Laboratuvar işi
Işık kırılması. Ölçüm kırılma indisi sıvılar
refraktometre kullanma
İşin amacı: ışığın kırılması olgusunun anlaşılmasının derinleştirilmesi; sıvı ortamın kırılma indeksini ölçmeye yönelik yöntemlerin incelenmesi; Refraktometre ile çalışma prensibinin incelenmesi.
Teçhizat: Refraktometre, sodyum klorür solüsyonları, pipet, aletlerin optik kısımlarını silmek için yumuşak bez.
Teori
Işığın yansıma ve kırılma kanunları. Kırılma indisi.
Ortamlar arasındaki arayüzde ışık yayılma yönünü değiştirir. Işık enerjisinin bir kısmı birinci ortama geri döner, yani. ışık yansıtılır. İkinci ortam şeffafsa, belirli koşullar altında ışığın bir kısmı ortamlar arasındaki arayüzden geçerek genellikle yayılma yönünü değiştirir. Bu olaya ışığın kırılması denir (Şekil 1).
Pirinç. 1. Işığın iki ortam arasındaki düz bir arayüzde yansıması ve kırılması.
Işık, iki şeffaf ortam arasındaki düz bir arayüzden geçtiğinde yansıyan ve kırılan ışınların yönü, ışığın yansıma ve kırılma yasaları tarafından belirlenir.
Işığın yansıması kanunu. Yansıyan ışın, gelen ışınla aynı düzlemde bulunur ve normal, geliş noktasında ortamın ayrılma düzlemine geri döner. Gelme açısı yansıma açısına eşittir .
Işığın kırılma kanunu. Kırılan ışın, gelen ışınla aynı düzlemde bulunur ve normal, geliş noktasında ortamın ayrılma düzlemine geri döner. Geliş açısı sinüs oranı α kırılma açısının sinüsüne β bu iki ortam için, ikinci ortamın birinciye göre göreceli kırılma indisi adı verilen sabit bir değer vardır:
Bağıl kırılma indeksi iki ortam, birinci ortam v1'deki ışığın hızının ikinci ortam v2'deki ışık hızına oranına eşittir:
Işık bir boşluktan bir ortama geliyorsa, ortamın boşluğa göre kırılma indisine bu ortamın mutlak kırılma indisi denir ve ışığın boşluktaki hızının oranına eşittir. İle Belirli bir ortamdaki ışığın hızına:
Mutlak kırılma indisleri her zaman birden büyüktür; hava için N biri olarak alınır.
İki ortamın bağıl kırılma indeksi, mutlak indeksleri cinsinden ifade edilebilir. N 1 Ve N 2 :
Bir sıvının kırılma indisinin belirlenmesi
Sıvıların kırılma indeksini hızlı ve rahat bir şekilde belirlemek için, ana kısmı iki prizma olan özel optik aletler - refraktometreler vardır (Şekil 2): yardımcı Vesaire. 1 ve ölçüm Pr.2. Test edilecek sıvı prizmalar arasındaki boşluğa dökülür.
Göstergeleri ölçerken iki yöntem kullanılabilir: sıyırıcı ışın yöntemi (şeffaf sıvılar için) ve toplam iç yansıma yöntemi (koyu, bulanık ve renkli çözeltiler için). Bu çalışmada bunlardan ilki kullanılmıştır.
Otlatmalı ışın yönteminde, harici bir kaynaktan gelen ışık yüzeyden geçer. AB prizmalar 1. Proje, mat yüzeyinde dağılır AC ve daha sonra incelenen sıvının katmanından prizmaya nüfuz eder Pr.2. Mat yüzey her yönden ışın kaynağı haline gelir, böylece kenardan gözlemlenebilir eF prizmalar Pr.2. Ancak kenar AC aracılığıyla görülebilir eF yalnızca belirli bir minimum açıdan daha büyük bir açıda Ben. Bu açının büyüklüğü, refraktometrenin tasarımının arkasındaki ana fikir olan prizmalar arasında bulunan sıvının kırılma indisi ile benzersiz bir şekilde ilişkilidir.
Işığın yüzden geçişini düşünün EF alt ölçüm prizması Pr.2. Olarak Şekil l'de görülebilir. 2, ışığın kırılma yasasını iki kez uygulayarak iki ilişki elde edebiliriz:
Bu denklem sistemini çözerek sıvının kırılma indisinin olduğu sonucuna varmak kolaydır.
dört büyüklüğe bağlıdır: Q, R, R 1 Ve Ben. Ancak hepsi bağımsız değildir. Örneğin,
R+ S= R , (4)
Nerede R - prizmanın kırılma açısı Proje 2. Ayrıca açıyı ayarlayarak Q maksimum değer 90°'dir, denklem (1)'den şunu elde ederiz:
Ancak maksimum açı değeri R , Olarak Şekil l'de görülebilir. 2 ve ilişkiler (3) ve (4), minimum açı değerlerine karşılık gelir Ben Ve R 1 , onlar. Ben dk. Ve R dk. .
Bu nedenle, bir sıvının "otlayan" ışınlar durumunda kırılma indisi yalnızca açıyla ilişkilidir. Ben. Bu durumda minimum açı değeri vardır. Ben, kenar ne zaman AC hala görülebilmektedir, yani görüş alanında ayna beyazı görünmektedir. Daha küçük görüş açıları için kenar görünmez ve görüş alanında bu yer siyah görünür. Cihazın teleskopu nispeten geniş bir açısal bölgeyi yakaladığından, görüş alanında açık ve siyah alanlar aynı anda gözlemlenir; bu alanlar arasındaki sınır, minimum gözlem açısına karşılık gelir ve benzersiz bir şekilde sıvının kırılma indisine bağlıdır. Son hesaplama formülünü kullanarak:
(sonucu çıkarılmıştır) ve bilinen kırılma indislerine sahip bir dizi sıvı, cihazı kalibre edebilir, yani sıvıların kırılma indisleri ile açılar arasında benzersiz bir yazışma kurabilirsiniz. Ben dk. . Verilen tüm formüller belirli bir dalga boyundaki ışınlar için türetilmiştir.
Prizmanın dağılımı dikkate alınarak farklı dalga boylarındaki ışık kırılacaktır. Böylece prizma beyaz ışıkla aydınlatıldığında dispersiyon nedeniyle arayüz bulanıklaşacak ve farklı renklerde renklenecektir. Bu nedenle her refraktometrede dispersiyon sonucunu ortadan kaldıran bir kompansatör bulunur. Bir veya iki doğrudan görüş prizmasından (Amici prizmaları) oluşabilir. Her Amici prizması, farklı kırılma indisleri ve farklı dağılımlara sahip üç cam prizmadan oluşur; örneğin, dış prizmalar taç camdan, ortadaki prizma ise çakmaktaşı camdan yapılmıştır (taç camı ve çakmaktaşı cam cam türleridir). Özel bir cihaz kullanılarak kompansatör prizmasının döndürülmesiyle, konumu sarı sodyum çizgisinin kırılma indeksi değerine karşılık gelen arayüzün keskin, renksiz bir görüntüsü elde edilir. λ =5893 Å (prizmalar, dalga boyu 5893 Å olan ışınlar sapmaya maruz kalmayacak şekilde tasarlanmıştır).
Kompansatörden geçen ışınlar teleskopun merceğine girer, ardından ters prizmadan geçerek teleskopun göz merceğinden geçerek gözlemcinin gözüne ulaşır. Işınların şematik yolu Şekil 2'de gösterilmektedir. 3.
Refraktometre ölçeği, kırılma indeksi değerlerinde ve sudaki sakaroz çözeltisinin konsantrasyonunda kalibre edilir ve göz merceğinin odak düzleminde bulunur.
deneysel kısım
Görev 1. Refraktometrenin kontrol edilmesi.
Işığı bir ayna kullanarak refraktometrenin yardımcı prizmasına yönlendirin. Yardımcı prizma yükseltilmiş haldeyken ölçüm prizmasına birkaç damla damıtılmış su pipetleyin. Yardımcı prizmayı indirerek görüş alanının en iyi şekilde aydınlatılmasını sağlayın ve göz merceğini, artı işareti ve kırılma indeksi ölçeği açıkça görülebilecek şekilde ayarlayın. Ölçüm prizmasının kamerasını döndürerek görüş alanındaki ışık ve gölge sınırını elde edersiniz. Işık ve gölge arasındaki sınırın rengi ortadan kalkana kadar kompansatör başlığını döndürün. Işık ve gölge sınırını artı işareti noktasıyla hizalayın ve suyun kırılma indeksini ölçün N değiştirmek . Refraktometre düzgün çalışıyorsa, damıtılmış su için değer şu şekilde olmalıdır: N 0 = 1.333, okunan değer bu değerden farklıysa düzeltme yapılması gerekir Δn= N değiştirmek - 1.333, refraktometre ile daha fazla çalışırken bu dikkate alınmalıdır. Lütfen Tablo 1'de düzeltmeler yapın.
Tablo 1.
|
N 0 |
N değiştirmek |
Δ N |
|
|
N 2 HAKKINDA |
Görev 2. Bir sıvının kırılma indeksinin belirlenmesi.
Bulunan düzeltmeyi dikkate alarak, bilinen konsantrasyonlardaki çözeltilerin kırılma indislerini belirleyin.
Tablo 2.
|
C, cilt. % |
N değiştirmek |
N ist |
Elde edilen sonuçlara göre sofra tuzu çözeltilerinin kırılma indeksinin konsantrasyona bağımlılığının bir grafiğini çizin. N'nin C'ye bağımlılığı hakkında bir sonuç çıkarın; Bir refraktometre kullanarak ölçümlerin doğruluğu hakkında sonuçlar çıkarmak.
Bilinmeyen konsantrasyonda bir tuz çözeltisi alın İLE X , kırılma indisini belirleyin ve çözeltinin konsantrasyonunu bulmak için grafiği kullanın.
Kaldırmak iş yeri, refraktometre prizmalarını nemli, temiz bir bezle dikkatlice silin.
Kontrol soruları
Işığın yansıması ve kırılması.
Ortamın mutlak ve bağıl kırılma indisleri.
Refraktometrenin çalışma prensibi. Kayan ışın yöntemi.
Bir prizmadaki ışınların şematik yolu. Kompanzatör prizmalarına neden ihtiyaç duyulur?
Işığın yayılması, yansıması ve kırılması
Işığın doğası elektromanyetiktir. Bunun bir kanıtı, elektromanyetik dalgaların ve ışığın boşluktaki hızlarının çakışmasıdır.
Homojen bir ortamda ışık düz bir çizgide yayılır. Bu ifadeye ışığın doğrusal yayılımı yasası denir. Bu yasanın deneysel bir kanıtı, noktasal ışık kaynaklarının oluşturduğu keskin gölgelerdir.
Işığın yayılma yönünü gösteren geometrik çizgiye ışık ışını denir. İzotropik bir ortamda ışık ışınları dalga cephesine dik olarak yönlendirilir.
Ortamda aynı fazda salınan noktaların geometrik konumuna dalga yüzeyi, salınımın belirli bir zamanda ulaştığı noktalar kümesine de dalga cephesi adı verilir. Dalga cephesinin türüne bağlı olarak düzlem ve küresel dalgalar ayırt edilir.
Kullandıkları ışığın yayılma sürecini açıklamak Genel prensip Hollandalı fizikçi H. Huygens tarafından önerilen, uzaydaki bir dalga cephesinin hareketiyle ilgili dalga teorisi. Huygens ilkesine göre ortamdaki ışık uyarımının ulaştığı her nokta, yine ışık hızında yayılan küresel ikincil dalgaların merkezidir. Bu ikincil dalgaların cephelerini çevreleyen yüzey, o anda fiilen yayılan dalganın ön tarafının konumunu verir.
Işık ışınları ile ışık ışınları arasında ayrım yapmak gerekir. Işık demeti, ışık enerjisini belirli bir yönde taşıyan ışık dalgasının bir parçasıdır. Bir ışık ışınını onu tanımlayan bir ışık ışınıyla değiştirirken, ikincisi yeterince dar, ancak aynı zamanda sınırlı bir genişliğe sahip (kesitsel boyutlar dalga boyundan çok daha büyük) bir ışığın ekseniyle çakışacak şekilde alınmalıdır. ışın.
Iraksak, yakınsak ve yarı paralel ışık ışınları vardır. Işık ışınları demeti veya sadece ışık ışınları terimleri sıklıkla kullanılır; bu, gerçek bir ışık ışınını tanımlayan bir dizi ışık ışınını ifade eder.
Işığın boşluktaki hızı c = 3 108 m/s evrensel bir sabittir ve frekansa bağlı değildir. Işık hızı ilk kez Danimarkalı bilim adamı O. Roemer tarafından astronomik yöntemle deneysel olarak belirlendi. Daha doğrusu ışığın hızı A. Michelson tarafından ölçülmüştür.
Maddede ışığın hızı boşluktakinden daha azdır. Işığın boşluktaki hızının belirli bir ortamdaki hızına oranına ortamın mutlak kırılma indisi denir:
burada c ışığın boşluktaki hızıdır, v ise ışığın belirli bir ortamdaki hızıdır. Tüm maddelerin mutlak kırılma indisleri birden büyüktür.
Işık bir ortamda yayıldığında emilir ve saçılır ve ortamlar arasındaki arayüzde yansıtılır ve kırılır.
Işık yansıması yasası: gelen ışın, yansıyan ışın ve ışının geliş noktasında restore edilen iki ortam arasındaki arayüze dik olan aynı düzlemde uzanır; yansıma açısı g, geliş açısı a'ya eşittir (Şekil 1). Bu yasa, her türlü dalganın yansıma yasasıyla örtüşür ve Huygens ilkesinin bir sonucu olarak elde edilebilir.
Işığın kırılma yasası: Gelen ışın, kırılan ışın ve ışının geliş noktasında restore edilen iki ortam arasındaki arayüze dik olan aynı düzlemde bulunur; Belirli bir ışık frekansı için geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı, birinciye göre ikinci ortamın bağıl kırılma indisi adı verilen sabit bir değerdir:
Deneysel olarak oluşturulan ışık kırılma yasası Huygens ilkesine dayanarak açıklanmaktadır. Dalga kavramlarına göre kırılma, bir ortamdan diğerine geçerken dalga yayılma hızındaki değişikliklerin bir sonucudur ve bağıl kırılma indisinin fiziksel anlamı, dalgaların birinci ortamdaki yayılma hızının v1'e oranıdır. ikinci ortamda yayılma hızı
Mutlak kırılma indeksleri n1 ve n2 olan ortamlar için, ikinci ortamın birinciye göre göreceli kırılma indeksi, ikinci ortamın mutlak kırılma indeksinin birinci ortamın mutlak kırılma indeksine oranına eşittir:
Kırılma indisi daha yüksek olan ortama optik olarak daha yoğun denir, içindeki ışığın yayılma hızı daha düşüktür. Işık optik olarak daha yoğun bir ortamdan optik olarak daha az yoğun bir ortama geçerse, belirli bir a0 geliş açısında kırılma açısı p/2'ye eşit olmalıdır. Bu durumda kırılan ışının yoğunluğu sıfıra eşit olur. İki ortam arasındaki arayüze düşen ışık tamamen buradan yansıtılır.
Işığın toplam iç yansımasının meydana geldiği geliş açısı a0, toplam iç yansımanın sınır açısı olarak adlandırılır. a0'a eşit ve daha büyük tüm geliş açılarında, ışığın toplam yansıması meydana gelir.
Sınırlama açısının değeri şu ilişkiden bulunur: Eğer n2 = 1 (vakum) ise, o zaman
2 Bir maddenin kırılma indisi, ışığın (elektromanyetik dalgalar) vakumdaki ve belirli bir ortamdaki faz hızlarının oranına eşit bir değerdir. Ayrıca ses gibi diğer dalgaların kırılma indisinden de bahsederler.
Kırılma indisi, maddenin özelliklerine ve radyasyonun dalga boyuna bağlıdır; bazı maddeler için, elektromanyetik dalgaların frekansı düşük frekanslardan optik ve ötesine değiştiğinde kırılma indisi oldukça güçlü bir şekilde değişir ve ayrıca daha da keskin bir şekilde değişebilir. frekans ölçeğinin belirli alanları. Varsayılan genellikle optik aralığa veya bağlama göre belirlenen aralığa karşılık gelir.
Kırılma indisinin ışığın yönüne ve polarizasyonuna bağlı olduğu optik olarak anizotropik maddeler vardır. Bu tür maddeler oldukça yaygındır, özellikle hepsi kristal kafesin oldukça düşük simetrisine sahip kristallerin yanı sıra mekanik deformasyona maruz kalan maddelerdir.
Kırılma indisi ortamın manyetik ve dielektrik sabitlerinin çarpımının kökü olarak ifade edilebilir.
(İlgi konusu frekans aralığı için (örneğin optik) manyetik geçirgenlik ve mutlak dielektrik sabiti değerlerinin, bu değerlerin statik değerinden çok farklı olabileceği dikkate alınmalıdır).
Kırılma indeksini ölçmek için manuel ve otomatik refraktometreler kullanılır. Sulu bir çözeltideki şeker konsantrasyonunu belirlemek için bir refraktometre kullanıldığında, cihaza sakarimetre adı verilir.
Işın A ortamından B ortamına geçtiğinde ışının geliş açısının sinüsünün () kırılma açısının sinüsüne () oranına bu ortam çifti için bağıl kırılma indisi denir.
n miktarı, B ortamının A ortamına göre bağıl kırılma indisidir, аn" = 1/n ise A ortamının B ortamına göre bağıl kırılma indisidir.
Bu değer, diğer şeyler eşit olduğunda, genellikle birden az bir ışın daha yoğun bir ortamdan daha az yoğun bir ortama geçtiğinde ve birden fazla, bir ışın daha az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama geçtiğinde (örneğin, bir gazdan veya bir vakumdan bir sıvıya veya katıya) . Bu kuralın istisnaları vardır ve bu nedenle bir ortamı diğerinden optik olarak daha fazla veya daha az yoğun olarak adlandırmak gelenekseldir (bir ortamın opaklığının bir ölçüsü olan optik yoğunlukla karıştırılmamalıdır).
Havasız uzaydan bir B ortamının yüzeyine düşen bir ışın, başka bir A ortamından üzerine düştüğünden daha güçlü bir şekilde kırılır; Havasız uzaydan bir ortama gelen ışının kırılma indisine, onun mutlak kırılma indisi veya basitçe belirli bir ortamın kırılma indisi denir; bu, tanımı makalenin başında verilen kırılma indisidir. Normal koşullar altında hava da dahil olmak üzere herhangi bir gazın kırılma indeksi, sıvıların veya katıların kırılma indeksinden çok daha azdır, bu nedenle yaklaşık olarak (ve nispeten iyi bir doğrulukla) mutlak kırılma indeksi, havaya göre kırılma indeksi ile değerlendirilebilir.
Pirinç. 3. Girişim refraktometresinin çalışma prensibi. Işık demeti, iki kısmı farklı kırılma indislerine sahip maddelerle dolu l uzunluğundaki küvetlerden geçecek şekilde bölünür. Küvetlerden çıkışta ışınlar belirli bir yol farkı elde eder ve bir araya getirildiklerinde ekranda k dereceli girişim maksimum ve minimumlarının bir resmini verir (sağda şematik olarak gösterilmiştir). Kırılma indisi farkı Dn=n2 –n1 =kl/2, burada l ışığın dalga boyudur.
Refraktometreler, maddelerin kırılma indeksini ölçmek için kullanılan aletlerdir. Bir refraktometrenin çalışma prensibi fenomene dayanmaktadır. toplam yansıma. Kırılma indisli iki ortam arasındaki arayüze ve optik olarak daha yoğun bir ortamdan dağınık bir ışık demeti düşerse, belirli bir geliş açısından başlayarak ışınlar ikinci ortama girmez, ancak tamamen yansıtılır. Birinci ortamda arayüz. Bu açıya toplam yansımanın sınır açısı denir. Şekil 1, bu yüzeyin belirli bir akımına düşen ışınların davranışını göstermektedir. Işın aşırı bir açıyla geliyor. Kırılma yasasından şunu belirleyebiliriz: , (çünkü).
Sınırlama açısının büyüklüğü, iki ortamın göreceli kırılma indisine bağlıdır. Yüzeyden yansıyan ışınlar bir toplama merceğine yönlendirilirse, merceğin odak düzleminde ışığın ve yarı gölgenin sınırını görebilirsiniz ve bu sınırın konumu sınırlama açısının değerine ve dolayısıyla kırılma indeksi. Ortamlardan birinin kırılma indisindeki bir değişiklik, arayüzün konumunda bir değişiklik gerektirir. Işık ve gölge arasındaki arayüz, refraktometrelerde kullanılan kırılma indisinin belirlenmesinde bir gösterge görevi görebilir. Kırılma indisini belirlemenin bu yöntemine toplam yansıma yöntemi denir.
Refraktometreler, toplam yansıma yönteminin yanı sıra, geçişli ışın yöntemini de kullanır. Bu yöntemde, saçılan bir ışık demeti, optik olarak daha az yoğun bir ortamdan sınıra mümkün olan tüm açılardan çarpar (Şekil 2). Yüzey () boyunca kayan ışın, sınırlayıcı kırılma açısına (Şekil 2'deki ışın) karşılık gelir. Yüzeyde kırılan ışınların () yoluna bir mercek yerleştirirsek, merceğin odak düzleminde de ışık ve gölge arasında keskin bir sınır görürüz.
Sınır açısının değerini belirleyen koşullar her iki yöntemde de aynı olduğundan arayüzün konumu aynıdır. Her iki yöntem de eşdeğerdir ancak toplam yansıma yöntemi, opak maddelerin kırılma indisini ölçmenize olanak tanır
Üçgen prizmada ışınların yolu
Şekil 9, düzlemi yan kenarlarına dik olan bir cam prizmanın kesitini göstermektedir. Prizmadaki ışın tabana doğru saptırılır ve OA ve 0B kenarlarında kırılır. Bu yüzler arasındaki j açısına prizmanın kırılma açısı denir. Işının sapma açısı prizmanın kırılma açısına, prizma malzemesinin kırılma indisine n ve geliş açısına bağlıdır. Kırılma kanunu (1.4) kullanılarak hesaplanabilir.
Refraktometre beyaz bir ışık kaynağı kullanır 3. Dağılma nedeniyle ışık 1 ve 2 numaralı prizmalardan geçtiğinde ışık ve gölgenin sınırı renkli hale gelir. Bunu önlemek için teleskop merceğinin önüne bir dengeleyici (4) yerleştirilir ve her biri farklı kırılma indekslerine sahip üç prizmadan birbirine yapıştırılmış iki özdeş prizmadan oluşur. Prizmalar, dalga boyu tek renkli bir ışın olacak şekilde seçilir. = 589,3 mikron. (sodyum sarı çizgi dalga boyu) sapma kompansatörünü geçtikten sonra test edilmedi. Farklı dalga boylarına sahip ışınlar prizmalarda farklı yönlere saptırılır. Kompansatör prizmalarını özel bir tutamak kullanarak hareket ettirerek ışık ve karanlık arasındaki sınırın mümkün olduğunca net olmasını sağlıyoruz.
Dengeleyiciyi geçen ışık ışınları teleskopun merceğine (6) girer. Işık-gölge arayüzünün görüntüsü teleskopun göz merceği (7) aracılığıyla izlenir. Aynı zamanda ölçek 8 mercek aracılığıyla görüntülenir. Sınırlayıcı kırılma açısı ve toplam yansımanın sınırlayıcı açısı sıvının kırılma indeksine bağlı olduğundan, bu kırılma indeksinin değerleri refraktometre ölçeğinde hemen işaretlenir. .
Refraktometrenin optik sistemi ayrıca dönen bir prizma 5 içerir. Teleskopun eksenini prizma 1 ve 2'ye dik olarak konumlandırmanıza olanak tanır, bu da gözlemi daha kolay hale getirir.
Kırılma, herhangi bir şeffaf ortamın kırılma yeteneğini karakterize eden belirli bir soyut sayıdır. Bunu n olarak belirtmek gelenekseldir. Mutlak kırılma indisi ve bağıl indeks vardır.
İlki iki formülden biri kullanılarak hesaplanır:
n = sin α / sin β = const (burada sin α, geliş açısının sinüsüdür ve sin β, söz konusu ortama boşluktan giren ışık ışınının sinüsüdür)
n = c / υ λ (burada c, ışığın boşluktaki hızıdır, υ λ, incelenen ortamdaki ışığın hızıdır).
Burada hesaplama, ışığın boşluktan şeffaf bir ortama geçiş anında yayılma hızını kaç kez değiştirdiğini gösterir. Bu, kırılma indisini (mutlak) belirler. Göreceli bulmak için aşağıdaki formülü kullanın:
Yani hava ve cam gibi farklı yoğunluktaki maddelerin mutlak kırılma indisleri dikkate alınır.
Genel olarak konuşursak, o zaman mutlak oranlar Gaz, sıvı veya katı olsun her cisim her zaman 1'den büyüktür. Temel olarak değerleri 1 ile 2 arasında değişir. Bu değer ancak istisnai durumlarda 2'den yüksek olabilir. Bu parametrenin bazı ortamlar için anlamı şudur:
Gezegendeki en sert doğal madde olan elmasa uygulandığında bu değer 2,42'dir. Çoğu zaman bilimsel araştırma vb. Yürütürken suyun kırılma indeksini bilmek gerekir. Bu parametre 1.334'tür.
Dalga boyu elbette değişken bir gösterge olduğundan, n harfine bir indeks atanır. Değeri, bu katsayının spektrumun hangi dalgasına ait olduğunu anlamaya yardımcı olur. Aynı madde göz önüne alındığında, ancak ışığın dalga boyu arttıkça kırılma indisi azalacaktır. Bu durum ışığın bir mercek, prizma vb. içinden geçerken spektruma ayrışmasına neden olur.
Kırılma indisinin değerine göre, örneğin bir maddenin diğerinde ne kadar çözündüğünü belirleyebilirsiniz. Bu, örneğin bira yapımında veya meyve suyundaki şeker, meyve veya meyvelerin konsantrasyonunu bilmeniz gerektiğinde yararlı olabilir. Bu gösterge, hem petrol ürünlerinin kalitesinin belirlenmesinde hem de mücevherlerde, bir taşın vb. orijinalliğini kanıtlamanın gerekli olduğu durumlarda önemlidir.
Herhangi bir madde kullanılmadan cihazın göz merceğinde görünen ölçek tamamen mavi olacaktır. Prizmanın üzerine sıradan damıtılmış su damlatırsanız, cihaz doğru şekilde kalibre edilmişse, mavi ile mavi arasındaki sınır ortaya çıkar. Beyaz çiçekler kesinlikle sıfır işaretinden geçecektir. Başka bir maddeyi incelerken, onun karakteristik kırılma indisine göre ölçek boyunca kayacaktır.
Ders 25/III-1 Işığın çeşitli ortamlarda yayılması. Işığın iki ortam arasındaki arayüzde kırılması.
Yeni materyal öğrenme.
Şimdiye kadar ışığın her zamanki gibi tek bir ortamda, yani havada yayılmasını düşündük. Işık çeşitli ortamlarda yayılabilir: bir ortamdan diğerine geçebilir; Geliş noktalarında ışınlar yalnızca yüzeyden yansımakla kalmaz, aynı zamanda kısmen içinden de geçer. Bu tür geçişler pek çok güzel ve ilginç olaya neden olur.
İki ortamın sınırından geçen ışığın yayılma yönünün değişmesine ışığın kırılması denir.
İki şeffaf ortam arasındaki arayüze gelen ışık ışınının bir kısmı yansıtılır ve bir kısmı diğer ortama geçer. Bu durumda başka bir ortama geçen ışık ışınının yönü değişir. Bu nedenle olaya kırılma denir ve ışına kırılmış denir.
1 – olay ışını
2 – yansıyan ışın
3 – kırılan ışın α β
OO 1 – iki ortam arasındaki arayüz
MN - dikey O O 1
Işının oluşturduğu ve iki ortam arasındaki arayüze dik olarak ışının geliş noktasına indirilen açıya kırılma açısı denir. γ (gama).
Işık boşlukta 300.000 km/s hızla hareket eder. Herhangi bir ortamda ışığın hızı her zaman boşluktakinden daha düşüktür. Bu nedenle ışık bir ortamdan diğerine geçerken hızı azalır ve bu da ışığın kırılmasına neden olur. Belirli bir ortamda ışığın yayılma hızı ne kadar düşük olursa, bu ortamın optik yoğunluğu da o kadar büyük olur. Örneğin havanın optik yoğunluğu vakumdan daha yüksektir çünkü ışığın havadaki hızı vakumdakinden biraz daha düşüktür. Suyun optik yoğunluğu havanın optik yoğunluğundan daha büyüktür çünkü ışığın havadaki hızı sudakinden daha yüksektir.
İki ortamın optik yoğunlukları ne kadar farklı olursa, ara yüzeylerinde o kadar fazla ışık kırılır. İki ortam arasındaki arayüzde ışığın hızı ne kadar değişirse o kadar kırılır.
Her şeffaf madde için çok önemli bir şey var fiziksel özellik Işığın kırılma indisi olarak N. Belirli bir maddedeki ışığın hızının boşluktakinden kaç kat daha az olduğunu gösterir.
Işığın kırılma indeksi
|
Madde |
Madde |
Madde | |||
|
Kaya tuzu |
Terebentin | ||||
|
Sedir yağı |
Etanol | ||||
|
Gliserol |
Pleksiglas |
Cam (hafif) | |||
|
Karbon disülfid |
Geliş açısı ile kırılma açısı arasındaki oran, her ortamın optik yoğunluğuna bağlıdır. Bir ışık ışını optik yoğunluğu düşük bir ortamdan optik yoğunluğu daha yüksek olan bir ortama geçerse, kırılma açısı geliş açısından daha küçük olacaktır. Bir ışık ışını optik yoğunluğu daha yüksek bir ortamdan geliyorsa, kırılma açısı geliş açısından daha küçük olacaktır. Bir ışık ışını optik yoğunluğu daha yüksek olan bir ortamdan optik yoğunluğu daha düşük olan bir ortama geçerse, kırılma açısı geliş açısından daha büyük olur.
Yani eğer n 1 ise
Işığın kırılma kanunu :
Gelen ışın, kırılan ışın ve ışının geliş noktasında iki ortam arasındaki arayüze dik aynı düzlemde yer alır.
Geliş açısı ile kırılma açısı arasındaki ilişki formülle belirlenir.
burada geliş açısının sinüsü ve kırılma açısının sinüsüdür.
0 – 900 arasındaki açılar için sinüs ve teğetlerin değeri
|
Dereceler |
Dereceler |
Dereceler | ||||||
Işığın kırılma yasası ilk olarak 1626 civarında Leiden Üniversitesi'nde profesör olan Hollandalı gökbilimci ve matematikçi W. Snelius tarafından formüle edildi (1613).
16. yüzyılda optik son derece modern bir bilimdi ve mercek olarak kullanılan, içi suyla dolu bir cam toptan bir büyüteç ortaya çıktı. Ve ondan bir teleskop ve mikroskop icat ettiler. O zamanlar Hollanda'nın kıyıyı görmek ve düşmanlardan zamanında kaçmak için teleskoplara ihtiyacı vardı. Navigasyonun başarısını ve güvenilirliğini sağlayan optikti. Bu nedenle Hollanda'da birçok bilim adamı optikle ilgileniyordu. Hollandalı Skel Van Rooyen (Snelius), ince bir ışık ışınının aynaya nasıl yansıdığını gözlemledi. Geliş açısını ve yansıma açısını ölçtü ve şunu tespit etti: Yansıma açısı geliş açısına eşittir. Ayrıca ışığın yansıması kanunlarına da sahiptir. Işığın kırılma yasasını çıkardı.
Işığın kırılma yasasını ele alalım.
İkincisinin daha yüksek bir optik yoğunluğa sahip olması durumunda, ikinci ortamın birinciye göre nispi kırılma indeksini içerir. Işık kırılır ve optik yoğunluğu daha düşük bir ortamdan geçerse α olur.< γ, тогда
İlk ortam vakum ise n 1 =1 o zaman .
Bu göstergeye ikinci ortamın mutlak kırılma indisi denir:
ışığın boşluktaki hızı, belirli bir ortamdaki ışığın hızı nerede.
Işığın Dünya atmosferinde kırılmasının bir sonucu, Güneş'i ve yıldızları gerçek konumlarından biraz daha yüksekte görmemizdir. Işığın kırılması serapların, gökkuşağının görünümünü açıklayabilir... Işığın kırılması olgusu sayısal optik cihazların çalışma prensibinin temelidir: mikroskop, teleskop, kamera.
Kırılma veya kırılma, bir ışık ışınının veya diğer dalgaların, hem şeffaf (bu dalgaları ileten) hem de özelliklerin sürekli değiştiği bir ortamın içindeki iki ortamı ayıran sınırı geçtiklerinde yönünde bir değişiklik meydana geldiği bir olgudur.
Kırılma olgusuyla oldukça sık karşılaşıyoruz ve bunu gündelik bir olgu olarak algılıyoruz: İçinde renkli bir sıvı bulunan şeffaf bir camın içine yerleştirilen çubuğun, hava ile suyun ayrıldığı noktada “kırıldığını” görebiliriz (Şekil 1). Yağmur sırasında ışık kırılıp yansıdığında gökkuşağını gördüğümüzde seviniriz (Şekil 2).
Kırılma indeksi, bir maddenin fizikokimyasal özellikleriyle ilişkili önemli bir özelliğidir. Sıcaklık değerlerinin yanı sıra belirlemenin yapıldığı ışığın dalga boyuna da bağlıdır. Bir çözeltideki kalite kontrol verilerine göre kırılma indisi, içinde çözünen maddenin konsantrasyonunun yanı sıra çözücünün doğasından da etkilenir. Özellikle kan serumunun kırılma indeksi, içerdiği protein miktarından etkilenir.Bunun nedeni, ışık ışınlarının farklı yoğunluklara sahip ortamlarda farklı yayılma hızları ile, ikisinin arasındaki arayüzde yönlerinin değişmesidir. medya. Işığın boşluktaki hızını, incelenen maddedeki ışığın hızına bölersek, mutlak kırılma indisini (kırılma indisi) elde ederiz. Pratikte, ışığın havadaki hızının incelenen maddedeki ışık hızına oranı olan bağıl kırılma indeksi (n) belirlenir.
Kırılma indisi, özel bir cihaz - bir refraktometre kullanılarak niceliksel olarak belirlenir.
Refraktometri, fiziksel analizin en kolay yöntemlerinden biridir ve minimum zaman ve test edilen numune sayısı ile kimyasal, gıda, biyolojik olarak aktif gıda katkı maddeleri, kozmetik ve diğer ürün türlerinin üretiminde kalite kontrol laboratuvarlarında kullanılabilir.
Refraktometrenin tasarımı, ışık ışınlarının iki ortamın (biri cam prizma, diğeri test çözeltisi) sınırından geçerken tamamen yansıması gerçeğine dayanmaktadır (Şekil 3).
| Pirinç. 3. Refraktometre diyagramı |
Kaynaktan (1), bir ışık ışını ayna yüzeyine (2) düşer, daha sonra yansıtılarak üst aydınlatma prizmasına (3) ve ardından camdan yapılmış alt ölçüm prizmasına (4) geçer. yüksek kırılma indeksi. Prizmalar (3) ve (4) arasına kılcal damar kullanılarak 1-2 damla numune uygulanır. Prizmaya mekanik hasar vermemek için, yüzeyine kılcal ile dokunmamak gerekir.
Göz merceği (9) aracılığıyla arayüzü oluşturan çapraz çizgili bir alan görülmektedir. Merceği hareket ettirirken alanların kesişme noktası arayüz ile aynı hizada olmalıdır (Şekil 4).Prizmanın düzlemi (4), ışık ışınının kırıldığı yüzeyde arayüzün rolünü oynar. Işınlar dağıldığı için ışık ve gölge arasındaki sınır bulanık, yanardöner bir hal alıyor. Bu olay dispersiyon kompansatörü (5) tarafından ortadan kaldırılır. Daha sonra ışın mercek (6) ve prizmadan (7) geçirilir. Plaka (8) görüş çizgilerine (çapraz çapraz iki düz çizgi) ve ayrıca göz merceği (9) aracılığıyla gözlemlenen kırılma indisli bir ölçeğe sahiptir. Kırılma indisi bundan hesaplanır.
Alan sınırları arasındaki bölme çizgisi, numunenin kırılma indisine bağlı olan iç toplam yansıma açısına karşılık gelecektir.
Refraktometri, bir maddenin saflığını ve orijinalliğini belirlemek için kullanılır. Bu yöntem aynı zamanda bir kalibrasyon grafiği (bir numunenin kırılma indeksinin konsantrasyonuna bağımlılığını gösteren bir grafik) kullanılarak hesaplanan kalite kontrolü sırasında çözeltilerdeki maddelerin konsantrasyonunu belirlemek için de kullanılır.
KorolevPharm'da kırılma indisi, kendi üretimimiz olan ekstraktlarda ve bitmiş ürünlerin piyasaya sürülmesi sırasında hammaddelerin gelen muayenesi sırasında onaylanmış düzenleyici belgelere uygun olarak belirlenir. Belirleme, akredite bir fiziksel ve kimyasal laboratuvarın kalifiye çalışanları tarafından IRF-454 B2M refraktometre kullanılarak yapılır.
Hammaddelerin gelen muayenesinin sonuçlarına göre kırılma indisi gerekli gereklilikleri karşılamıyorsa, kalite kontrol departmanı bir Uygunsuzluk Raporu yayınlar ve buna göre bu hammadde partisi tedarikçiye iade edilir. .
Belirleme yöntemi
1. Ölçümlere başlamadan önce prizmaların birbirine temas eden yüzeylerinin temizliği kontrol edilir.
2. Sıfır noktasının kontrol edilmesi. Ölçüm prizmasının yüzeyine 2†3 damla damıtılmış su uygulayın ve aydınlatma prizması ile dikkatlice kapatın. Aydınlatma penceresini açıyoruz ve bir ayna kullanarak ışık kaynağını en yoğun yöne yerleştiriyoruz. Merceğin vidalarını döndürerek görüş alanındaki karanlık ve aydınlık alanlar arasında net ve keskin bir ayrım elde ederiz. Vidayı döndürüp gölge ve ışık çizgisini, göz merceğinin üst penceresindeki çizgilerin kesiştiği noktaya denk gelecek şekilde yönlendiriyoruz. Göz merceğinin alt penceresindeki dikey çizgide istenen sonucu görüyoruz - damıtılmış suyun 20 ° C'deki kırılma indeksi (1.333). Okumalar farklıysa, kırılma indeksini 1,333'e ayarlamak için vidayı kullanın ve bir anahtar kullanarak (ayar vidasını çıkarın) gölge ve ışığın sınırını çizgilerin kesiştiği noktaya getirin.
3. Kırılma indisini belirleyin. Aydınlatma prizmasının haznesini kaldırıyoruz ve filtre kağıdı veya gazlı bezle suyu çıkarıyoruz. Daha sonra ölçüm prizmasının yüzeyine 1-2 damla test solüsyonu uygulayın ve hazneyi kapatın. Gölge ve ışığın sınırları çizgilerin kesişme noktasıyla çakışıncaya kadar vidaları döndürün. Merceğin alt penceresindeki dikey çizgide istenen sonucu görüyoruz - test numunesinin kırılma indisi. Kırılma indisini göz merceğinin alt penceresindeki ölçeği kullanarak hesaplıyoruz.
4. Bir kalibrasyon grafiği kullanarak çözeltinin konsantrasyonu ile kırılma indisi arasındaki ilişkiyi kurarız. Bir grafik oluşturmak için, kimyasal olarak saf maddelerin preparatlarını kullanarak çeşitli konsantrasyonların standart çözümlerini hazırlamak, kırılma endekslerini ölçmek ve elde edilen değerleri ordinat eksenine ve karşılık gelen çözüm konsantrasyonlarını apsis eksenine çizmek gerekir. Konsantrasyon ile kırılma indisi arasında doğrusal bir ilişkinin gözlendiği konsantrasyon aralıklarının seçilmesi gerekir. İncelenen numunenin kırılma indisini ölçüyoruz ve konsantrasyonunu belirlemek için bir grafik kullanıyoruz.
Bilet 75.
Işık Yansıma Yasası: gelen ve yansıyan ışınların yanı sıra, ışının geliş noktasında yeniden oluşturulan iki ortam arasındaki arayüze dik olan aynı düzlemde (geliş düzlemi) bulunur. Yansıma açısı γ, geliş açısı α'ya eşittir.
Işığın kırılma kanunu: Gelen ve kırılan ışınların yanı sıra, ışının geliş noktasında yeniden oluşturulan iki ortam arasındaki arayüze dik olan aynı düzlemde bulunur. Geliş açısı α'nın sinüsünün kırılma açısı β'nın sinüsüne oranı, belirli iki ortam için sabit bir değerdir:
Yansıma ve kırılma yasaları dalga fiziğinde açıklanmaktadır. Dalga kavramlarına göre kırılma, dalgaların bir ortamdan diğerine geçerken yayılma hızındaki değişikliklerin bir sonucudur. Kırılma indeksinin fiziksel anlamı dalgaların birinci ortamdaki (υ 1) yayılma hızının ikinci ortamdaki (υ 2) yayılma hızına oranıdır:
Şekil 3.1.1 ışığın yansıma ve kırılma yasalarını göstermektedir.
Mutlak kırılma indisi daha düşük olan bir ortama optik olarak daha az yoğun denir.
Işık optik olarak daha yoğun bir ortamdan optik olarak daha az yoğun bir ortama geçtiğinde n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать toplam yansıma olgusu yani kırılan ışının ortadan kaybolması. Bu fenomen, belirli bir kritik açı olan α pr'yi aşan geliş açılarında gözlenir. toplam iç yansımanın sınır açısı(bkz. Şekil 3.1.2).
Geliş açısı için α = α pr sin β = 1; değer sin α pr = n 2 / n 1< 1.
İkinci ortam hava ise (n 2 ≈ 1), formülü şu şekilde yeniden yazmak uygundur:
Toplam iç yansıma olgusu birçok optik cihazda kullanılmaktadır. En ilginç ve pratik olarak önemli uygulama, optik olarak şeffaf malzemeden (cam, kuvars) yapılmış ince (birkaç mikrometreden milimetreye kadar) keyfi olarak kavisli ipliklerden oluşan optik fiberlerin oluşturulmasıdır. Işık kılavuzunun ucuna gelen ışık, yan yüzeylerden gelen toplam iç yansıma nedeniyle uzun mesafeler boyunca ilerleyebilir (Şekil 3.1.3). Optik ışık kılavuzlarının geliştirilmesi ve uygulanmasıyla ilgili bilimsel ve teknik yöne fiber optik denir.
Işığın dağılımı (ışığın ayrışması)- bu, bir maddenin mutlak kırılma indisinin ışığın frekansına (veya dalga boyuna) (frekans dağılımı) bağımlılığından veya aynı şey, bir maddedeki ışığın faz hızının ışığın frekansına bağımlılığından kaynaklanan bir olgudur. dalga boyu (veya frekans). Teorik olarak çok daha sonra oldukça iyi bir şekilde açıklanmasına rağmen, 1672 civarında Newton tarafından deneysel olarak keşfedildi.
Uzaysal dağılım ortamın dielektrik sabiti tensörünün dalga vektörüne bağımlılığı denir. Bu bağımlılık, uzaysal kutuplaşma etkileri adı verilen bir dizi olguya neden olur.
Dağılımın en açık örneklerinden biri - beyaz ışık ayrışması bir prizmadan geçerken (Newton deneyi). Dağılım olgusunun özü, farklı dalga boylarındaki ışık ışınlarının şeffaf bir maddede - optik bir ortamda yayılma hızındaki farktır (vakumda ışığın hızı, dalga boyundan ve dolayısıyla renkten bağımsız olarak her zaman aynıdır). Tipik olarak, bir ışık dalgasının frekansı ne kadar yüksek olursa, ortamın kırılma indisi de o kadar yüksek olur ve ortamdaki dalganın hızı o kadar düşük olur:
Newton'un deneyleri Beyaz ışığın bir spektruma ayrışması üzerine deney: Newton, güneş ışığını küçük bir delikten cam prizmaya yönlendirdi. Prizmaya çarptığında ışın kırıldı ve karşı duvarda gökkuşağı renk değişimi olan uzun bir görüntü - bir spektrum - verdi. Monokromatik ışığın prizmadan geçişi üzerine deney yapın: Newton, güneş ışınının yoluna kırmızı cam yerleştirdi, arkasından tek renkli ışık (kırmızı), ardından bir prizma aldı ve ekranda ışık ışınından yalnızca kırmızı bir nokta gözlemledi. Beyaz ışığın sentezinde (üretiminde) deneyim:İlk olarak Newton güneş ışınını bir prizmaya yönlendirdi. Daha sonra prizmadan çıkan renkli ışınları bir toplama merceği kullanarak toplayan Newton, renkli bir şerit yerine beyaz bir duvardaki bir deliğin beyaz görüntüsünü elde etti. Newton'un sonuçları:- prizma ışığı değiştirmez, yalnızca onu bileşenlerine ayırır - rengi farklı olan ışık ışınlarının kırılma derecesi farklıdır; Mor ışınlar en güçlü şekilde kırılır, kırmızı olanlar daha az güçlüdür - daha az kırılan kırmızı ışık en yüksek hıza sahiptir ve mor en az hıza sahiptir, bu nedenle prizma ışığı ayrıştırır. Işığın kırılma indisinin rengine bağımlılığına dağılım denir.
Sonuçlar:- prizma ışığı ayrıştırır - beyaz ışık karmaşıktır (bileşik) - mor ışınlar kırmızı ışınlardan daha güçlü bir şekilde kırılır. Bir ışık ışınının rengi titreşim frekansına göre belirlenir. Bir ortamdan diğerine geçerken ışığın hızı ve dalga boyu değişir ancak rengi belirleyen frekans sabit kalır. Beyaz ışığın ve bileşenlerinin aralıklarının sınırları genellikle vakumdaki dalga boylarıyla karakterize edilir. Beyaz ışık, uzunlukları 380 ila 760 nm arasında olan dalgaların bir koleksiyonudur.
Bilet 77.
Işığın emilmesi. Bouguer yasası
Işığın bir maddede emilmesi, dalganın elektromanyetik alanının enerjisinin maddenin termal enerjisine (veya ikincil fotolüminesans radyasyonun enerjisine) dönüştürülmesiyle ilişkilidir. Işığın soğurulması yasası (Bouguer yasası) şu şekildedir:
ben=ben 0 tecrübe(- X),(1)
Nerede BEN 0 , BEN-girişteki ışık yoğunluğu (x=0) ve orta kalınlıkta bir tabaka bırakarak X, - absorpsiyon katsayısı şunlara bağlıdır: .
Dielektrikler için =10 -1 10 -5 M -1 , metaller için =10 5 10 7 M -1 , Bu nedenle metaller ışığı geçirmez.
Bağımlılık ( ) Emici cisimlerin rengini açıklar. Örneğin, kırmızı ışığı zayıf şekilde emen bir cam, beyaz ışıkla aydınlatıldığında kırmızı görünecektir.
Işığın saçılması. Rayleigh yasası
Işığın kırınımı, optik olarak homojen olmayan bir ortamda, örneğin bulanık bir ortamda (duman, sis, tozlu hava vb.) meydana gelebilir. Işık dalgaları, ortamın homojen olmayan durumlarına göre kırınıma uğrayarak, tüm yönlerde oldukça düzgün bir yoğunluk dağılımı ile karakterize edilen bir kırınım modeli oluşturur.
Küçük homojensizliklerden kaynaklanan bu kırınıma denir. ışığın saçılması.
Bu olay, dar bir güneş ışığı ışınının tozlu havadan geçmesi, toz parçacıklarının üzerine saçılması ve görünür hale gelmesiyle gözlemlenir.
Homojensizliklerin boyutları dalga boyuna göre küçükse (en fazla değil) 0,1 ), o zaman dağınık ışığın yoğunluğunun dalga boyunun dördüncü kuvvetiyle ters orantılı olduğu ortaya çıkar, yani.
BEN muhalif olmak ~ 1/ 4 , (2)
bu bağımlılığa Rayleigh yasası denir.
Yabancı parçacık içermeyen temiz ortamlarda da ışık saçılımı gözlemlenir. Örneğin yoğunluk, anizotropi veya konsantrasyondaki dalgalanmalarda (rastgele sapmalarda) ortaya çıkabilir. Bu tür saçılmaya moleküler saçılma denir. Mesela gökyüzünün mavi rengini açıklıyor. Aslında (2)'ye göre mavi ve mavi ışınlar kırmızı ve sarı ışınlardan daha kuvvetli saçılır çünkü dalga boyu daha kısa olduğundan gökyüzünün mavi rengine neden olur.
Bilet 78.
Işığın polarizasyonu- elektromanyetik ışık dalgalarının enine doğasının ortaya çıktığı bir dizi dalga optiği olgusu. Enine dalga- ortamın parçacıkları dalganın yayılma yönüne dik yönlerde salınır ( Şekil 1).
Şekil 1 Enine dalga
Elektromanyetik ışık dalgası düzlem polarize(doğrusal polarizasyon), eğer E ve B vektörlerinin salınım yönleri kesinlikle sabitse ve belirli düzlemlerde yer alıyorsa ( Şekil 1). Düzlem polarize ışık dalgasına denir düzlem polarize(doğrusal polarize) ışık. Polarize olmayan(doğal) dalga - bu dalgadaki E ve B vektörlerinin salınım yönlerinin v hız vektörüne dik herhangi bir düzlemde bulunabileceği bir elektromanyetik ışık dalgası. Polarize olmayan ışık- E ve B vektörlerinin salınım yönlerinin kaotik bir şekilde değiştiği ışık dalgaları, böylece dalga yayılım ışınına dik düzlemlerdeki salınımların tüm yönleri eşit derecede olasıdır ( İncir. 2).
İncir. 2 Polarize olmayan ışık
Polarize dalgalar- E ve B vektörlerinin yönlerinin uzayda değişmeden kaldığı veya belirli bir yasaya göre değiştiği. E vektörünün yönünün düzensiz değiştiği radyasyon - polarize olmayan. Bu tür radyasyonun bir örneği termal radyasyondur (kaotik olarak dağılmış atomlar ve elektronlar). Polarizasyon düzlemi- bu, E vektörünün salınım yönüne dik bir düzlemdir. Polarize radyasyonun ortaya çıkmasının ana mekanizması, radyasyonun elektronlar, atomlar, moleküller ve toz parçacıkları tarafından saçılmasıdır.
1.2. Polarizasyon türleriÜç tür polarizasyon vardır. Onlara tanımları verelim. 1. Doğrusal Elektrik vektörü E uzaydaki konumunu korursa oluşur. E vektörünün salındığı düzlemi vurguluyor gibi görünüyor. 2. Dairesel Bu, elektrik vektörü E, mutlak değerini korurken, dalganın açısal frekansına eşit bir açısal hızla dalga yayılma yönü etrafında döndüğünde meydana gelen polarizasyondur. Bu polarizasyon, E vektörünün görüş hattına dik bir düzlemde dönme yönünü karakterize eder. Bir örnek siklotron radyasyonudur (manyetik bir alanda dönen elektronlardan oluşan bir sistem). 3. Eliptik Elektrik vektörü E'nin büyüklüğü bir elips (E vektörünün dönüşü) tanımlayacak şekilde değiştiğinde meydana gelir. Eliptik ve dairesel polarizasyon sağ el (E vektörü, yayılan dalgaya doğru bakıldığında saat yönünde döner) ve sol el (E vektörü, yayılan dalgaya doğru bakıldığında saat yönünün tersine döner) olabilir.
Gerçekte, en sık meydana gelir kısmi polarizasyon (kısmen polarize elektromanyetik dalgalar). Kantitatif olarak, adı verilen belirli bir miktarla karakterize edilir. polarizasyon derecesi Rşu şekilde tanımlanır: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Nerede Imaks,yakında- analizördeki elektromanyetik enerji akışının en yüksek ve en düşük yoğunluğu (Polaroid, Nicolas prizması...). Uygulamada, radyasyon polarizasyonu genellikle Stokes parametreleriyle tanımlanır (belirli bir polarizasyon yönü ile radyasyon akılarını belirlerler).
Bilet 79.
İki dielektrik (örneğin hava ve cam) arasındaki arayüze doğal ışık düşerse, bir kısmı yansıtılır ve bir kısmı kırılır ve ikinci ortamda yayılır. Yansıyan ve kırılan ışınların yoluna bir analizör (örneğin turmalin) yerleştirerek, yansıyan ve kırılan ışınların kısmen polarize olmasını sağlıyoruz: analizör ışınların etrafında döndürüldüğünde, ışık yoğunluğu periyodik olarak artar ve zayıflar ( tam söndürme gözlenmedi!). Daha ileri çalışmalar, yansıyan ışında, geliş düzlemine dik titreşimlerin baskın olduğunu (bunlar Şekil 275'te noktalarla gösterilmiştir), kırılan ışında ise geliş düzlemine paralel titreşimlerin (oklarla gösterilen) baskın olduğunu göstermiştir.
Polarizasyon derecesi (ışık dalgalarının elektrik (ve manyetik) vektörünün belirli bir yönelimiyle ayrılma derecesi), ışınların geliş açısına ve kırılma indisine bağlıdır. İskoç fizikçi D.Brewster(1781-1868) yüklü kanun buna göre geliş açısında Ben B (Brewster açısı), ilişkiyle belirlenir
(N 21 - ikinci ortamın birinciye göre kırılma indisi), yansıyan ışın düzlem polarizedir(yalnızca geliş düzlemine dik titreşimleri içerir) (Şekil 276). Gelme açısında kırılan ışınBen B maksimuma kadar polarize olmuş, ancak tamamen değil.
Işık Brewster açısında bir arayüze çarparsa, yansıyan ve kırılan ışınlar karşılıklı olarak dik(tg Ben B = günah Ben B/çünkü Ben B, N 21 = günah Ben B / günah Ben 2 (Ben 2 - kırılma açısı), dolayısıyla Ben B=günah Ben 2). Buradan, Ben B + Ben 2 = /2, ancak Ben’ B= Ben B (yansıma yasası), dolayısıyla Ben’ B+ Ben 2 = /2.
Yansıyan ve kırılan ışığın farklı geliş açılarında polarizasyon derecesi, iki izotropik dielektrik (sözde) arasındaki arayüzdeki elektromanyetik alanın sınır koşullarını hesaba katarsak, Maxwell denklemlerinden hesaplanabilir. Fresnel formülleri).
Kırılan ışığın polarizasyon derecesi önemli ölçüde arttırılabilir (ışığın her seferinde arayüze Brewster açısında gelmesi şartıyla çoklu kırılma yoluyla). Örneğin, cam için ( n= 1.53) kırılan ışının polarizasyon derecesi %15 ise, üst üste bindirilmiş 8-10 cam plakaya kırıldıktan sonra böyle bir sistemden çıkan ışık neredeyse tamamen polarize olacaktır. Böyle bir plaka koleksiyonuna denir ayak. Ayak, polarize ışığın hem yansıması hem de kırılması sırasında analiz etmek için kullanılabilir.
Bilet 79 (Spur için)
Deneyimlerin gösterdiği gibi, ışığın kırılması ve yansıması sırasında kırılan ve yansıyan ışık polarize olur ve yansıma meydana gelir. ışık belirli bir geliş açısında tamamen polarize edilebilir, ancak tesadüfen. ışık her zaman kısmen polarizedir ve Frinell'in formüllerine göre bu yansıma gösterilebilir. Işık, geliş düzlemine dik bir düzlemde polarize olur ve kırılır. ışık geliş düzlemine paralel bir düzlemde polarize olur.
Yansımanın geliş açısı ışığın tamamen polarize olması Brewster açısı olarak adlandırılır.Brewster açısı Brewster yasasından belirlenir: - Brewster yasası Bu durumda yansımalar arasındaki açıdır. ve kırılma. ışınlar eşit olacaktır.Hava camı sistemi için Brewster açısı eşittir.İyi bir polarizasyon elde etmek için; Işığı kırarken Stoletov Durağı adı verilen birçok yenilebilir yüzey kullanılır.
Bilet 80.
Deneyimler, ışık madde ile etkileşime girdiğinde ana etkinin (fizyolojik, fotokimyasal, fotoelektrik vb.), bu bağlamda bazen ışık vektörü olarak adlandırılan vektörün salınımlarından kaynaklandığını göstermektedir. Bu nedenle ışık polarizasyon modellerini tanımlamak için vektörün davranışı izlenir.
Vektörlerin oluşturduğu düzleme polarizasyon düzlemi denir.
Vektör salınımları sabit bir düzlemde meydana gelirse, bu tür ışığa (ışın) doğrusal polarize denir. Geleneksel olarak aşağıdaki şekilde belirlenir. Işın dik bir düzlemde polarize edilmişse (düzlemde) xoz, bkz. Şek. İkinci derste 2), sonra belirlenir.
Doğal ışık (sıradan kaynaklardan, güneşten) farklı, kaotik olarak dağılmış polarizasyon düzlemlerine sahip dalgalardan oluşur (bkz. Şekil 3).
Doğal ışık bazen geleneksel olarak bu şekilde tanımlanır. Aynı zamanda polarize olmayan olarak da adlandırılır.
Dalga ilerledikçe vektör dönüyorsa ve vektörün ucu bir daireyi tanımlıyorsa, bu tür ışığa dairesel polarize denir ve polarizasyona dairesel veya dairesel (sağ veya sol) denir. Eliptik polarizasyon da vardır.
Optik cihazlar var (filmler, plakalar vb.) - polarizörler doğal ışıktan doğrusal polarize ışık veya kısmen polarize ışık çıkarır.
Işığın polarizasyonunu analiz etmek için kullanılan polarizörlere denir. analizörler.
Polarizör (veya analizör) düzlemi, polarizör (veya analizör) tarafından iletilen ışığın polarizasyon düzlemidir.
Genliği olan doğrusal polarize ışığın bir polarizöre (veya analizöre) düşmesine izin verin e 0. İletilen ışığın genliği şuna eşit olacaktır: E=E 0 çünkü J ve yoğunluk ben=ben 0 çünkü 2 J.
Bu formül ifade eder Malus yasası:
Analizörden geçen doğrusal polarize ışığın yoğunluğu, açının kosinüsünün karesi ile orantılıdır. J Gelen ışığın salınım düzlemi ile analizörün düzlemi arasında.
Bilet 80 (mahmuz için)
Polarizörler polarize ışık elde etmeyi sağlayan cihazlardır.Analizörler ışığın polarize olup olmadığını analiz etmek için kullanılabilecek cihazlardır.Yapısal olarak polarizör ve analizör bir ve aynıdır.Zn Malus.Yoğunluktaki ışığın üzerine düşmesine izin verin. polarizör, eğer ışık doğal ise, o zaman E vektörünün tüm yönleri eşit derecede muhtemeldir.Her vektör, karşılıklı olarak dik iki bileşene ayrılabilir: bunlardan biri polarizörün polarizasyon düzlemine paralel, diğeri ise polarizörün polarizasyon düzlemine diktir. BT.
Açıkçası polarizörden çıkan ışığın şiddeti eşit olacaktır.Polarizörden çıkan ışığın şiddetini () ile gösterelim.Polarize ışığın yolu üzerine ana düzlemi bir analizör yerleştirilirse Polarizörün ana düzlemi ile bir açı yapıldıktan sonra analizörden çıkan ışığın şiddeti kanunla belirlenir.
Bilet 81.
Sovyet fizikçi P. A. Cherenkov, radyum ışınlarının etkisi altındaki bir uranyum tuzu çözeltisinin parıltısını incelerken, içinde uranyum tuzu bulunmayan suyun kendisinin de parladığına dikkat çekti. Işınların (bkz. Gama radyasyonu) saf sıvılardan geçtiğinde hepsinin parlamaya başladığı ortaya çıktı. P. A. Cherenkov'un liderliği altında çalıştığı S. I. Vavilov, parıltının radyum kuantası tarafından atomlardan çıkarılan elektronların hareketiyle ilişkili olduğunu varsaydı. Gerçekten de parıltı, sıvıdaki manyetik alanın yönüne büyük ölçüde bağlıydı (bu, bunun elektronların hareketinden kaynaklandığını gösteriyordu).
Peki bir sıvı içinde hareket eden elektronlar neden ışık yayar? Bu sorunun doğru cevabı 1937'de Sovyet fizikçileri I.E. Tamm ve I.M. Frank tarafından verildi.
Bir madde içinde hareket eden bir elektron, onu çevreleyen atomlarla etkileşime girer. Elektrik alanının etkisi altında atomik elektronlar ve çekirdekler zıt yönlerde yer değiştirir - ortam polarize olur. Polarize olan ve daha sonra orijinal durumuna dönen ortamın elektron yörüngesi boyunca yer alan atomları, elektromanyetik ışık dalgaları yayar. Elektronun v hızı, ortamdaki ışığın yayılma hızından (kırılma indisi) daha düşükse, o zaman elektromanyetik alan elektronu geçecek ve maddenin, elektronun önünde uzayda polarize olmak için zamanı olacaktır. Elektronun önündeki ve arkasındaki ortamın polarizasyonu ters yöndedir ve zıt polarize atomların radyasyonları "eklenir", birbirini "söndürür". Henüz bir elektronun ulaşmadığı atomların polarize olmak için zamanı olmadığında ve radyasyon, tepe noktası hareketli elektronla çakışan ve tepe noktası c'deki bir açıyla dar bir konik katman boyunca yönlendirilmiş olarak göründüğünde. Işık "konisinin" görünümü ve radyasyon durumu, dalga yayılımının genel prensiplerinden elde edilebilir.
Pirinç. 1. Dalga cephesi oluşum mekanizması
Elektronun, kırılma indeksi olan homojen şeffaf bir madde içindeki çok dar bir boş kanalın OE ekseni (bkz. Şekil 1) boyunca hareket etmesine izin verin (boş kanala ihtiyaç vardır, böylece elektronun atomlarla çarpışmaları dikkate alınmaz. teorik değerlendirme). OE çizgisi üzerinde art arda bir elektron tarafından işgal edilen herhangi bir nokta, ışık emisyonunun merkezi olacaktır. Ardışık O, D, E noktalarından yayılan dalgalar birbirine müdahale eder ve aralarındaki faz farkı sıfırsa güçlendirilir (bkz. Girişim). Bu koşul, elektronun yörüngesiyle 0 açı yapan bir yön için sağlanır. Açı 0 şu ilişkiyle belirlenir:.
Aslında, yörüngenin iki noktasından (O noktası ve D noktası) birbirinden mesafeyle ayrılan iki noktadan elektron hızına 0 açı yapacak yönde yayılan iki dalgayı ele alalım. BE çizgisi üzerinde uzanan, OB'ye dik olan B noktasında, -sonraki zamanda ilk dalga BE çizgisi üzerinde yer alan F noktasına, noktadan yayılan bir dalga, dalga O noktasından yayınlandıktan sonraki zamanda ulaşacaktır. Bu iki dalga aynı fazda olacaktır, yani eğer bu zamanlar eşitse düz çizgi bir dalga cephesi olacaktır:. Bu, zamanların eşitliği koşulunu verir. Yörüngenin D mesafesiyle ayrılmış bölümlerinden yayılan dalgaların girişimi nedeniyle ışığın söneceği tüm yönlerde. D'nin değeri, T'nin ışık salınımlarının periyodu olduğu açık denklemle belirlenir. Bu denklemin her zaman bir çözümü vardır.
Eğer ise, o zaman yayılan dalgaların müdahale sırasında yükseltildiği yön mevcut değildir ve 1'den büyük olamaz.
Pirinç. 2. Vücut hareketi sırasında ses dalgalarının dağılımı ve şok dalgasının oluşması
Radyasyon yalnızca şu durumlarda gözlenir:
Deneysel olarak, elektronlar sonlu bir katı açıda, bir miktar hızda uçarlar ve sonuç olarak radyasyon, açıyla belirlenen ana yöne yakın konik bir katmanda yayılır.
Düşüncemizde elektron yavaşlamasını ihmal ettik. Bu oldukça kabul edilebilirdir, çünkü Vavilov-Cerenkov radyasyonundan kaynaklanan kayıplar küçüktür ve ilk yaklaşımla elektronun kaybettiği enerjinin onun hızını etkilemediğini ve düzgün bir şekilde hareket ettiğini varsayabiliriz. Bu, Vavilov-Çerenkov radyasyonunun temel farkı ve olağandışılığıdır. Tipik olarak yükler, önemli bir hızlanma yaşanırken yayılır.
Işığını aşan bir elektron, ses hızından daha yüksek bir hızla uçan bir uçağa benzer. Bu durumda konik bir şok ses dalgası da uçağın önünde yayılır (bkz. Şekil 2).
