U predmetu fizike 8. razreda upoznali ste se sa fenomenom prelamanja svjetlosti. Sada znate da su svjetlost elektromagnetski valovi određenog frekvencijskog opsega. Na osnovu znanja o prirodi svjetlosti, moći ćete razumjeti fizički uzrok prelamanja i objasniti mnoge druge svjetlosne pojave povezane s njim.

Rice. 141. Prelaskom iz jednog medija u drugi, snop se lomi, tj. mijenja smjer širenja

Prema zakonu prelamanja svjetlosti (Sl. 141):

• upadne zrake, prelomljene i okomito povučene na granicu između dva medija u tački upada zraka leže u istoj ravni; omjer sinusa upadnog ugla i sinusa ugla prelamanja je konstantna vrijednost za ova dva medija

gdje je n 21 relativni indeks prelamanja drugog medija u odnosu na prvi.

Ako snop prođe u bilo koji medij iz vakuuma, onda

gdje je n apsolutni indeks loma (ili jednostavno indeks loma) drugog medija. U ovom slučaju, prvo "okruženje" je vakuum, čiji se apsolutni indeks uzima kao jedan.

Zakon prelamanja svjetlosti empirijski je otkrio holandski naučnik Willebord Snellius 1621. godine. Zakon je formulisan u raspravi o optici, koja je pronađena u naučnim radovima nakon njegove smrti.

Nakon otkrića Snella, nekoliko naučnika iznijelo je hipotezu da je prelamanje svjetlosti posljedica promjene njegove brzine kada prođe kroz granicu dva medija. Valjanost ove hipoteze potvrđena je teorijskim dokazima koje su nezavisno izveli francuski matematičar Pierre Fermat (1662.) i holandski fizičar Christian Huygens (1690. godine). Različitim putevima došli su do istog rezultata, dokazujući to

• omjer sinusa upadnog ugla i sinusa ugla prelamanja je konstantna vrijednost za ova dva medija, jednaka omjeru brzina svjetlosti u tim medijima:

(3)

Iz jednačine (3) slijedi da ako je ugao prelamanja β manji od upadnog ugla a, tada se svjetlost date frekvencije u drugom mediju širi sporije nego u prvom, tj. V 2

Odnos veličina uključenih u jednačinu (3) poslužio je kao dobar razlog za pojavu još jedne formulacije definicije relativnog indeksa prelamanja:

• relativni indeks loma drugog medija u odnosu na prvi je fizička veličina jednaka omjeru brzina svjetlosti u ovim medijima:

n 21 \u003d v 1 / v 2 (4)

Neka snop svjetlosti prođe iz vakuuma u neki medij. Zamjenom v1 u jednačini (4) brzinom svjetlosti u vakuumu c, a v 2 brzinom svjetlosti u mediju v, dobijamo jednačinu (5), koja je definicija apsolutnog indeksa prelamanja:

• apsolutni indeks loma medija je fizička veličina jednaka omjeru brzine svjetlosti u vakuumu i brzine svjetlosti u datom mediju:

Prema jednadžbi (4) i (5), n 21 pokazuje koliko se puta mijenja brzina svjetlosti kada prelazi iz jednog medija u drugi, a n - kada prelazi iz vakuuma u medij. Ovo je fizičko značenje indeksa loma.

Vrijednost apsolutnog indeksa prelamanja n bilo koje tvari veća je od jedinice (to potvrđuju podaci sadržani u tablicama fizičkih referentnih knjiga). Tada, prema jednačini (5), c/v > 1 i c > v, tj. brzina svjetlosti u bilo kojoj tvari je manja od brzine svjetlosti u vakuumu.

Bez davanja rigoroznih opravdanja (složena su i glomazna), napominjemo da je razlog za smanjenje brzine svjetlosti kada ona prelazi iz vakuuma u materiju interakcija svjetlosnog vala s atomima i molekulima materije. Što je veća optička gustina supstance, to je jača ova interakcija, manja je brzina svetlosti i veći indeks prelamanja. Dakle, brzina svjetlosti u mediju i apsolutni indeks prelamanja su određeni svojstvima ovog medija.

Prema numeričkim vrijednostima indeksa loma tvari, mogu se uporediti njihove optičke gustoće. Na primjer, indeksi prelamanja različitih vrsta stakla kreću se od 1,470 do 2,040, dok je indeks prelamanja vode 1,333. To znači da je staklo optički gušći medij od vode.

Okrenimo se slici 142, uz pomoć koje možemo objasniti zašto se na granici dva medija, sa promjenom brzine, mijenja i smjer širenja svjetlosnog vala.

Rice. 142. Kada svetlosni talasi prelaze iz vazduha u vodu, brzina svetlosti se smanjuje, prednji deo talasa, a sa njim i njegova brzina, menjaju smer

Na slici je prikazan svjetlosni val koji prelazi iz zraka u vodu i pada na granicu između ovih medija pod uglom a. U vazduhu se svetlost širi brzinom v 1 , a u vodi sporijom brzinom v 2 .

Tačka A vala prva stiže do granice. Tokom vremenskog perioda Δt, tačka B, koja se kreće u vazduhu istom brzinom v 1, dostići će tačku B. "Za isto vreme, tačka A, koja se kreće u vodi manjom brzinom v 2, preći će kraću udaljenost , dostižući samo tačku A". U ovom slučaju, takozvani talasni front A "B" u vodi će biti rotiran pod određenim uglom u odnosu na front AB talasa u vazduhu. A vektor brzine (koji je uvijek okomit na front valova i poklapa se sa smjerom njegovog širenja) rotira, približavajući se pravoj liniji OO", okomitoj na međuprostor između medija. U ovom slučaju, ugao prelamanja β je manji nego upadni ugao α. Tako nastaje prelamanje svjetlosti.

Sa slike se također vidi da se pri prelasku u drugi medij i okretanju valnog fronta mijenja i valna dužina: pri prelasku u optički gušći medij brzina se smanjuje, smanjuje se i valna dužina (λ 2< λ 1). Это согласуется и с известной вам формулой λ = V/v, из которой следует, что при неизменной частоте v (которая не зависит от плотности среды и поэтому не меняется при переходе луча из одной среды в другую) уменьшение скорости распространения волны сопровождается пропорциональным уменьшением длины волны.

Pitanja

1. Koja je od ove dvije tvari optički gušća?
2. Kako se određuju indeksi prelamanja u smislu brzine svjetlosti u medijima?
3. Gdje svjetlost putuje najbrže?
4. Koji je fizički razlog smanjenja brzine svjetlosti pri njenom prelasku iz vakuuma u medij ili iz medija s nižom optičkom gustoćom u medij s većom?
5. Šta određuje (tj. od čega zavise) apsolutni indeks prelamanja medija i brzinu svjetlosti u njemu?
6. Objasnite šta slika 142 ilustruje.

Vježba

Refrakcija ili refrakcija je pojava u kojoj se promjena smjera snopa svjetlosti ili drugih valova događa kada oni pređu granicu koja razdvaja dva medija, oba prozirna (koji prenose ove valove) i unutar medija u kojem se svojstva kontinuirano mijenjaju. .

Sa fenomenom prelamanja se susrećemo prilično često i doživljavamo ga kao običnu pojavu: možemo vidjeti da je štapić u prozirnoj čaši s obojenom tekućinom „slomljen“ na mjestu gdje se zrak i voda razdvajaju (slika 1). Kada se svetlost lomi i reflektuje tokom kiše, radujemo se kada vidimo dugu (slika 2).

Indeks prelamanja je važna karakteristika supstance povezana sa njenim fizičko-hemijskim svojstvima. To zavisi od vrednosti temperature, kao i od talasne dužine svetlosnih talasa na kojima se vrši određivanje. Prema podacima kontrole kvaliteta u otopini, na indeks loma utječe koncentracija tvari otopljene u njoj, kao i priroda rastvarača. Konkretno, na indeks prelamanja krvnog seruma utiče količina proteina koji se u njemu nalazi.To je zbog činjenice da se pri različitim brzinama prostiranja svjetlosnih zraka u medijima različite gustine, njihov smjer mijenja na granici između dva medija. . Ako brzinu svjetlosti u vakuumu podijelimo sa brzinom svjetlosti u ispitivanoj supstanci, dobićemo apsolutni indeks prelamanja (indeks refrakcije). U praksi se određuje relativni indeks prelamanja (n), koji je omjer brzine svjetlosti u zraku i brzine svjetlosti u ispitivanoj supstanci.

Indeks loma se kvantificira pomoću posebnog uređaja - refraktometra.

Refraktometrija je jedna od najjednostavnijih metoda fizičke analize i može se koristiti u laboratorijama za kontrolu kvalitete u proizvodnji kemijskih, prehrambenih, biološki aktivnih aditiva za hranu, kozmetičkih i drugih vrsta proizvoda uz minimalno vrijeme i broj uzoraka koji se ispituju.

Dizajn refraktometra zasniva se na činjenici da se svjetlosni zraci potpuno reflektiraju kada prođu kroz granicu dva medija (jedan od njih je staklena prizma, drugi je ispitno rješenje) (slika 3).

Rice. 3. Šema refraktometra

Iz izvora (1) svjetlosni snop pada na površinu zrcala (2), zatim, odbijajući se, prelazi u gornju svjetleću prizmu (3), zatim u donju mjernu prizmu (4) koja je izrađena od stakla. sa visokim indeksom prelamanja. Između prizme (3) i (4) kapilarom se nanosi 1-2 kapi uzorka. Kako ne bi došlo do mehaničkog oštećenja prizme, potrebno je ne dodirivati ​​njenu površinu kapilarom.

Okular (9) vidi polje sa ukrštenim linijama za postavljanje interfejsa. Pomeranjem okulara, tačka preseka polja mora biti poravnata sa interfejsom (slika 4).Ravan prizme (4) igra ulogu interfejsa na čijoj se površini prelama svetlosni snop. Budući da su zraci raspršeni, granica svjetlosti i sjene ispada mutna, preljevna. Ovu pojavu eliminira kompenzator disperzije (5). Zatim se snop propušta kroz sočivo (6) i prizmu (7). Na pločici (8) nalaze se nišanski potezi (dve ravne linije ukrštene ukrštene), kao i skala sa indeksima prelamanja, koja se posmatra u okularu (9). Koristi se za izračunavanje indeksa prelamanja.

Linija razdvajanja granica polja će odgovarati uglu unutrašnje totalne refleksije, koji zavisi od indeksa prelamanja uzorka.

Refraktometrija se koristi za određivanje čistoće i autentičnosti supstance. Ova metoda se takođe koristi za određivanje koncentracije supstanci u rastvorima tokom kontrole kvaliteta, koja se izračunava na osnovu kalibracionog grafikona (grafikon koji pokazuje zavisnost indeksa prelamanja uzorka od njegove koncentracije).

U KorolevPharmu se indeks prelamanja utvrđuje u skladu sa odobrenom regulatornom dokumentacijom prilikom ulazne kontrole sirovina, u ekstraktima sopstvene proizvodnje, kao iu proizvodnji gotovih proizvoda. Određivanje vrše kvalifikovani radnici akreditovane fizičko-hemijske laboratorije koristeći IRF-454 B2M refraktometar.

Ako na osnovu rezultata ulazne kontrole sirovina indeks loma ne ispunjava potrebne zahtjeve, odjel za kontrolu kvalitete sastavlja akt o neusklađenosti, na osnovu kojeg se ova serija sirovina vraća u dobavljača.

Metoda određivanja

1. Prije početka mjerenja, provjerava se čistoća površina prizmi koje su u dodiru jedna s drugom.

2. Provjera nulte točke. Na površinu mjerne prizme nanosimo 2÷3 kapi destilovane vode, pažljivo je zatvorimo svjetlećom prizmom. Otvorite prozor za osvjetljenje i pomoću ogledala postavite izvor svjetlosti u najintenzivniji smjer. Okretanjem vijaka okulara dobijamo jasnu, oštru razliku između tamnih i svijetlih polja u njegovom vidnom polju. Rotiramo vijak i usmjeravamo liniju sjene i svjetla tako da se poklopi s tačkom u kojoj se linije seku u gornjem prozoru okulara. Na okomitoj liniji u donjem prozoru okulara vidimo željeni rezultat - indeks loma vode destilirane na 20°C (1,333). Ako su očitanja različita, vijkom namjestite indeks loma na 1,333, a uz pomoć ključa (uklonite vijak za podešavanje) dovedemo granicu sjene i svjetla do točke sjecišta linija.

3. Odredite indeks loma. Podignite komoru rasvjete prizme i uklonite vodu filter papirom ili gazom. Zatim nanesite 1-2 kapi ispitne otopine na površinu mjerne prizme i zatvorite komoru. Rotiramo vijke dok se granice sjene i svjetlosti ne poklope s točkom presjeka linija. Na okomitoj liniji u donjem prozoru okulara vidimo željeni rezultat - indeks prelamanja ispitnog uzorka. Indeks prelamanja izračunavamo na skali u donjem prozoru okulara.

4. Koristeći kalibracijski graf utvrđujemo odnos između koncentracije otopine i indeksa prelamanja. Za izgradnju grafa potrebno je pripremiti standardne otopine nekoliko koncentracija koristeći preparate kemijski čistih tvari, izmjeriti njihove indekse loma i ucrtati dobivene vrijednosti na os ordinate, a na osu apscise ucrtati odgovarajuće koncentracije otopina. Potrebno je odabrati intervale koncentracije u kojima se uočava linearna veza između koncentracije i indeksa prelamanja. Mjerimo indeks loma uzorka za ispitivanje i koristimo grafikon za određivanje njegove koncentracije.

Ovaj članak otkriva suštinu takvog koncepta optike kao indeks loma. Date su formule za dobijanje ove vrednosti, dat je kratak pregled primene fenomena prelamanja elektromagnetnog talasa.

Sposobnost gledanja i indeks prelamanja

U zoru civilizacije ljudi su postavljali pitanje: kako oko vidi? Pretpostavlja se da osoba emituje zrake koje osjećaju okolne objekte, ili, obrnuto, sve stvari emituju takve zrake. Odgovor na ovo pitanje dat je u sedamnaestom veku. On se nalazi u optici i povezan je sa indeksom prelamanja. Odbijajući se od raznih neprozirnih površina i prelamajući se na granici sa prozirnim, svjetlost daje čovjeku mogućnost da vidi.

Svjetlost i indeks prelamanja

Naša planeta je obavijena svjetlošću Sunca. A upravo je s talasnom prirodom fotona povezan takav koncept kao što je apsolutni indeks loma. Kada se širi u vakuumu, foton ne nailazi na prepreke. Na planeti, svjetlost susreće mnogo različitih gušćih medija: atmosferu (mješavina plinova), vodu, kristale. Kao elektromagnetski talas, fotoni svetlosti imaju jednu faznu brzinu u vakuumu (označeno c), au okruženju - još jedan (označen v). Omjer prvog i drugog je ono što se naziva apsolutni indeks loma. Formula izgleda ovako: n = c / v.

Fazna brzina

Vrijedi dati definiciju fazne brzine elektromagnetnog medija. Inače shvatite šta je indeks loma n, zabranjeno je. Foton svjetlosti je talas. Dakle, može se predstaviti kao paket energije koji oscilira (zamislite segment sinusoide). Faza - ovo je segment sinusoida koji val prolazi u datom trenutku (podsjetimo da je to važno za razumijevanje takve veličine kao što je indeks loma).

Na primjer, faza može biti maksimalno sinusoida ili neki segment njenog nagiba. Fazna brzina talasa je brzina kojom se ta određena faza kreće. Kao što definicija indeksa loma objašnjava, za vakuum i za medij, ove vrijednosti se razlikuju. Štaviše, svako okruženje ima svoju vrijednost ove količine. Svako prozirno jedinjenje, bez obzira na njegov sastav, ima indeks loma koji se razlikuje od svih drugih supstanci.

Apsolutni i relativni indeks loma

Već je gore pokazano da se apsolutna vrijednost mjeri u odnosu na vakuum. Međutim, to je teško na našoj planeti: svjetlost češće pogađa granicu zraka i vode ili kvarca i spinela. Za svaki od ovih medija, kao što je gore spomenuto, indeks loma je različit. U zraku, foton svjetlosti putuje u jednom smjeru i ima jednu faznu brzinu (v 1), ali kada uđe u vodu, mijenja smjer širenja i faznu brzinu (v 2). Međutim, oba ova pravca leže u istoj ravni. Ovo je veoma važno za razumevanje kako se slika okolnog sveta formira na mrežnjači oka ili na matrici kamere. Odnos dvije apsolutne vrijednosti daje relativni indeks loma. Formula izgleda ovako: n 12 \u003d v 1 / v 2.

Ali šta ako svetlost, naprotiv, izađe iz vode i uđe u vazduh? Tada će se ova vrijednost odrediti formulom n 21 = v 2 / v 1. Prilikom množenja relativnih indeksa loma, dobivamo n 21 * n 12 = (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) = 1. Ovaj omjer vrijedi za bilo koji par medija. Relativni indeks loma može se naći iz sinusa upadnih i refrakcionih uglova n 12 = sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2. Ne zaboravite da se uglovi računaju od normale do površine. Normala je prava koja je okomita na površinu. To jest, ako se problemu zada ugao α pada u odnosu na samu površinu, onda se mora uzeti u obzir sinus od (90 - α).

Ljepota indeksa loma i njegove primjene

Za mirnog sunčanog dana, odsjaj igra na dnu jezera. Tamnoplavi led prekriva stijenu. Na ženskoj ruci dijamant raspršuje hiljade varnica. Ove pojave su posljedica činjenice da sve granice prozirnih medija imaju relativni indeks prelamanja. Osim estetskog užitka, ovaj fenomen se može koristiti i za praktičnu primjenu.

Evo nekoliko primjera:

• Stakleno sočivo prikuplja snop sunčeve svjetlosti i zapaljuje travu.
• Laserski zrak se fokusira na oboljeli organ i odsijeca nepotrebno tkivo.
• Sunčeva svjetlost se lomi na drevnom vitražu, stvarajući posebnu atmosferu.
• Mikroskop uvećava veoma male detalje
• Spektrofotometarska sočiva prikupljaju lasersko svjetlo reflektirano od površine ispitivane supstance. Tako je moguće razumjeti strukturu, a potom i svojstva novih materijala.
• Postoji čak i projekat fotonskog kompjutera, gde će se informacije prenositi ne elektronima, kao što je sada, već fotonima. Za takav uređaj će definitivno biti potrebni lomni elementi.

Talasna dužina

Međutim, Sunce nas opskrbljuje fotonima ne samo u vidljivom spektru. Infracrveni, ultraljubičasti, rendgenski opseg ne percipira ljudski vid, ali oni utiču na naše živote. IR zraci nas griju, UV fotoni ioniziraju gornju atmosferu i omogućavaju biljkama da proizvode kisik fotosintezom.

A koliki je indeks loma, ovisi ne samo o tvarima između kojih se nalazi granica, već i o valnoj dužini upadnog zračenja. Obično je jasno iz konteksta na koju se vrijednost misli. Odnosno, ako knjiga razmatra X-zrake i njihov uticaj na osobu, onda n tamo je definiran za ovaj raspon. Ali obično se misli na vidljivi spektar elektromagnetnih talasa, osim ako nije drugačije naznačeno.

Indeks loma i refleksija

Kao što je iz navedenog postalo jasno, riječ je o transparentnim okruženjima. Kao primjere naveli smo zrak, vodu, dijamant. Ali šta je sa drvetom, granitom, plastikom? Postoji li za njih indeks loma? Odgovor je složen, ali općenito da.

Pre svega, treba da razmislimo o kakvom svetlu imamo posla. Oni mediji koji su neprozirni za vidljive fotone probijaju se rendgenskim ili gama zračenjem. Odnosno, da smo svi superljudi, onda bi nam cijeli svijet oko nas bio transparentan, ali u različitom stepenu. Na primjer, zidovi od betona ne bi bili gušći od želea, a metalni okovi izgledali bi kao komadići gušćeg voća.

Za ostale elementarne čestice, mione, naša planeta je generalno prozirna kroz i kroz. Svojevremeno su naučnici donosili mnogo muke da dokažu samu činjenicu njihovog postojanja. Mioni nas probijaju u milionima svake sekunde, ali je vjerovatnoća da će se jedna čestica sudariti sa materijom vrlo mala i vrlo je teško to popraviti. Inače, Bajkal će uskoro postati mesto za "hvatanje" miona. Njegova duboka i bistra voda je idealna za to - posebno zimi. Glavna stvar je da se senzori ne smrzavaju. Dakle, indeks prelamanja betona, na primjer, za rendgenske fotone ima smisla. Štaviše, rendgensko zračenje supstance je jedna od najpreciznijih i najvažnijih metoda za proučavanje strukture kristala.

Također je vrijedno zapamtiti da, u matematičkom smislu, tvari koje su neprozirne za dati raspon imaju imaginarni indeks loma. Konačno, treba shvatiti da temperatura tvari također može utjecati na njenu transparentnost.

Ulaznica 75.

Zakon refleksije svjetlosti: upadni i reflektovani snop, kao i okomita na granicu između dva medija, obnovljena u tački upada snopa, leže u istoj ravni (upadnoj ravni). Ugao refleksije γ jednak je upadnom uglu α.

Zakon prelamanja svetlosti: upadni i prelomljeni snopovi, kao i okomita na granicu između dva medija, obnovljena u tački upada zraka, leže u istoj ravni. Omjer sinusa upadnog ugla α i sinusa ugla prelamanja β je konstantna vrijednost za dva data medija:

Zakoni refleksije i prelamanja objašnjeni su u fizici valova. Prema konceptima talasa, refrakcija je posledica promene brzine prostiranja talasa tokom prelaska iz jednog medija u drugi. Fizičko značenje indeksa prelamanja je omjer brzine prostiranja talasa u prvom mediju υ 1 i brzine njihovog širenja u drugom mediju υ 2:

Slika 3.1.1 ilustruje zakone refleksije i prelamanja svjetlosti.

Medij sa nižim apsolutnim indeksom prelamanja naziva se optički manje gusto.

Kada svjetlost prelazi iz optički gušće sredine u optički manje gusto n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать fenomen totalne refleksije, odnosno nestanak prelomljenog zraka. Ova pojava se opaža pri upadnim uglovima koji prelaze određeni kritični ugao α pr, koji se naziva granični ugao ukupne unutrašnje refleksije(vidi sliku 3.1.2).

Za upadni ugao α = α pr sin β = 1; vrijednost sin α pr \u003d n 2 / n 1< 1.

Ako je drugi medij vazduh (n 2 ≈ 1), onda je zgodno prepisati formulu kao

Fenomen potpune unutrašnje refleksije nalazi primenu u mnogim optičkim uređajima. Najzanimljivija i praktično važna primjena je stvaranje svjetlovoda od vlakana, koji su tanki (od nekoliko mikrometara do milimetara) proizvoljno savijeni filamenti od optički prozirnog materijala (staklo, kvarc). Svjetlost koja pada na kraj vlakna može se širiti duž njega na velike udaljenosti zbog ukupne unutrašnje refleksije od bočnih površina (slika 3.1.3). Naučni i tehnički pravac koji se bavi razvojem i primjenom optičkih svjetlovoda naziva se optička vlakna.

Dispe "rsiya light" to (raspad svjetlosti)- ovo je fenomen zbog ovisnosti apsolutnog indeksa loma tvari o frekvenciji (ili talasnoj dužini) svjetlosti (frekventna disperzija), ili, isto, ovisnosti fazne brzine svjetlosti u tvari od talasnu dužinu (ili frekvenciju). Eksperimentalno otkrio Newton oko 1672. godine, iako je teoretski dobro objašnjen mnogo kasnije.

Prostorna disperzija je zavisnost tenzora permitivnosti medija od talasnog vektora. Ova zavisnost uzrokuje niz pojava koje se nazivaju efekti prostorne polarizacije.

Jedan od najjasnijih primjera disperzije - razlaganje bele svetlosti prilikom prolaska kroz prizmu (Njutnov eksperiment). Suština fenomena disperzije je razlika u brzinama širenja svjetlosnih zraka različitih valnih dužina u prozirnoj tvari - optičkom mediju (dok je u vakuumu brzina svjetlosti uvijek ista, bez obzira na valnu dužinu, a time i boju) . Obično, što je veća frekvencija svjetlosnog vala, veći je indeks loma medija za njega i manja je brzina valova u mediju:

Newtonovi eksperimenti Eksperimentirajte s razlaganjem bijele svjetlosti u spektar: Newton je usmjerio snop sunčeve svjetlosti kroz malu rupu na staklenu prizmu. Došavši na prizmu, snop se prelomio i dao na suprotnom zidu izduženu sliku s prelivom izmjenom boja - spektrom. Eksperimentirajte s prolaskom monokromatske svjetlosti kroz prizmu: Njutn je na putanju sunčevog zraka postavio crveno staklo iza kojeg je primao monohromatsku svetlost (crvenu), zatim prizmu i na ekranu posmatrao samo crvenu tačku od zraka svetlosti. Iskustvo u sintezi (dobijanju) bijele svjetlosti: Prvo je Njutn usmerio sunčevu zraku u prizmu. Zatim, prikupivši obojene zrake koje izlaze iz prizme uz pomoć konvergentnog sočiva, Newton je umjesto obojene trake dobio bijelu sliku rupe na bijelom zidu. Newtonovi zaključci:- prizma ne menja svetlost, već je samo razlaže na komponente - svetlosni zraci koji se razlikuju po boji razlikuju se po stepenu prelamanja; ljubičaste zrake se najjače lome, crvena svjetlost se slabije lomi - crvena svjetlost koja se manje lomi ima najveću brzinu, a ljubičasta najmanju, pa prizma razlaže svjetlost. Ovisnost indeksa prelamanja svjetlosti o njegovoj boji naziva se disperzija.

Zaključci:- prizma razlaže svjetlost - bijela svjetlost je složena (kompozitna) - ljubičasti zraci se lome više od crvenih. Boja svetlosnog snopa određena je njegovom frekvencijom oscilovanja. Prilikom prelaska iz jednog medija u drugi, brzina svjetlosti i valna dužina se mijenjaju, ali frekvencija koja određuje boju ostaje konstantna. Granice opsega bele svetlosti i njenih komponenti obično se karakterišu njihovim talasnim dužinama u vakuumu. Bijela svjetlost je skup talasnih dužina od 380 do 760 nm.

Ulaznica 77.

Apsorpcija svjetlosti. Bouguerov zakon

Apsorpcija svjetlosti u supstanciji povezana je s pretvaranjem energije elektromagnetnog polja vala u toplinsku energiju tvari (ili u energiju sekundarnog fotoluminiscentnog zračenja). Zakon apsorpcije svjetlosti (Bouguerov zakon) ima oblik:

I=I 0 exp(- x),(1)

gdje I 0 , I- intenzitet ulaznog svjetla (x=0) i izlaz iz sloja srednje debljine X, - koeficijent apsorpcije, zavisi od .

Za dielektrike  =10 -1  10 -5 m -1 , za metale =10 5  10 7 m -1 , stoga su metali neprozirni za svjetlost.

Zavisnost  ( ) objašnjava obojenost upijajućih tijela. Na primjer, staklo koje upija malo crvene svjetlosti će izgledati crveno kada se osvijetli bijelim svjetlom.

Rasipanje svetlosti. Rayleighov zakon

Difrakcija svjetlosti može se pojaviti u optički nehomogenom mediju, na primjer, u zamućenoj sredini (dim, magla, prašnjavi zrak, itd.). Difrakcijom na nehomogenostima medija, svjetlosni valovi stvaraju difrakcijski obrazac karakteriziran prilično ujednačenom distribucijom intenziteta u svim smjerovima.

Takva difrakcija na malim nehomogenostima naziva se rasipanje svetlosti.

Ovaj fenomen se opaža ako uski snop sunčeve svjetlosti prođe kroz prašnjavi zrak, rasprši se na čestice prašine i postane vidljiv.

Ako su dimenzije nehomogenosti male u poređenju sa talasnom dužinom (ne više od 0,1  ), tada je intenzitet raspršene svjetlosti obrnuto proporcionalan četvrtom stepenu talasne dužine, tj.

I rass ~ 1/  4 , (2)

ovaj odnos se naziva Rayleighov zakon.

Rasipanje svjetlosti se također opaža u čistim medijima koji ne sadrže strane čestice. Na primjer, može se pojaviti na fluktuacijama (slučajnim odstupanjima) gustoće, anizotropije ili koncentracije. Takvo raspršenje se naziva molekularno. To objašnjava, na primjer, plavu boju neba. Zaista, prema (2), plavi i plavi zraci se jače raspršuju od crvenih i žutih, jer imaju kraću talasnu dužinu, što uzrokuje plavu boju neba.

Ulaznica 78.

Polarizacija svetlosti- skup fenomena talasne optike, u kojima se manifestuje poprečna priroda elektromagnetnih svetlosnih talasa. poprečni talas- čestice medija osciliraju u pravcima okomitim na pravac prostiranja talasa ( sl.1).

Fig.1 poprečni talas

elektromagnetni svetlosni talas ravan polarizovan(linearna polarizacija), ako su pravci oscilovanja vektora E i B striktno fiksirani i leže u određenim ravninama ( sl.1). Ravan polarizovan svetlosni talas naziva se ravan polarizovan(linearno polarizovano) svetlo. nepolarizovani(prirodni) talas - elektromagnetski svetlosni talas u kome pravci oscilovanja vektora E i B u ovom talasu mogu ležati u bilo kojoj ravni okomitoj na vektor brzine v. nepolarizovano svetlo- svjetlosni valovi, kod kojih se smjerovi oscilacija vektora E i B nasumično mijenjaju tako da su svi smjerovi oscilacija u ravninama okomitim na snop širenja talasa jednako vjerojatni ( sl.2).

Fig.2 nepolarizovano svetlo

polarizovani talasi- u kojem smjerovi vektora E i B ostaju nepromijenjeni u prostoru ili se mijenjaju po određenom zakonu. Zračenje, u kojem se smjer vektora E nasumično mijenja - nepolarizovan. Primjer takvog zračenja može biti toplinsko zračenje (nasumično raspoređeni atomi i elektroni). Ravan polarizacije- ovo je ravan okomita na pravac oscilovanja vektora E. Glavni mehanizam za nastanak polarizovanog zračenja je rasipanje zračenja elektronima, atomima, molekulima i česticama prašine.

1.2. Vrste polarizacije Postoje tri vrste polarizacije. Hajde da ih definišemo. 1. Linearni Javlja se ako električni vektor E zadrži svoju poziciju u prostoru. To nekako naglašava ravan u kojoj oscilira vektor E. 2. Circular To je polarizacija koja nastaje kada se električni vektor E rotira oko smjera širenja vala ugaonom brzinom jednakom ugaonoj frekvenciji vala, zadržavajući pritom svoju apsolutnu vrijednost. Ova polarizacija karakterizira smjer rotacije vektora E u ravni okomitoj na liniju vida. Primjer je ciklotronsko zračenje (sistem elektrona koji rotiraju u magnetskom polju). 3. Eliptični Javlja se kada se veličina električnog vektora E promijeni tako da opisuje elipsu (rotacija vektora E). Eliptična i kružna polarizacija je desna (rotacija vektora E se dešava u smeru kazaljke na satu, ako gledate prema talasu koji se širi) i leva (rotacija vektora E se dešava suprotno od kazaljke na satu, ako gledate prema talasu koji se širi).

U stvari, najčešći parcijalna polarizacija (djelimično polarizirani elektromagnetski valovi). Kvantitativno, karakteriše ga određena količina tzv stepen polarizacije R, koji je definisan kao: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) gdje Imax,ja sam za- najveća i najmanja gustina protoka elektromagnetne energije kroz analizator (Polaroid, Nicol prizma…). U praksi se polarizacija zračenja često opisuje Stokesovim parametrima (određeni su tokovi zračenja sa datim smjerom polarizacije).

Ulaznica 79.

Ako prirodna svjetlost padne na granicu između dva dielektrika (na primjer, zraka i stakla), tada se dio reflektira, a dio se lomi i širi u drugom mediju. Postavljanjem analizatora (na primjer, turmalina) na putanju reflektiranih i prelomljenih zraka, osiguravamo da su reflektirani i prelomljeni snopovi djelomično polarizirani: kada se analizator rotira oko snopa, intenzitet svjetlosti se povremeno povećava i smanjuje ( nije uočeno potpuno izumiranje!). Dalja istraživanja su pokazala da u reflektovanom snopu preovlađuju oscilacije okomite na ravan upada (na slici 275 označene su tačkama), u prelomljenom snopu - oscilacije paralelne upadnoj ravni (prikazano strelicama).

Stepen polarizacije (stepen razdvajanja svetlosnih talasa sa određenom orijentacijom električnog (i magnetnog) vektora) zavisi od upadnog ugla zraka i indeksa prelamanja. škotski fizičar D. Brewster(1781-1868) osnovan zakon, prema kojem na upadnom uglu i B (Brewsterov ugao), definisan relacijom

(n 21 - indeks loma drugog medija u odnosu na prvi), reflektovani snop je ravno polarizovan(sadrži samo oscilacije okomite na ravan upada) (Sl. 276). Prelomljeni zrak pod upadnim uglomi B polarizovan do maksimuma, ali ne u potpunosti.

Ako svjetlost pada na sučelje pod Brewsterovim uglom, onda reflektirane i prelomljene zrake međusobno okomite(tg i B=grijeh i B/cos i b, n 21 = grijeh i B / grijeh i 2 (i 2 - ugao prelamanja), odakle cos i B=grijeh i 2). shodno tome, i B + i 2 =  /2, ali i’ B= i B (zakon refleksije), dakle i’ B+ i 2 =  /2.

Stepen polarizacije reflektirane i prelomljene svjetlosti pod različitim upadnim uglovima može se izračunati iz Maksvelovih jednačina, ako se uzmu u obzir granični uslovi za elektromagnetno polje na granici između dva izotropna dielektrika (tzv. Fresnel formule).

Stepen polarizacije prelomljene svjetlosti može se značajno povećati (ponovljenim prelamanjem, pod uslovom da svjetlost svaki put pada na sučelje pod Brewsterovim uglom). Ako je npr. za staklo ( n= 1.53), stepen polarizacije prelomljenog snopa je 15%, tada će nakon prelamanja 8-10 staklenih ploča koje su postavljene jedna na drugu, svjetlost koja izlazi iz takvog sistema biti gotovo potpuno polarizirana. Ovaj set ploča se zove stopalo. Stopalo se može koristiti za analizu polarizirane svjetlosti kako u njenoj refleksiji tako iu njenom prelamanju.

Ulaznica 79 (za špicu)

Kao što iskustvo pokazuje, tokom prelamanja i refleksije svjetlosti, lomljena i reflektirana svjetlost se ispostavlja da je polarizirana, a refleksija. svjetlost može biti potpuno polarizirana pod određenim kutom upada, ali svjetlost je uvijek djelomično polarizirana.Na osnovu Frinelovih formula može se pokazati da reflekt. svjetlost je polarizirana u ravni okomitoj na ravan upada i prelamanja. svetlost je polarizovana u ravni paralelnoj sa ravni upadanja.

Upadni ugao pod kojim je refleksija svjetlost je potpuno polarizirana naziva se Brewsterov ugao.Brusterov ugao se određuje iz Brewsterovog zakona: -Brusterov zakon.U ovom slučaju, ugao između refleksije. i break. zraci će biti jednaki. Za sistem vazduh-staklo, Brewsterov ugao je jednak. Da bi se dobila dobra polarizacija, tj. , kada se svjetlost lomi, koristi se puno izlomljenih površina koje se nazivaju Stoletovljevo stopalo.

Ulaznica 80.

Iskustvo pokazuje da pri interakciji svjetlosti sa materijom glavno djelovanje (fiziološko, fotohemijsko, fotoelektrično, itd.) izazivaju oscilacije vektora, koji se s tim u vezi ponekad naziva i svjetlosni vektor. Stoga, da bi se opisali obrasci polarizacije svjetlosti, prati se ponašanje vektora.

Ravan koju čine vektori i naziva se ravan polarizacije.

Ako se vektorske oscilacije javljaju u jednoj fiksnoj ravni, onda se takva svjetlost (snop) naziva linearno polarizirana. Ona je proizvoljno označena kako slijedi. Ako je snop polariziran u okomitoj ravni (u ravni xz, vidi sl. 2 u drugom predavanju), tada se označava.

Prirodno svjetlo (iz običnih izvora, Sunca) sastoji se od valova koji imaju različite, nasumično raspoređene ravni polarizacije (vidi sliku 3).

Prirodno svjetlo se ponekad konvencionalno naziva ovim. Naziva se i nepolarizovanim.

Ako se tokom prostiranja vala vektor rotira i istovremeno kraj vektora opisuje krug, tada se takva svjetlost naziva kružno polarizirana, a polarizacija je kružna ili kružna (desna ili lijeva). Postoji i eliptična polarizacija.

Postoje optički uređaji (filmovi, ploče, itd.) - polarizatori, koji emituju linearno polarizovano ili delimično polarizovano svetlo prirodnog svetla.

Polarizatori koji se koriste za analizu polarizacije svjetlosti nazivaju se analizatori.

Ravan polarizatora (ili analizatora) je ravan polarizacije svjetlosti koju prenosi polarizator (ili analizator).

Neka polarizator (ili analizator) pada na linearno polarizovanu svetlost amplitude E 0 . Amplituda propuštene svjetlosti će biti E=E 0 cos j, i intenzitet I=I 0 cos 2 j.

Ova formula izražava Malusov zakon:

Intenzitet linearno polarizovane svetlosti koja prolazi kroz analizator proporcionalan je kvadratu kosinusa ugla j između ravni oscilacija upadne svjetlosti i ravni analizatora.

Ulaznica 80 (za ostruge)

Polarizatori su uređaji koji omogućavaju dobijanje polarizovane svetlosti.Analizatori su uređaji pomoću kojih možete analizirati da li je svetlost polarizovana ili ne.Strukturno su polarizator i analizator isti.onda su svi pravci vektora E jednaki verovatni.Svaki vektor se može razložiti na dvije međusobno okomite komponente: jedna je paralelna s ravninom polarizacije polarizatora, a druga okomita na nju.

Očigledno je da će intenzitet svjetlosti koja napušta polarizator biti jednak. Označimo intenzitet svjetlosti koja izlazi iz polarizatora sa (). Ako se na putanju polarizatora postavi analizator čija glavna ravan čini ugao sa glavnoj ravni polarizatora, tada je intenzitet svjetlosti koja izlazi iz analizatora određen zakonom.

Ulaznica 81.

Proučavajući luminiscenciju otopine soli uranijuma pod djelovanjem -zraka radijuma, sovjetski fizičar P. A. Čerenkov skrenuo je pažnju na činjenicu da sama voda svijetli, u kojoj nema soli urana. Ispostavilo se da kada zraci (vidi Gama zračenje) prolaze kroz čiste tečnosti, svi oni počinju da sijaju. S. I. Vavilov, pod čijim je vodstvom radio P. A. Čerenkov, pretpostavio je da je sjaj povezan s kretanjem elektrona koje su kvanti radijuma izbacili iz atoma. Zaista, sjaj je snažno ovisio o smjeru magnetskog polja u tekućini (ovo sugerira da je njegov uzrok kretanje elektrona).

Ali zašto elektroni koji se kreću u tečnosti emituju svetlost? Tačan odgovor na ovo pitanje dali su 1937. sovjetski fizičari I. E. Tamm i I. M. Frank.

Elektron, koji se kreće u supstanciji, stupa u interakciju s okolnim atomima. Pod djelovanjem njegovog električnog polja, atomski elektroni i jezgra se pomiču u suprotnim smjerovima - medij je polariziran. Polarizirajući se i potom vraćajući se u početno stanje, atomi medija, smješteni duž putanje elektrona, emituju elektromagnetne svjetlosne valove. Ako je brzina elektrona v manja od brzine prostiranja svjetlosti u mediju (- indeks prelamanja), tada će elektromagnetno polje prestići elektron i supstanca će imati vremena da se polarizira u prostoru ispred elektrona. Polarizacija medija ispred elektrona i iza njega je suprotna po smjeru, a zračenja suprotno polariziranih atoma, "zbrajajući se", "gase" jedno drugo. Kada atomi, do kojih elektron još nije stigao, nemaju vremena da se polariziraju, a pojavljuje se zračenje usmjereno duž uskog konusnog sloja s vrhom koji se poklapa s pokretnim elektronom i kutom na vrhu c. Izgled svjetlosnog "konusa" i stanje zračenja mogu se dobiti iz općih principa širenja valova.

Rice. 1. Mehanizam formiranja valnog fronta

Neka se elektron kreće duž ose OE (vidi sliku 1) veoma uskog praznog kanala u homogenoj prozirnoj supstanci sa indeksom prelamanja (potreban je prazan kanal da se ne bi uzeli u obzir sudari elektrona sa atomima u teorijsko razmatranje). Svaka tačka na OE liniji koju sukcesivno zauzima elektron biće centar emisije svetlosti. Talasi koji izlaze iz uzastopnih tačaka O, D, E interferiraju jedan s drugim i pojačavaju se ako je fazna razlika između njih nula (vidi Interferencija). Ovaj uslov je zadovoljen za pravac koji čini ugao od 0 sa putanjom elektrona. Ugao 0 je određen omjerom:.

Zaista, razmotrite dva talasa emitovana u pravcu pod uglom od 0 do brzine elektrona iz dve tačke putanje - tačke O i tačke D, koje su razdvojene rastojanjem. U tački B, koja leži na pravoj liniji BE, okomito na OB, prvi talas u - u vremenu U tačku F, koja leži na pravoj liniji BE, talas emitovan iz tačke će stići u trenutku nakon emitovanja talas iz tačke O. Ova dva talasa će biti u fazi, tj. prava linija će biti front talasa ako su ova vremena jednaka:. To kao uslov jednakosti vremena daje. U svim smjerovima, za koje će se svjetlost ugasiti zbog interferencije valova emitiranih iz dionica putanje razdvojenih rastojanjem D. Vrijednost D određena je očiglednom jednačinom, gdje je T period oscilacija svjetlosti. Ova jednačina uvijek ima rješenje ako.

Ako je , tada smjer u kojem se zračeni valovi, interferirajući, pojačavaju, ne postoji, ne može biti veći od 1.

Rice. 2. Distribucija zvučnih talasa i formiranje udarnog talasa tokom kretanja tela

Zračenje se opaža samo ako .

Eksperimentalno, elektroni lete u konačnom čvrstom kutu, s određenim širenjem brzina, i kao rezultat, zračenje se širi u konusnom sloju blizu glavnog smjera određenog kutom .

U našem razmatranju zanemarili smo usporavanje elektrona. Ovo je sasvim prihvatljivo, jer su gubici zbog Vavilov-Čerenkovljevog zračenja mali i, u prvoj aproksimaciji, možemo pretpostaviti da energija koju izgubi elektron ne utiče na njegovu brzinu i da se kreće jednoliko. To je temeljna razlika i neobičnost Vavilov-Čerenkovljevog zračenja. Obično naboji zrače, doživljavajući značajno ubrzanje.

Elektron koji bježi od vlastite svjetlosti je poput aviona koji leti brzinom većom od brzine zvuka. U ovom slučaju, konusni udarni talas se takođe širi ispred aviona (vidi sliku 2).

Lekcija 25/III-1 Širenje svjetlosti u različitim medijima. Refrakcija svjetlosti na granici između dva medija.

Učenje novog gradiva.

Do sada smo razmatrali širenje svjetlosti u jednom mediju, kao i obično - u zraku. Svjetlost se može širiti u različitim medijima: prelaziti iz jednog medija u drugi; u tačkama upada, zraci se ne samo odbijaju od površine, već i delimično prolaze kroz nju. Takvi prijelazi uzrokuju mnoge lijepe i zanimljive pojave.

Promjena smjera širenja svjetlosti koja prolazi kroz granicu dva medija naziva se lom svjetlosti.

Deo svetlosnog snopa koji pada na interfejs između dva prozirna medija se reflektuje, a deo odlazi u drugi medij. U tom slučaju se mijenja smjer svjetlosnog snopa, koji je prošao u drugi medij. Stoga se fenomen naziva refrakcija, a snop se naziva prelomljenim.

1 - upadni snop

2 - reflektovani snop

3 – prelomljeni snop α β

OO 1 - granica između dva medija

MN - okomito O O 1

Ugao koji formira snop i okomita na granicu između dva medija, spušten do tačke upada zraka, naziva se ugao prelamanja γ (gama).

Svjetlost u vakuumu putuje brzinom od 300.000 km/s. U svakom mediju, brzina svjetlosti je uvijek manja nego u vakuumu. Stoga, kada svjetlost prelazi iz jednog medija u drugi, njegova brzina se smanjuje i to je razlog prelamanja svjetlosti. Što je manja brzina širenja svjetlosti u datom mediju, to je veća optička gustoća ovog medija. Na primjer, zrak ima veću optičku gustoću od vakuuma, jer je brzina svjetlosti u zraku nešto manja nego u vakuumu. Optička gustina vode je veća od optičke gustine vazduha, jer je brzina svetlosti u vazduhu veća nego u vodi.

Što se više razlikuju optičke gustoće dva medija, to se više svjetlosti lomi na njihovom međusklopu. Što se brzina svjetlosti više mijenja na granici između dva medija, to se ona više prelama.

Za svaku prozirnu supstancu postoji tako važna fizička karakteristika kao što je indeks loma svjetlosti n. Pokazuje koliko je puta brzina svjetlosti u datoj tvari manja nego u vakuumu.

Indeks prelamanja

Odnos između upadnog ugla i ugla prelamanja zavisi od optičke gustoće svakog medija. Ako snop svjetlosti pređe iz medija sa nižom optičkom gustoćom u medij veće optičke gustoće, tada će ugao prelamanja biti manji od upadnog ugla. Ako snop svjetlosti prođe iz medija veće optičke gustoće, tada će ugao prelamanja biti manji od upadnog ugla. Ako snop svjetlosti prelazi iz medija veće optičke gustoće u medij sa nižom optičkom gustoćom, tada je ugao prelamanja veći od upadnog ugla.

Odnosno, ako je n 1 γ; ako je n 1 >n 2 , onda α<γ.

Zakon prelamanja svetlosti :

Upadni snop, prelomljeni snop i okomita na granicu između dva medija u tački upada zraka leže u istoj ravni.

Omjeri upadnog ugla i ugla prelamanja određuju se formulom.

gdje je sinus upadnog ugla, sinus ugla prelamanja.

Vrijednost sinusa i tangenta za uglove 0 - 900

Zakon prelamanja svjetlosti prvi je formulisao holandski astronom i matematičar W. Snelius oko 1626. godine, profesor na Univerzitetu u Leidenu (1613.).

Za 16. vek optika je bila ultramoderna nauka.Iz staklene kugle napunjene vodom, koja je korišćena kao sočivo, nastalo je povećalo. I od njega su izmislili špijun i mikroskop. U to vrijeme, Holandiji su bili potrebni teleskopi da vidi obalu i na vrijeme pobjegne od neprijatelja. Optika je bila ta koja je osiguravala uspjeh i pouzdanost navigacije. Stoga se u Holandiji mnogo naučnika zanimalo za optiku. Holanđanin Skel Van Royen (Snelius) je posmatrao kako se tanak snop svetlosti reflektuje u ogledalu. Izmjerio je upadni ugao i ugao refleksije i ustanovio da je ugao refleksije jednak upadnom kutu. On takođe poseduje zakone refleksije svetlosti. Izveo je zakon prelamanja svjetlosti.

Razmotrimo zakon prelamanja svjetlosti.

U njemu - relativni indeks loma drugog medija u odnosu na prvi, u slučaju kada drugi ima visoku optičku gustoću. Ako se svjetlost lomi i prolazi kroz medij sa nižom optičkom gustoćom, tada je α< γ, тогда

Ako je prvi medij vakuum, tada je n 1 =1 tada .

Ovaj indeks se naziva apsolutni indeks loma drugog medija:

gdje je brzina svjetlosti u vakuumu, brzina svjetlosti u datom mediju.

Posljedica prelamanja svjetlosti u Zemljinoj atmosferi je činjenica da vidimo Sunce i zvijezde malo iznad njihovog stvarnog položaja. Refrakcija svjetlosti može objasniti pojavu fatamorgana, duga... Fenomen prelamanja svjetlosti je osnova principa rada numeričkih optičkih uređaja: mikroskopa, teleskopa, kamere.