Чому дорівнює абсолютний показник? Показник заломлення
Ця стаття розкриває сутність такого поняття оптики як показник заломлення. Наводяться формули отримання цієї величини, надається короткий огляд застосування явища заломлення електромагнітної хвилі.
Здатність бачити і показник заломлення
На зорі зародження цивілізації люди запитували: як бачить око? Висловлювалися припущення, що людина випромінює промені, які обмацують навколишні предмети, або, навпаки, всі речі випромінюють такі промені. Відповідь на це питання було дано у сімнадцятому столітті. Він міститься в оптиці та пов'язаний з тим, що таке показник заломлення. Відбиваючись від різних непрозорих поверхонь і заломлюючись на межі прозорих, світло дає людині можливість бачити.
Світло та показник заломлення
Наша планета огорнута світлом Сонця. І саме з хвильовою природою фотонів пов'язане таке поняття як абсолютний показник заломлення. Розповсюджуючись у вакуумі, фотон не зустрічає перешкод. На планеті світло зустрічає безліч різних щільніших середовищ: атмосфера (суміш газів), вода, кристали. Будучи електромагнітною хвилею, фотони світла мають у вакуумі одну фазову швидкість (позначається c), а в середовищі - іншу (позначається v). Співвідношення першої та другої є тим, що називають абсолютний показник заломлення. Формула виглядає так: n = c/v.
Фазова швидкість
Варто дати визначення фазової швидкості електромагнітного середовища. Інакше зрозуміти, що таке показник заломлення n, Не можна. Фотон світла – хвиля. Отже, його можна уявити як пакет енергії, який коливається (представте відрізок синусоїди). Фаза - це той відрізок синусоїди, який проходить хвиля в даний момент часу (нагадаємо, що це важливо для розуміння такої величини, як показник заломлення).
Наприклад, фазою може бути максимум синусоїди або якийсь відрізок її схилу. Фазова швидкість хвилі - це швидкість, з якою рухається саме ця фаза. Як пояснює визначення показника заломлення, для вакууму та середовища ці величини різняться. Мало того, кожне середовище має своє значення цієї величини. Будь-яке прозоре з'єднання, хоч би яким був його склад, має показник заломлення, відмінний від інших речовин.
Абсолютний та відносний показник заломлення
Вище було показано, що абсолютна величина відраховується щодо вакууму. Однак із цим на нашій планеті туго: світло частіше потрапляє на межу повітря та води або кварцу та шпинелі. Для кожного з цих середовищ, як уже було сказано вище, показник заломлення свій. У повітрі фотон світла йде вздовж одного напрямку і має одну фазову швидкість (v 1), але, потрапляючи у воду, змінює напрямок поширення та фазову швидкість (v 2). Однак обидва ці напрями лежать в одній площині. Це дуже важливо для розуміння того, як формується зображення навколишнього світу на сітківці ока чи матриці фотоапарата. Співвідношення двох абсолютних величин дає відносний показник заломлення. Формула виглядає так: n12 = v1/v2.
Але як же бути, якщо світло, навпаки, виходить із води і потрапляє у повітря? Тоді ця величина визначатиметься формулою n 21 = v 2 / v 1 . При перемноженні відносних показників заломлення отримуємо n 21 * n 12 = (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) = 1. Це співвідношення справедливе для будь-якої пари середовищ. Відносний показник заломлення можна знайти із синусів кутів падіння та заломлення n 12 = sin 1 / sin 2 . Не слід забувати, що кути відраховують від нормалі до поверхні. Під нормаллю мається на увазі лінія, перпендикулярна поверхні. Тобто якщо в задачі дано кут α падіння щодо самої поверхні, треба вважати синус від (90 - α).
Краса показника заломлення та його застосування
У спокійний сонячний день на дні озера грають відблиски. Темно-синій крига покриває скелю. На руці жінки діамант розсипає тисячі іскор. Ці явища - наслідок те, що всі межі прозорих середовищ мають відносний показник заломлення. Окрім естетичної насолоди, це явище можна використовувати і для практичного застосування.
Ось приклади:
- Лінза зі скла збирає пучок сонячного світла та підпалює траву.
- Лазерний промінь фокусується на хворому органі та відрізає непотрібну тканину.
- Сонячне світло заломлюється на стародавньому вітражі, створюючи особливу атмосферу.
- Мікроскоп збільшує зображення дуже дрібних деталей
- Лінзи спектрофотометра збирають світло лазера, відбите від поверхні речовини, що вивчається. Отже, можна зрозуміти структуру, та був і властивості нових матеріалів.
- Існує навіть проект фотонного комп'ютера, де передаватимуть інформацію не електрони, як зараз, а фотони. Для такого пристрою однозначно будуть потрібні заломлюючі елементи.
Довжина хвилі
Однак Сонце забезпечує нас фотонами не тільки видимого спектру. Інфрачервоні, ультрафіолетові, рентгенівські діапазони не сприймаються людським зором, але впливають на наше життя. ІЧ-промені зігрівають нас, УФ-фотони іонізують верхні шари атмосфери та дають можливість рослинам за допомогою фотосинтезу виробляти кисень.
І чому показник заломлення дорівнює, залежить як від речовин, між якими пролягає кордон, а й довжині хвилі падаючого випромінювання. Про яку саме величину йдеться, зазвичай відомо з контексту. Тобто якщо книга розглядає рентген та його вплив на людину, то й nтам визначається саме цього діапазону. Але зазвичай мається на увазі видимий діапазон електромагнітних хвиль, якщо не вказано щось інше.
Показник заломлення та відображення
Як стало зрозуміло з написаного вище, йдеться про прозорі середовища. Як приклади ми наводили повітря, воду, алмаз. Але як бути із деревом, гранітом, пластиком? Чи існує для них таке поняття як показник заломлення? Відповідь складна, але загалом - так.
Насамперед, слід враховувати, з яким саме світлом ми маємо справу. Ті середовища, які є непрозорими для видимих фотонів, прорізаються наскрізь рентгенівським або гамма-випромінюванням. Тобто якби ми всі були суперменами, то весь світ навколо був би для нас прозорим, але по-різному. Наприклад, стіни з бетону були б не щільнішими за желе, а металева арматура була б схожа на шматочки більш щільних фруктів.
Для інших елементарних частинок, мюонів наша планета взагалі прозора наскрізь. Свого часу вченим завдало чимало клопоту доказ самого факту їхнього існування. Мюони мільйонами пронизують нас кожну секунду, але ймовірність зіткнення хоч однієї частинки з матерією дуже мала, і зафіксувати це дуже складно. До речі, незабаром Байкал стане місцем лову мюонів. Його глибока та прозора вода підходить для цього ідеально – особливо взимку. Головне, щоб датчики не змерзли. Таким чином, показник заломлення бетону, наприклад, для рентгенівських фотонів має сенс. Мало того, опромінення речовини рентгеном – це один із найбільш точних та важливих способів дослідження будови кристалів.
Також варто пам'ятати, що в математичному сенсі непрозорі для даного діапазону речовини мають уявний показник заломлення. І нарешті, треба розуміти, що температура речовини також може впливати на її прозорість.
Показник заломлення середовища щодо вакууму, тобто для випадку переходу світлових променів із вакууму в середу, називається абсолютним та визначається формулою (27.10): n=c/v.
При розрахунках абсолютні показники заломлення беруть із таблиць, оскільки їх величина визначена досить точно за допомогою дослідів. Так як з більше v, то абсолютний показник заломлення завжди більше одиниці.
Якщо світлове випромінювання переходить з вакууму в середу, формулу другого закону заломлення записують у вигляді:
sin i/sin β = n. (29.6)
Формулою (29.6) практично часто користуються і під час переходу променів з повітря у середу, оскільки швидкість поширення світла повітря дуже мало відрізняється від з. Це з того, що абсолютний показник заломлення повітря дорівнює 1,0029.
Коли промінь йде із середовища у вакуум (у повітря), то формула другого закону заломлення приймає, вигляд:
sin i/sin β = 1/n. (29.7)
У цьому випадку промені при виході з середовища обов'язково віддаляються від перпендикуляра поверхні розділу середовища і вакууму.
З'ясуємо, як можна знайти відносний показник заломлення n21 за абсолютними показниками заломлення. Нехай світло переходить із середовища з абсолютним показником n1 у середу з абсолютним показником n2. Тоді n1 = c/V1 таn2 = с/v2, звідки:
n2/n1=v1/v2=n21. (29.8)
Формулу другого закону заломлення для такого випадку часто записують так:
sin i/sin β = n2/n1. (29.9)
Згадаймо, що за теорії Максвелла абсолютний показникзаломлення можна знайти із співвідношення: n = √(με). Так як у речовин, прозорих для світлового випромінювання, μ практично дорівнює одиниці, то можна вважати, що:
n = √ε. (29.10)
Оскільки частота коливань у світловому випромінюванні має порядок 1014 Гц, ні диполі, ні іони в діелектриці, що мають порівняно велику масу, не встигають змінювати свого положення з такою частотою, і діелектричні властивості речовини в умовах визначаються тільки електронною поляризацією його атомів. Саме цим пояснюється різницю між значенням ε=n 2 з (29,10) і ст в електростатиці.Так, у води ε = n 2 = 1,77, а ε ст = 81; у іонного твердого діелектрика NaCl = 2,25, а ст = 5,6. Коли речовина складається з однорідних атомів чи неполярних молекул, т. е. у ньому немає іонів, ні природних диполів, його поляризація може лише електронної. Для подібних речовин ε (29.10) і ε ст збігаються. Прикладом такої речовини є алмаз, що складається лише з атомів вуглецю.
Зауважимо, що величина абсолютного показника заломлення, крім роду речовини, залежить від частоти коливань, або від довжини хвилі випромінювання . Зі зменшенням довжини хвилі, як правило, показник заломлення збільшується.
Області застосування рефрактометрії.
Пристрій та принцип дії рефрактометра ІРФ-22.
Поняття показника заломлення.
План
Рефрактометрія. Характеристика та сутність методу.
Для ідентифікації речовин і перевірки їх чистоти використовують поки-
залом заломлення.
Показник заломлення речовини- величина, що дорівнює відношенню фазових швидкостей світла (електромагнітних хвиль) у вакуумі та видному середовищі.
Показник заломлення залежить від властивостей речовини та довжини хвилі
електромагнітного випромінювання Відношення синуса кута падіння щодо
нормалі, проведеної до площини заломлення (α) променя до синуса кута пре-
ломлення (β) при переході променя з середовища A в середовище B називається відносним показником заломлення для цієї пари середовищ.
Величина n є відносний показник заломлення середовища
по відношенню до середовища А, а
Відносний показник заломлення середовища А стосовно
Показник заломлення променя, що падає на середу з безповітряно-
го простору, називається його абсолютним показником заломлення або
просто показником заломлення цього середовища (таблиця 1).
Таблиця 1 - Показники заломлення різних середовищ
Рідина має показник заломлення в інтервалі 1.2-1,9. Тверді
речовини 13-40. Деякі мінерали не мають точного значення показників.
ля заломлення. Його величина знаходиться в деякій "вилці" і визначає-
ся присутністю домішок у кристалічній структурі, що визначає колір
кристала.
Ідентифікація мінералу за кольором скрутна. Так, мінерал корунд існує у вигляді рубіну, сапфіру, лейкосапфіру, відрізняючись по
показнику заломлення та кольору. Червоні корунди називаються рубінами
(Домішка хрому), сині безбарвні, блакитні, рожеві, жовті, зелені,
фіолетові - сапфірами (домішки кобальту, титану та ін). Світлозабарвлений-
ні сапфіри або безбарвний корунд носить назву лейкосапфір (широко
застосовується в оптиці як світлофільтр). Показник заломлення цих кри-
сталлів лежить в діапазоні 1,757-1,778 і є підставою для ідентифікації.
Малюнок 3.1 – Рубін Малюнок 3.2 – Сапфір синій
Органічні та неорганічні рідини також мають характерні значення показників заломлення, які характеризують їх як хімічні властивості.
ські сполуки та якість їх синтезу (таблиця 2):
Таблиця 2 – Показники заломлення деяких рідин при 20 °C
4.2. Рефрактометрія: поняття, принцип.
Метод дослідження речовин, заснований на визначенні показника
(коефіцієнта) заломлення (рефракції) називається рефрактометрією (від
лат. refractus - заломлений і грецьк. metreo – вимірюю). Рефрактометрія
(Рефрактометричний метод) застосовується для ідентифікації хімічних
сполук, кількісного та структурного аналізу, визначення фізико-
хімічних властивостей речовин. Принцип рефрактометрії, реалізований
у рефрактометрах Аббе, пояснюється малюнком 1.
Рисунок 1 - Принцип рефрактометрії
Призменный блок Аббе і двох прямокутних призм: висвітли-
ної та вимірювальної, складених гіпотенузними гранями. Освітлювач-
ная призма має шорстку (матову) гіпотенузну грань і призна-
чена для освітлення зразка рідини, що міститься між призмами.
Розсіяне світло проходить плоскопаралельний шар досліджуваної рідини і, переломлюючись у рідині, падає на вимірювальну призму. Вимірювальна призма виконана з оптично щільного скла (важкий флінт) та має показник заломлення більше 1,7. Тому рефрактометр Аббе вимірює величини n менші, ніж 1,7. Збільшення діапазону вимірювання показника заломлення може бути досягнуто шляхом заміни вимірювальної призми.
Досліджуваний зразок наливають на гіпотенузну грань вимірювальної призми і притискають освітлювальною призмою. При цьому між призмами залишається зазор 0,1-0,2 мм, в якому знаходиться зразок, і через
який проходить заломлюючись світло. Для вимірювання показника заломлення
використовують явище повного внутрішнього відбиття. Воно полягає в
наступному.
Якщо на межу розділу двох середовищ падають промені 1, 2, 3, то залежно-
сти від кута падіння при спостереженні за ними в середовищі заломлення буде на-
дотримуватися наявність переходу областей різного освітлення. Воно пов'язане
з падінням деякої частини світла на межу заломлення під кутом близько-
ким до 90° по відношенню до нормалі (промінь 3). (Малюнок 2).
Рисунок 2 – Зображення заломлюваних променів
Ця частина променів не відбивається і тому утворює світлішу об-
ласть при заломленні. Промені з меншими кутами відчувають і відображення
та заломлення. Тому утворюється область меншої освітленості. В об'єм-
ективі видно граничну лінію повного внутрішнього відображення, положення
якої залежить від заломлюючих властивостей зразка.
Усунення явища дисперсії (фарбування межі розділу двох областей освітленості в кольори веселки через використання в рефрактометрах Аббе складного білого світла) досягається використанням двох призм Амічі в компенсаторі, які вмонтовані в зорову трубу. Одночасно в об'єктив проектується шкала (Малюнок 3). Для аналізу достатньо 0,05мл рідини.
Малюнок 3 - Вид на окуляр рефрактометра. (Права шкала відображає
концентрацію вимірюваного компонента в промілі)
Крім аналізу однокомпонентних зразків, широко аналізуються.
двокомпонентні системи (водні розчини, розчини речовин у якому
або розчиннику). В ідеальних двокомпонентних системах (утворювальних-
ся без зміни обсягу і поляризуемості компонентів) залежність поки-
зателя заломлення від складу близька до лінійної, якщо склад виражений у
об'ємних частках (відсотках)
де: n, n1 ,n2 - показники заломлення суміші та компонентів,
V1 та V2 – об'ємні частки компонентів (V1 + V2 = 1).
Вплив температури на показник заломлення визначається двома
факторами: зміною кількості частинок рідини в одиниці об'єму та за-
висимістю поляризуемості молекул від температури. Другий фактор стано-
виться суттєвим лише за дуже велику зміну температури.
Температурний коефіцієнт показника заломлення пропорційний температурному коефіцієнту густини. Оскільки всі рідини при нагріванні розширюються, їх показники заломлення зменшуються при підвищенні температури. Температурний коефіцієнт залежить від величини температури рідини, але у невеликих температурних інтервалах може вважатися незмінним. З цієї причини більша частина рефрактометрів не має термостатування, проте в деяких конструкціях передбачено
водяне термостатування.
Лінійна екстраполяція показника заломлення за зміни температури допустима на невеликі різниці температур (10 – 20°С).
Точне визначення показника заломлення в широких температурних інтервалах здійснюється за емпіричними формулами:
nt=n0+at+bt2+…
Для рефрактометрії розчинів у широких діапазонах концентрацій
користуються таблицями чи емпіричними формулами. Залежність показу-
теля заломлення водних розчинів деяких речовин від концентрації
близька до лінійної і дозволяє визначати концентрації даних речовин у
воді в широких діапазонах концентрацій (рисунок 4) за допомогою рефракції
метрів.
Рисунок 4 - Показник заломлення деяких водних розчинів
Зазвичай n рідких і твердих тіл рефрактометрами визначають з точ-
ністю до 0,0001. Найбільш поширені рефрактометри Аббе (рисунок 5) із призмінними блоками та компенсаторами дисперсії, що дозволяють визначати nD у "білому" світлі за шкалою або цифровим індикатором.
Малюнок 5 - Рефрактометр Аббе (ІРФ-454; ІРФ-22)
ПРИМІЛКИ ПОКАЗНИК(заломлення коефіцієнт) – оптич. характеристика середовища, пов'язана з заломленням світлана межі розділу двох прозорих оптично однорідних та ізотропних середовищ при переході його з одного середовища в інше і обумовлена різницею фазових швидкостей поширення світла та в середовищах. Величина П. п., рівна відношенню цих швидкостейназ. відносним
П. п. цих середовищ. Якщо світло падає на другу плі перше середовище (де швидкість поширення світла с), то величини зв. абсолютними П. п. даних середовищ. При цьому закон заломлення може бути записаний у вигляді де-кути падіння і заломлення.
Величина абсолютного П. п. залежить від природи та будови речовини, її агрегатного стану, темп-ри, тиску та ін. При великих інтенсивностях П. п. залежить від інтенсивності світла (див. Нелінійна оптика). У ряду речовин П. п. змінюється під дією зовніш. електрич. поля ( Керра ефект- у рідинах та газах; електрооптич. ефект Поккельса- у кристалах).
Для цього середовища П. п. залежить від довжини хвилі світла l, причому в області смуг поглинання ця залежність має аномальний характер (див. Дисперсія світла). У рентг. області П. п. практично для всіх середовищ близький до 1, видимої області для рідин і твердих тіл - порядку 1,5; в ІЧ-області для низки прозорих середовищ 4,0 (Ge).
Літ.:Ландсберг Р. С., Оптика, 5 видавництва, М., 1976; Сивухін Д. Ст, Загальний курс, 2 видавництва, [т. 4] - Оптика, М., 1985. Ст. І. Малишев,
Заломлення показник
Показник заломленняречовини - величина, що дорівнює відношенню фазових швидкостей світла (електромагнітних хвиль) у вакуумі та в даному середовищі. Також про показник заломлення іноді говорять для будь-яких інших хвиль, наприклад звукових, хоча в таких випадках, як останній, визначення, звичайно, доводиться якось модифікувати.
Показник заломлення залежить від властивостей речовини і довжини хвилі випромінювання, для деяких речовин показник заломлення досить сильно змінюється при зміні частоти електромагнітних хвиль від низьких частот до оптичних і далі, а також може різкіше змінюватися в певних областях частотної шкали. За умовчанням зазвичай мають на увазі оптичний діапазон або діапазон, що визначається контекстом.
Посилання
- RefractiveIndex.INFO база даних показників заломлення
Wikimedia Foundation. 2010 .
Дивитися що таке "Показник" в інших словниках:
Відносний двох середовищ n21, безрозмірне відношення швидкостей поширення оптичного випромінювання (світла) в першій (c1) і в другій (с2) середовищах: n21 = с1/с2. Водночас відносить. П. п. є відношення синусів в го л а п д е н я j і уг л ... Фізична енциклопедія
Показник заломлення …
Показник заломлення. * * * ПЕРЕЛОМЛЕННЯ ПОКАЗНИК ПЕРЕЛОМЛЕННЯ ПОКАЗНИК, див. Енциклопедичний словник- ПОКАЗНИК ПЕРЕЛОМЛЕННЯ, величина, що характеризує середовище і дорівнює відношенню швидкості світла у вакуумі до швидкості світла в середовищі (абсолютний показник заломлення). Показник заломлення n залежить від діелектричної e та магнітної m проникності. Ілюстрований енциклопедичний словник
- (Див. ПРИМІЛКИ ПОКАЗНИК). Фізичний енциклопедичний словник. М: Радянська енциклопедія. Головний редактор А. М. Прохоров. 1983 р. … Фізична енциклопедія
Див Заломлення показник … Велика Радянська Енциклопедія
Відношення швидкості світла у вакуумі до швидкості світла у середовищі (абсолютний показник заломлення). Відносний показник заломлення 2 середовищ відношення швидкості світла в середовищі, з якого світло падає на межу розділу, до швидкості світла по другій. Великий Енциклопедичний словник
