء مستقطب خطيًا أو ضوءًا مستقطبًا جزئيًا من الضوء الطبيعي.

تسمى المستقطبات المستخدمة لتحليل استقطاب الضوء محللات.

مستوى المستقطب (أو المحلل) هو مستوى استقطاب الضوء المرسل بواسطة المستقطب (أو المحلل).

دع المستقطب (أو المحلل) يقع في ضوء مستقطب خطيًا بسعة ه 0. سيكون اتساع الضوء المرسل ه = ه 0 كوس ي، والشدة أنا = أنا 0 cos 2 ي.

تعبر هذه الصيغة عن قانون مالوس:

تتناسب شدة الضوء المستقطب خطيًا الذي يمر عبر المحلل مع مربع جيب تمام الزاوية يبين مستوى تذبذبات الضوء الساقط ومستوى المحلل.

التذكرة 80 (لتوتنهام)

المستقطبات هي الأجهزة التي تجعل من الممكن الحصول على ضوء مستقطب. المحللون عبارة عن أجهزة يمكنك من خلالها تحليل ما إذا كان الضوء مستقطبًا أم لا. من الناحية الهيكلية ، المستقطب والمحلل متماثلان. ثم تكون جميع اتجاهات المتجه E متساوية في الاحتمال. يمكن أن يتحلل المتجه إلى مكونين متعامدين بشكل متبادل: أحدهما موازٍ لمستوى الاستقطاب في المستقطب ، والآخر متعامد معه.

من الواضح أن شدة الضوء الخارج من المستقطب ستكون متساوية. دعنا نشير إلى شدة الضوء الذي يغادر المستقطب بواسطة (). إذا تم وضع محلل على مسار المستقطب ، فإن المستوى الرئيسي يصنع زاوية مع المستوى الرئيسي للمستقطب ، ثم يحدد القانون شدة الضوء الذي يترك المحلل.

التذكرة 81.

عند دراسة تألق محلول أملاح اليورانيوم تحت تأثير أشعة الراديوم ، لفت الفيزيائي السوفيتي ب. اتضح أنه عندما تمر الأشعة (انظر إشعاع جاما) عبر سوائل نقية ، فإنها تبدأ جميعًا في التوهج. S. I. Vavilov ، الذي عمل تحت إدارته P. A. Cherenkov ، افترض أن التوهج مرتبط بحركة الإلكترونات التي خرجت بواسطة كوانتا الراديوم من الذرات. في الواقع ، اعتمد التوهج بشدة على اتجاه المجال المغناطيسي في السائل (وهذا يشير إلى أن سبب ذلك هو حركة الإلكترونات).

لكن لماذا تصدر الإلكترونات التي تتحرك في سائل الضوء؟ تم تقديم الإجابة الصحيحة على هذا السؤال في عام 1937 من قبل الفيزيائيين السوفييت إ. إ. تام وإي إم فرانك.

يتفاعل الإلكترون الذي يتحرك في مادة ما مع الذرات المحيطة. تحت تأثير مجالها الكهربائي ، يتم إزاحة الإلكترونات والنواة الذرية في اتجاهين متعاكسين - الوسط مستقطب. عند الاستقطاب ثم العودة إلى الحالة الأولية ، فإن ذرات الوسط ، الواقعة على طول مسار الإلكترون ، تبعث موجات ضوئية كهرومغناطيسية. إذا كانت سرعة الإلكترون v أقل من سرعة انتشار الضوء في الوسط (- معامل الانكسار) ، فإن المجال الكهرومغناطيسي سيتجاوز الإلكترون ، وسيكون للمادة وقت للاستقطاب في الفضاء قبل الإلكترون. إن استقطاب الوسط أمام الإلكترون وخلفه هو عكس الاتجاه ، وإشعاعات الذرات المستقطبة بشكل معاكس ، "تضيف" ، "تطفئ" بعضها البعض. عندما الذرات ، التي لم يصل إليها الإلكترون بعد ، لا يكون لديها وقت للاستقطاب ، ويظهر الإشعاع ، موجهًا على طول طبقة مخروطية ضيقة مع رأس يتزامن مع الإلكترون المتحرك ، وزاوية عند الرأس ج. يمكن الحصول على مظهر "المخروط" الخفيف وحالة الإشعاع من المبادئ العامة لانتشار الموجات.

أرز. 1. آلية تشكيل جبهة الموجة

دع الإلكترون يتحرك على طول المحور OE (انظر الشكل 1) لقناة فارغة ضيقة جدًا في مادة شفافة متجانسة مع مؤشر انكسار (هناك حاجة إلى قناة فارغة حتى لا تأخذ في الاعتبار اصطدام الإلكترون مع الذرات في الاعتبار النظري). ستكون أي نقطة على خط OE يشغلها الإلكترون على التوالي مركز انبعاث الضوء. الموجات المنبعثة من النقاط المتتالية O ، D ، E تتداخل مع بعضها البعض ويتم تضخيمها إذا كان فرق الطور بينهما صفرًا (انظر التداخل). يتم استيفاء هذا الشرط للاتجاه الذي يصنع زاوية 0 مع مسار الإلكترون. يتم تحديد الزاوية 0 من خلال النسبة :.

في الواقع ، ضع في اعتبارك موجتين تنبعثان في الاتجاه بزاوية 0 إلى سرعة الإلكترون من نقطتين على المسار - النقطة O والنقطة D ، مفصولة بمسافة. عند النقطة B ، ملقاة على الخط المستقيم BE ، عموديًا على OB ، فإن الموجة الأولى عند - في الوقت المناسب للنقطة F ، ملقاة على الخط المستقيم BE ، ستصل الموجة المنبعثة من النقطة في الوقت الذي يلي انبعاث موجة من النقطة O. ستكون هاتان الموجتان في الطور ، أي أن الخط المستقيم سيكون جبهة موجة إذا تساوت هذه الأوقات :. هذا كشرط من شروط المساواة في الزمن يعطي. في جميع الاتجاهات ، التي من أجلها ، سيتم إطفاء الضوء بسبب تداخل الموجات المنبعثة من أقسام المسار مفصولة بمسافة D. يتم تحديد قيمة D بمعادلة واضحة ، حيث T هي فترة تذبذبات الضوء. هذه المعادلة لها دائمًا حل إذا.

إذا كان الاتجاه الذي تتداخل فيه الموجات المشعة وتضخمها غير موجود ، فلا يمكن أن يكون أكبر من 1.

أرز. 2. توزيع الموجات الصوتية وتشكيل موجة صدمة أثناء حركة الجسم

يتم ملاحظة الإشعاع فقط إذا.

تجريبيًا ، تطير الإلكترونات بزاوية صلبة محدودة ، مع انتشار معين في السرعات ، ونتيجة لذلك ، ينتشر الإشعاع في طبقة مخروطية بالقرب من الاتجاه الرئيسي ، تحددها الزاوية.

في نظرنا ، أهملنا تباطؤ الإلكترون. هذا مقبول تمامًا ، نظرًا لأن الخسائر الناجمة عن إشعاع فافيلوف-شيرينكوف صغيرة ، وفي التقريب الأول ، يمكننا أن نفترض أن الطاقة التي فقدها الإلكترون لا تؤثر على سرعته وتتحرك بشكل موحد. هذا هو الاختلاف الأساسي والغرابة لإشعاع فافيلوف-شيرينكوف. عادة ما تشع الشحنات ، وتعاني من تسارع كبير.

يشبه الإلكترون الذي يتجاوز الضوء الخاص به طائرة تحلق بسرعة أكبر من سرعة الصوت. في هذه الحالة ، تنتشر أيضًا موجة صدمة مخروطية أمام الطائرة (انظر الشكل 2).