این مقاله ماهیت چنین مفهومی از اپتیک را به عنوان ضریب شکست نشان می دهد. فرمول هایی برای به دست آوردن این مقدار داده شده است بررسی کوتاهکاربرد پدیده شکست موج الکترومغناطیسی

قابلیت دیدن و ضریب شکست

در طلوع تمدن، مردم این سوال را مطرح کردند که چشم چگونه می بیند؟ گفته شده است که شخص پرتوهایی از خود ساطع می کند که اجسام اطراف را احساس می کند یا برعکس، همه چیز چنین پرتوهایی را ساطع می کند. پاسخ به این سوال در قرن هفدهم داده شد. در اپتیک موجود است و به ضریب شکست مربوط می شود. نور با انعکاس از سطوح مختلف کدر و شکست در مرز با سطوح شفاف، فرصت دیدن را به فرد می دهد.

نور و ضریب شکست

سیاره ما در نور خورشید پوشیده شده است. و دقیقاً با ماهیت موجی فوتون ها است که مفهومی مانند ضریب شکست مطلق مرتبط است. هنگامی که فوتون در خلاء انتشار می یابد، با هیچ مانعی مواجه نمی شود. در این سیاره، نور با بسیاری از رسانه های چگال تر مواجه می شود: جو (مخلوطی از گازها)، آب، کریستال ها. به عنوان یک موج الکترومغناطیسی، فوتون های نور دارای سرعت یک فاز در خلاء هستند. ج، و در محیط - دیگری (نشان داده شده است v). نسبت اول و دوم چیزی است که ضریب شکست مطلق نامیده می شود. فرمول به این صورت است: n = c / v.

سرعت فاز

ارزش ارائه تعریفی از سرعت فاز محیط الکترومغناطیسی را دارد. در غیر این صورت بفهمید ضریب شکست چیست n، ممنوع است. فوتون نور یک موج است. بنابراین، می توان آن را به عنوان بسته ای از انرژی که در نوسان است نشان داد (بخشی از یک سینوسی را تصور کنید). فاز - این بخشی از سینوسی است که موج در یک زمان معین از آن عبور می کند (به یاد داشته باشید که این برای درک کمیتی مانند ضریب شکست مهم است).

به عنوان مثال، یک فاز می تواند حداکثر یک سینوسی یا بخشی از شیب آن باشد. سرعت فاز یک موج سرعتی است که آن فاز خاص با آن حرکت می کند. همانطور که تعریف ضریب شکست توضیح می دهد، برای خلاء و برای یک محیط، این مقادیر متفاوت است. علاوه بر این، هر محیطی ارزش خاص خود را از این کمیت دارد. هر ترکیب شفاف، هر ترکیبی که باشد، دارای ضریب شکست متفاوت با سایر مواد است.

ضریب شکست مطلق و نسبی

قبلاً در بالا نشان داده شد که قدر مطلق نسبت به خلاء اندازه گیری می شود. با این حال، این در سیاره ما دشوار است: نور بیشتر به مرز هوا و آب یا کوارتز و اسپینل برخورد می کند. برای هر یک از این رسانه ها، همانطور که در بالا ذکر شد، ضریب شکست متفاوت است. در هوا، یک فوتون نور در یک جهت حرکت می کند و یک سرعت فاز دارد (v 1)، اما وقتی وارد آب می شود، جهت انتشار و سرعت فاز (v 2) را تغییر می دهد. با این حال، هر دوی این جهت ها در یک صفحه قرار دارند. این برای درک چگونگی شکل گیری تصویر دنیای اطراف بر روی شبکیه چشم یا روی ماتریس دوربین بسیار مهم است. نسبت دو مقدار مطلق می دهد شاخص نسبیشکست. فرمول به این شکل است: n 12 \u003d v 1 / v 2.

اما اگر نور برعکس از آب خارج شده و وارد هوا شود چه؟ سپس این مقدار با فرمول n 21 = v 2 / v 1 تعیین می شود. هنگام ضرب ضرایب شکست نسبی، n 21 * n 12 \u003d (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) \u003d 1 بدست می آوریم. این نسبت برای هر جفت رسانه صادق است. ضریب شکست نسبی را می توان از سینوس های زوایای بروز و شکست n 12 = sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2 پیدا کرد. فراموش نکنید که زاویه ها از حالت عادی به سطح شمارش می شوند. عادی خطی است که بر سطح عمود باشد. یعنی اگر به مسئله زاویه داده شود α سقوط نسبت به خود سطح، سپس سینوس (90 - α) باید در نظر گرفته شود.

زیبایی ضریب شکست و کاربردهای آن

در یک روز آفتابی آرام، تابش خیره کننده در پایین دریاچه بازی می کند. یخ آبی تیره سنگ را پوشانده است. روی دست یک زن، یک الماس هزاران جرقه می پراکند. این پدیده ها نتیجه این واقعیت است که تمام مرزهای رسانه شفاف دارای ضریب شکست نسبی هستند. علاوه بر لذت زیبایی شناختی، می توان از این پدیده برای کاربردهای عملی نیز استفاده کرد.

در اینجا چند نمونه آورده شده است:

• یک عدسی شیشه ای پرتو را جمع می کند نور خورشیدو علف ها را به آتش می کشد.
• پرتو لیزر بر روی اندام بیمار متمرکز شده و بافت غیر ضروری را قطع می کند.
• نور خورشید بر روی یک پنجره شیشه ای رنگی باستانی شکسته می شود و فضای خاصی ایجاد می کند.
• میکروسکوپ جزئیات بسیار کوچک را بزرگ می کند
• لنزهای اسپکتروفتومتر نور لیزر منعکس شده از سطح ماده مورد مطالعه را جمع آوری می کنند. بنابراین، درک ساختار و سپس خواص مواد جدید امکان پذیر است.
• حتی پروژه ای برای یک کامپیوتر فوتونیک وجود دارد که در آن اطلاعات نه از طریق الکترون ها، همانطور که اکنون وجود دارد، بلکه توسط فوتون ها منتقل می شود. برای چنین دستگاهی قطعاً به عناصر انکساری نیاز خواهد بود.

طول موج

با این حال، خورشید نه تنها در طیف مرئی، فوتون های ما را تامین می کند. محدوده اشعه مادون قرمز، فرابنفش و اشعه ایکس توسط دید انسان درک نمی شود، اما بر زندگی ما تأثیر می گذارد. پرتوهای IR ما را گرم نگه می دارند، فوتون های UV اتمسفر بالایی را یونیزه می کنند و گیاهان را قادر می سازند تا از طریق فتوسنتز اکسیژن تولید کنند.

و اینکه ضریب شکست برابر است نه تنها به موادی که مرز بین آنها قرار دارد، بلکه به طول موج تابش فرودی نیز بستگی دارد. معمولاً از زمینه مشخص می شود که به کدام ارزش اشاره می شود. یعنی اگر کتاب اشعه ایکس و تاثیر آن بر روی انسان را در نظر گرفته باشد، پس nدر آنجا برای این محدوده تعریف شده است. اما معمولاً منظور از طیف مرئی امواج الکترومغناطیسی است، مگر اینکه طور دیگری مشخص شده باشد.

ضریب شکست و بازتاب

همانطور که از مطالب بالا مشخص شد، ما در مورد محیط های شفاف صحبت می کنیم. به عنوان مثال، هوا، آب، الماس را ذکر کردیم. اما چوب، گرانیت، پلاستیک چطور؟ آیا چیزی به نام ضریب شکست برای آنها وجود دارد؟ پاسخ پیچیده است، اما به طور کلی بله.

اول از همه باید در نظر بگیریم که با چه نوع نوری سروکار داریم. آن دسته از محیط‌هایی که برای فوتون‌های مرئی کدر هستند، توسط اشعه ایکس یا تابش گاما بریده می‌شوند. یعنی اگر همه ما ابرمرد بودیم، پس کل دنیای اطراف ما برای ما شفاف بود، اما به درجات مختلف. به عنوان مثال، دیوارهای ساخته شده از بتن از ژله متراکم تر نیستند و اتصالات فلزی مانند قطعات میوه متراکم تر به نظر می رسند.

برای ذرات بنیادی دیگر، میون ها، سیاره ما به طور کلی از طریق و از طریق شفاف است. در یک زمان، دانشمندان برای اثبات واقعیت وجود خود مشکلات زیادی به همراه داشتند. میون ها در هر ثانیه میلیون ها ما را سوراخ می کنند، اما احتمال برخورد یک ذره منفرد با ماده بسیار کم است و رفع آن بسیار دشوار است. به هر حال، بایکال به زودی به مکانی برای "گرفتن" میون تبدیل خواهد شد. آب عمیق و شفاف آن برای این کار ایده آل است - به خصوص در زمستان. نکته اصلی این است که سنسورها یخ نمی زنند. بنابراین، ضریب شکست بتن، به عنوان مثال، برای فوتون های اشعه ایکس منطقی است. علاوه بر این، تابش اشعه ایکس به یک ماده یکی از دقیق ترین و مهم ترین روش ها برای مطالعه ساختار کریستال ها است.

همچنین شایان ذکر است که از نظر ریاضی، موادی که برای یک محدوده معین مات هستند دارای ضریب شکست خیالی هستند. در نهایت، باید درک کرد که دمای یک ماده نیز می تواند بر شفافیت آن تأثیر بگذارد.

قانون شکست نور. ضرایب (ضرایب) انکسار مطلق و نسبی. بازتاب داخلی کل

قانون شکست نوربه طور تجربی در قرن 17 تاسیس شد. هنگامی که نور از یک محیط شفاف به محیط دیگر عبور می کند، جهت نور می تواند تغییر کند. تغییر جهت نور در مرز رسانه های مختلف را شکست نور می نامند. دانایی انکسار یک تغییر ظاهری در شکل یک جسم است. (مثال: یک قاشق در یک لیوان آب). قانون شکست نور: در مرز دو محیط، پرتو شکسته در صفحه تابش قرار دارد و با عادی به سطح مشترک در نقطه تابش، زاویه ای از شکست به گونه ای تشکیل می شود که: = n 1- سقوط، 2 بازتاب، n ضریب شکست (f. Snelius) - شاخص نسبیضریب شکست پرتوی که از فضای بدون هوا به محیطی برخورد می کند، آن نامیده می شود شاخص مطلقانکسارزاویه تابش که در آن پرتو شکسته شروع به لغزش در امتداد سطح مشترک بین دو رسانه بدون انتقال به محیط نوری متراکم تر می کند - زاویه محدود کننده بازتاب داخلی کل بازتاب داخلی کل- بازتاب داخلی، مشروط بر اینکه زاویه تابش از یک زاویه بحرانی معین تجاوز کند. در این حالت، موج فرودی به طور کامل منعکس می شود و مقدار ضریب بازتاب از بالاترین مقادیر آن برای سطوح صیقلی فراتر می رود. ضریب بازتاب برای بازتاب داخلی کل به طول موج بستگی ندارد. در اپتیک، این پدیده برای طیف گسترده ای از تابش الکترومغناطیسی، از جمله محدوده اشعه ایکس مشاهده می شود. در اپتیک هندسی، این پدیده بر اساس قانون اسنل توضیح داده می شود. با توجه به اینکه زاویه انکسار نمی تواند از 90 درجه تجاوز کند، به این نتیجه می رسیم که در زاویه تابشی که سینوس آن بزرگتر از نسبت ضریب شکست کوچکتر به ضریب بالاتر، موج الکترومغناطیسی باید به طور کامل در محیط اول منعکس شود. مثال: درخشش درخشان بسیاری از کریستال های طبیعی، و به خصوص سنگ های قیمتی و نیمه قیمتی با وجه، با بازتاب کلی داخلی توضیح داده می شود، در نتیجه هر پرتویی که وارد کریستال می شود، تعداد زیادی پرتوهای نسبتاً درخشان را تشکیل می دهد که به رنگ های زیر در می آیند. نتیجه پراکندگی

درس 25/III-1 انتشار نور در رسانه های مختلف. شکست نور در سطح مشترک بین دو رسانه.

یادگیری مطالب جدید.

تا به حال، ما انتشار نور را در یک محیط، طبق معمول - در هوا در نظر گرفته‌ایم. نور می تواند در رسانه های مختلف منتشر شود: حرکت از یک رسانه به رسانه دیگر. در نقاط فرود، پرتوها نه تنها از سطح منعکس می شوند، بلکه تا حدی از آن عبور می کنند. چنین انتقالی باعث بسیاری از پدیده های زیبا و جالب می شود.

تغییر جهت انتشار نوری که از مرز دو محیط عبور می کند، شکست نور نامیده می شود.

بخشی از پرتو نوری که روی رابط بین دو رسانه شفاف تابیده می شود منعکس می شود و بخشی به محیط دیگری می رود. در این حالت جهت پرتو نور که به محیط دیگری رفته است تغییر می کند. بنابراین، پدیده را شکست، و پرتو را شکسته می گویند.

1 - پرتو فرود

2 - پرتو منعکس شده

3 - پرتو شکسته α β

OO 1 - مرز بین دو رسانه

MN - عمود بر O O 1

زاویه ایجاد شده توسط پرتو و عمود بر سطح مشترک بین دو محیط، که تا نقطه فرود پرتو کاهش می یابد، زاویه شکست نامیده می شود. γ (گاما).

نور در خلاء با سرعت 300000 کیلومتر بر ثانیه حرکت می کند. در هر محیطی، سرعت نور همیشه کمتر از خلاء است. بنابراین وقتی نور از محیطی به محیط دیگر می‌گذرد، سرعت آن کاهش می‌یابد و دلیل شکست نور نیز همین است. هر چه سرعت انتشار نور در یک محیط معین کمتر باشد، چگالی نوری این محیط بیشتر است. به عنوان مثال، هوا چگالی نوری بالاتری نسبت به خلاء دارد، زیرا سرعت نور در هوا تا حدودی کمتر از خلاء است. چگالی نوری آب بیشتر از چگالی نوری هوا است، زیرا سرعت نور در هوا بیشتر از آب است.

هر چه چگالی نوری دو رسانه بیشتر متفاوت باشد، نور بیشتری در سطح مشترک آنها شکست می شود. هر چه سرعت نور در سطح مشترک بین دو رسانه بیشتر تغییر کند، بیشتر شکسته می شود.

برای هر ماده شفاف چنین مهمی وجود دارد ویژگی فیزیکی، به عنوان ضریب شکست نور nاین نشان می دهد که چند برابر سرعت نور در یک ماده معین کمتر از خلاء است.

ضریب شکست

نسبت بین زاویه تابش و زاویه شکست به چگالی نوری هر محیط بستگی دارد. اگر یک پرتو نور از محیطی با چگالی نوری کمتر به محیطی با چگالی نوری بالاتر عبور کند، زاویه شکست کوچکتر از زاویه تابش خواهد بود. اگر یک پرتو نور از محیطی با چگالی نوری بالاتر عبور کند، آنگاه زاویه شکست کوچکتر از زاویه تابش خواهد بود. اگر یک پرتو نور از محیطی با چگالی نوری بالاتر به محیطی با چگالی نوری کمتر عبور کند، زاویه شکست بزرگتر از زاویه تابش است.

یعنی اگر n 1 باشد γ; اگر n 1 >n 2 , آنگاه α<γ.

قانون شکست نور :

پرتو فرودی، پرتو شکسته و عمود بر سطح مشترک بین دو محیط در نقطه برخورد پرتو در یک صفحه قرار دارند.

نسبت های زاویه تابش و زاویه شکست با فرمول تعیین می شود.

جایی که سینوس زاویه تابش است، سینوس زاویه شکست است.

مقدار سینوس ها و مماس ها برای زوایای 0 - 900

قانون شکست نور اولین بار توسط ستاره شناس و ریاضیدان هلندی دبلیو اسنلیوس در حدود سال 1626، استاد دانشگاه لیدن (1613) فرموله شد.

برای قرن شانزدهم، اپتیک یک علم فوق مدرن بود.از یک توپ شیشه ای پر از آب که به عنوان عدسی استفاده می شد، یک ذره بین به وجود آمد. و از آن یک شیشه جاسوسی و یک میکروسکوپ اختراع کردند. در آن زمان هلند برای مشاهده ساحل و فرار به موقع از دست دشمنان به تلسکوپ نیاز داشت. این اپتیک بود که موفقیت و قابلیت اطمینان ناوبری را تضمین می کرد. بنابراین، در هلند، دانشمندان زیادی به اپتیک علاقه داشتند. اسکل ون روین (Snelius) هلندی مشاهده کرد که چگونه یک پرتو نازک نور در یک آینه منعکس می شود. او زاویه تابش و زاویه انعکاس را اندازه گرفت و دریافت که زاویه انعکاس برابر با زاویه تابش است. او همچنین صاحب قوانین بازتاب نور است. او قانون شکست نور را استنباط کرد.

قانون شکست نور را در نظر بگیرید.

در آن - ضریب شکست نسبی محیط دوم نسبت به اولی، در صورتی که دومی دارای چگالی نوری بالایی باشد. اگر نور شکسته شود و از محیطی با چگالی نوری کمتر عبور کند، α< γ, тогда

اگر محیط اول خلاء است، n 1 = 1 سپس .

این ضریب ضریب شکست مطلق محیط دوم نامیده می شود:

سرعت نور در خلاء کجاست، سرعت نور در یک محیط معین.

نتیجه انکسار نور در جو زمین این واقعیت است که ما خورشید و ستارگان را کمی بالاتر از موقعیت واقعی خود می بینیم. شکست نور می تواند وقوع سراب، رنگین کمان را توضیح دهد ... پدیده شکست نور اساس اصل عملکرد دستگاه های نوری عددی است: میکروسکوپ، تلسکوپ، دوربین.

کار آزمایشگاهی

شکست نور. اندازه گیری ضریب شکست یک مایع

با رفرکتومتر

هدف، واقعگرایانه: تعمیق افکار در مورد پدیده شکست نور. مطالعه روش های اندازه گیری ضریب شکست محیط های مایع. مطالعه اصل کار با رفرکتومتر.

تجهیزات: انکسارسنج، محلول های نمکی، پیپت، پارچه نرم برای پاک کردن قسمت های نوری دستگاه ها.

تئوری

قوانین بازتاب و شکست نور. ضریب شکست.

در سطح مشترک بین رسانه ها، نور جهت انتشار خود را تغییر می دهد. بخشی از انرژی نور به محیط اول باز می گردد، یعنی. نور منعکس می شود. اگر محیط دوم شفاف باشد، بخشی از نور، تحت شرایط خاص، از رابط بین رسانه عبور می کند و به عنوان یک قاعده، جهت انتشار را تغییر می دهد. این پدیده را شکست نور می نامند. (عکس. 1).

برنج. 1. انعکاس و شکست نور در سطح مشترک بین دو رسانه.

جهت پرتوهای منعکس شده و شکسته شده در طول عبور نور از یک رابط مسطح بین دو محیط شفاف توسط قوانین بازتاب و شکست نور تعیین می شود.

قانون بازتاب نور.پرتو منعکس شده در همان صفحه با پرتو فرودی قرار دارد و حالت عادی به صفحه رابط در نقطه تابش باز می گردد. زاویه تابش برابر با زاویه انعکاس
.

قانون شکست نور.پرتو شکسته در همان صفحه با پرتو فرودی قرار دارد و نرمال به صفحه رابط در نقطه تابش باز می گردد. نسبت سینوس زاویه تابش α به سینوس زاویه شکست β یک مقدار ثابت برای این دو محیط وجود دارد که به آن ضریب شکست نسبی محیط دوم نسبت به اولی می گویند:

ضریب شکست نسبی دو رسانه برابر است با نسبت سرعت نور در محیط اول v1 به سرعت نور در محیط دوم v2:

اگر نور از خلاء به یک محیط برود، ضریب شکست محیط نسبت به خلاء را ضریب شکست مطلق این محیط می نامند و برابر با نسبت سرعت نور در خلاء است. بابه سرعت نور در یک محیط معین v:

ضریب شکست مطلق همیشه بزرگتر از یک است. برای هوا nبه عنوان یک واحد گرفته شده است.

ضریب شکست نسبی دو محیط را می توان بر حسب ضرایب مطلق آنها بیان کرد n 1 و n 2 :

تعیین ضریب شکست مایع

برای تعیین سریع و راحت ضریب شکست مایعات، ابزارهای نوری خاصی - شکست سنج ها وجود دارد که بخش اصلی آن دو منشور است (شکل 2): کمکی و غیره. یکیو اندازه گیری مثال 2.مایع آزمایش در شکاف بین منشورها ریخته می شود.

هنگام اندازه گیری شاخص ها می توان از دو روش استفاده کرد: روش پرتو چرا (برای مایعات شفاف) و روش بازتاب داخلی کل (برای محلول های تیره، کدر و رنگی). در این اثر از اولین آنها استفاده شده است.

در روش پرتو چرا، نور از یک منبع خارجی از صورت عبور می کند ABمنشورها مثال 1،روی سطح مات آن پخش می شود ACو سپس از طریق لایه مایع مورد بررسی به داخل منشور نفوذ می کند مثال 2.سطح مات به منبع پرتوهای از همه جهات تبدیل می شود، بنابراین می توان آن را از طریق صورت مشاهده کرد Eاف منشورها مثال 2.با این حال، خط ACرا می توان از طریق مشاهده کرد Eاففقط در زاویه ای بیشتر از برخی از حداقل زاویه های محدود کننده من. مقدار این زاویه منحصراً به ضریب شکست مایع واقع بین منشورها مربوط می شود که اتفاقاً ایده اصلی طراحی انکسارسنج خواهد بود.

عبور نور از یک صورت را در نظر بگیرید EFمنشور اندازه گیری پایین تر مثال 2.همانطور که در شکل دیده میشود. 2، با اعمال دو برابر قانون شکست نور، می توانیم دو رابطه بدست آوریم:

(1)

(2)

با حل این سیستم معادلات، به راحتی می توان به این نتیجه رسید که ضریب شکست مایع

(3)

به چهار مقدار بستگی دارد: س, r, r 1 و من. با این حال، همه آنها مستقل نیستند. مثلا،

r+ س= آر , (4)

جایی که آر - زاویه شکست منشور مثال 2. علاوه بر این، با تنظیم زاویه سحداکثر مقدار 90 درجه است، از رابطه (1) به دست می آوریم:

(5)

اما حداکثر مقدار زاویه r , همانطور که از شکل مشاهده می شود. 2 و روابط (3) و (4) با حداقل مقادیر زوایا مطابقت دارند من و r 1 , آن ها من دقیقه و r دقیقه .

بنابراین، ضریب شکست مایع در مورد پرتوهای "سرخوردن" فقط به زاویه مربوط می شود. من. در این مورد، حداقل مقدار زاویه وجود دارد من, زمانی که لبه ACهنوز مشاهده می شود، یعنی در میدان دید، به نظر می رسد سفید آینه ای است. برای زوایای دید کوچکتر، لبه قابل مشاهده نیست و در میدان دید این مکان سیاه به نظر می رسد. از آنجایی که تلسکوپ ابزار یک منطقه زاویه ای نسبتاً وسیع را می گیرد، مناطق نور و سیاه به طور همزمان در میدان دید مشاهده می شوند که مرز بین آنها با حداقل زاویه مشاهده مطابقت دارد و به طور واضح با ضریب شکست مایع مرتبط است. با استفاده از فرمول محاسبه نهایی:

(نتیجه گیری آن حذف شده است) و تعدادی مایع با ضریب انکسار شناخته شده، می توان دستگاه را کالیبره کرد، یعنی یک تناظر یک به یک بین ضریب شکست مایعات و زاویه برقرار کرد. من دقیقه . تمام فرمول های فوق برای پرتوهایی با هر طول موجی مشتق شده اند.

نور با طول موج های مختلف با در نظر گرفتن پراکندگی منشور شکست می شود. بنابراین، هنگامی که منشور با نور سفید روشن می شود، رابط کاربری تار شده و به دلیل پراکندگی در رنگ های مختلف رنگ می شود. بنابراین، هر رفرکتومتر دارای یک جبران کننده است که به شما امکان می دهد نتیجه پراکندگی را از بین ببرید. این می تواند از یک یا دو منشور دید مستقیم - منشورهای آمیسی تشکیل شود. هر منشور آمیسی از سه منشور شیشه ای با ضریب شکست متفاوت و پراکندگی متفاوت تشکیل شده است، به عنوان مثال منشورهای بیرونی از شیشه تاج و منشور میانی از شیشه سنگ چخماق ساخته شده است (شیشه تاج و شیشه سنگ چخماق از انواع شیشه هستند). با چرخاندن منشور جبران کننده با کمک یک دستگاه خاص، تصویر واضح و بی رنگی از رابط به دست می آید که موقعیت آن مطابق با مقدار ضریب شکست خط سدیم زرد است. λ \u003d 5893 Å (منشورها به گونه ای طراحی شده اند که پرتوهای با طول موج 5893 Å انحراف را در آنها تجربه نکنند).

پرتوهایی که از جبران کننده عبور کرده اند وارد هدف تلسکوپ می شوند، سپس از منشور معکوس از طریق چشمی تلسکوپ به چشم ناظر می گذرند. سیر شماتیک پرتوها در شکل نشان داده شده است. 3.

مقیاس انکسارسنج از نظر ضریب شکست و غلظت محلول ساکارز در آب کالیبره شده و در صفحه کانونی چشمی قرار دارد.

بخش تجربی

وظیفه 1. بررسی رفرکتومتر.

نور را با آینه به سمت منشور کمکی رفرکتومتر بگیرید. با بلند کردن منشور کمکی، چند قطره آب مقطر را روی منشور اندازه گیری پیپت کنید. با پایین آوردن منشور ثانویه، بهترین روشنایی میدان دید را به دست آورید و چشمی را طوری تنظیم کنید که خطوط متقاطع و مقیاس ضریب شکست به وضوح دیده شوند. با چرخاندن دوربین منشور اندازه گیری، مرز نور و سایه را در میدان دید بدست آورید. با چرخاندن سر جبران کننده به حذف رنگ مرز نور و سایه برسید. مرز نور و سایه را با نقطه ضربدری تراز کنید و ضریب شکست آب را اندازه بگیرید n ism . اگر رفرکتومتر کار می کند، برای آب مقطر مقدار باید باشد n 0 = 1.333، اگر قرائت ها با این مقدار متفاوت است، باید تصحیح را تعیین کنید Δn= n ism - 1.333 که در ادامه کار با رفرکتومتر باید در نظر گرفته شود. اصلاحات را در جدول 1 انجام دهید.

میز 1.

وظیفه 2. تعیین ضریب شکست یک مایع.

با در نظر گرفتن تصحیح یافت شده، ضریب شکست محلول های با غلظت های شناخته شده را تعیین کنید.

جدول 2.

با توجه به نتایج به دست آمده، وابستگی ضریب شکست محلول های کلرید سدیم را به غلظت رسم کنید. در مورد وابستگی n به C نتیجه گیری کنید. نتیجه گیری در مورد دقت اندازه گیری بر روی یک رفرکتومتر.

محلول نمکی با غلظت نامعلوم بگیرید از جانب ایکس , ضریب شکست آن را تعیین کنید و غلظت محلول را از نمودار بیابید.

محل کار را تمیز کنید، منشورهای رفرکتومترها را با یک پارچه تمیز مرطوب به دقت پاک کنید.

سوالات تستی

انعکاس و شکست نور.

ضریب شکست مطلق و نسبی محیط.

اصل عملکرد رفرکتومتر. روش تیر کشویی.

سیر شماتیک پرتوها در یک منشور. چرا منشورهای جبران کننده مورد نیاز هستند؟

انتشار، بازتاب و شکست نور

ماهیت نور الکترومغناطیسی است. یکی از شواهد این موضوع، همزمانی سرعت امواج الکترومغناطیسی و نور در خلاء است.

در یک محیط همگن، نور در یک خط مستقیم منتشر می شود. این عبارت قانون انتشار مستقیم نور نامیده می شود. یک اثبات تجربی این قانون، سایه های تیز ناشی از منابع نقطه ای نور است.

خط هندسی که جهت انتشار نور را نشان می دهد پرتو نور نامیده می شود. در یک محیط همسانگرد، پرتوهای نور عمود بر جبهه موج هدایت می شوند.

مکان نقاط محیطی که در یک فاز نوسان می کنند، سطح موج و مجموعه نقاطی که نوسان به یک نقطه زمانی معین رسیده است، جبهه موج نامیده می شود. بسته به نوع جبهه موج، امواج صفحه و کروی متمایز می شوند.

برای توضیح روند انتشار نور از اصل کلی نظریه موج در مورد حرکت جبهه موج در فضا که توسط فیزیکدان هلندی H. Huygens ارائه شده است استفاده می شود. طبق اصل هویگنز، هر نقطه از محیطی که تحریک نور به آن می رسد، مرکز امواج ثانویه کروی است که با سرعت نور نیز منتشر می شوند. پوشش سطحی جبهه‌های این امواج ثانویه موقعیت جلوی موج در حال انتشار را در آن لحظه از زمان نشان می‌دهد.

تمایز بین پرتوهای نور و پرتوهای نور ضروری است. پرتو نور بخشی از یک موج نوری است که انرژی نور را در یک جهت معین حمل می کند. هنگام جایگزینی یک پرتو نور با پرتو نوری که آن را توصیف می کند، باید مورد دوم را با محور نسبتاً باریک، اما دارای عرض محدود (ابعاد مقطع بسیار بزرگتر از طول موج) در نظر گرفت.

پرتوهای نوری واگرا، همگرا و شبه موازی وجود دارد. اصطلاحات پرتو پرتوهای نور یا به سادگی پرتوهای نور اغلب استفاده می شود، به این معنی که مجموعه ای از پرتوهای نوری که یک پرتو نور واقعی را توصیف می کنند.

سرعت نور در خلاء c = 3 108 m/s یک ثابت جهانی است و به فرکانس بستگی ندارد. برای اولین بار سرعت نور به روش نجومی توسط دانشمند دانمارکی O. Romer تعیین شد. A. Michelson سرعت نور را با دقت بیشتری اندازه گیری کرد.

سرعت نور در ماده کمتر از خلاء است. نسبت سرعت نور در خلاء به سرعت آن در یک محیط معین را ضریب شکست مطلق محیط می نامند:

جایی که c سرعت نور در خلاء است، v سرعت نور در یک محیط معین است. ضریب شکست مطلق همه مواد بیشتر از واحد است.

هنگامی که نور در یک محیط منتشر می شود، جذب و پراکنده می شود و در سطح مشترک بین رسانه منعکس و شکست می شود.

قانون انعکاس نور: پرتو فرودی، پرتو بازتاب شده و عمود بر سطح مشترک بین دو محیط، بازیابی شده در نقطه برخورد پرتو، در یک صفحه قرار دارند. زاویه بازتاب g برابر با زاویه تابش a است (شکل 1). این قانون با قانون انعکاس امواج با هر طبیعتی مطابقت دارد و می توان آن را به عنوان یک نتیجه از اصل هویگنس به دست آورد.

قانون شکست نور: پرتو فرودی، پرتو شکست و عمود بر سطح مشترک بین دو محیط، بازیابی شده در نقطه تابش پرتو، در یک صفحه قرار دارند. نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست برای فرکانس معین نور یک مقدار ثابت است که ضریب شکست نسبی محیط دوم نسبت به اولی نامیده می شود:

قانون تثبیت شده تجربی شکست نور بر اساس اصل هویگنس توضیح داده شده است. بر اساس مفاهیم موج، شکست نتیجه تغییر در سرعت انتشار موج در طول انتقال از یک محیط به محیط دیگر است و معنای فیزیکی ضریب شکست نسبی نسبت سرعت انتشار موج در محیط اول v1 به سرعت انتشار آنها در محیط دوم

برای محیط های با ضریب شکست مطلق n1 و n2، ضریب شکست نسبی محیط دوم نسبت به اولی برابر است با نسبت ضریب شکست مطلق محیط دوم به ضریب شکست مطلق محیط اول:

محیطی که ضریب شکست بالاتری دارد از نظر نوری متراکم تر نامیده می شود، سرعت انتشار نور در آن کمتر است. اگر نور از یک محیط نوری متراکم تر به یک محیط نوری با چگالی کمتر عبور کند، در یک زاویه تابش معین a0 زاویه شکست باید برابر p/2 شود. شدت پرتو شکست در این حالت برابر با صفر می شود. فرود نور در رابط بین دو رسانه به طور کامل از آن منعکس می شود.

زاویه تابش a0 که در آن بازتاب داخلی کل نور رخ می دهد، زاویه محدود بازتاب داخلی کل نامیده می شود. در تمام زوایای تابش برابر یا بیشتر از a0، بازتاب کلی نور رخ می دهد.

مقدار زاویه محدود کننده از رابطه بدست می آید اگر n2 = 1 (خلاء)، پس

2 ضریب شکست یک ماده مقداری است برابر با نسبت سرعت فاز نور (امواج الکترومغناطیسی) در خلاء و در یک محیط معین. آنها همچنین در مورد ضریب شکست برای هر موج دیگری، به عنوان مثال، صدا صحبت می کنند

ضریب شکست به خواص ماده و طول موج تابش بستگی دارد، برای برخی از مواد ضریب شکست به شدت تغییر می کند زمانی که فرکانس امواج الکترومغناطیسی از فرکانس های پایین به نوری و فراتر از آن تغییر می کند، و همچنین می تواند در برخی موارد به شدت تغییر کند. مناطق مقیاس فرکانس پیش فرض معمولاً محدوده نوری یا محدوده تعیین شده توسط زمینه است.

مواد ناهمسانگرد نوری وجود دارند که در آنها ضریب شکست به جهت و قطبش نور بستگی دارد. چنین موادی بسیار رایج هستند، به ویژه، اینها همه بلورهایی با تقارن کافی از شبکه کریستالی و همچنین موادی هستند که در معرض تغییر شکل مکانیکی قرار می گیرند.

ضریب شکست را می توان به عنوان ریشه حاصل ضرب مغناطیسی و گذردهی محیط بیان کرد.

(باید در نظر گرفت که مقادیر نفوذپذیری مغناطیسی و شاخص گذردهی مطلق برای محدوده فرکانس مورد علاقه - به عنوان مثال، نوری، می تواند بسیار متفاوت از مقدار استاتیک این مقادیر باشد).

برای اندازه گیری ضریب شکست از شکست سنج های دستی و اتوماتیک استفاده می شود. هنگامی که از رفرکتومتر برای تعیین غلظت قند در محلول آبی استفاده می شود، دستگاه را ساخاریمتر می نامند.

نسبت سینوس زاویه تابش () پرتو به سینوس زاویه شکست () در هنگام انتقال پرتو از محیط A به محیط B را ضریب شکست نسبی برای این جفت رسانه می گویند.

کمیت n ضریب شکست نسبی محیط B نسبت به محیط A است، an" = 1/n ضریب شکست نسبی محیط A نسبت به محیط B است.

این مقدار، ceteris paribus، معمولاً زمانی که پرتو از یک محیط چگال تر به یک محیط کم تراکم تر عبور می کند کمتر از واحد است و زمانی که پرتو از یک محیط با چگالی کمتر به یک محیط چگال تر (مثلاً از یک گاز یا گاز یا گاز یا گاز یا گاز) عبور می کند، بیشتر از واحد است. از خلاء به مایع یا جامد). در این قاعده استثنائاتی وجود دارد، و بنابراین مرسوم است که یک رسانه را از نظر نوری بیشتر یا کمتر از دیگری چگالی می نامیم (با چگالی نوری به عنوان معیاری از شفافیت یک رسانه اشتباه گرفته نشود).

پرتوی که از فضای بدون هوا بر روی سطح محیط B می افتد، شدیدتر از زمانی که از محیط A دیگر روی آن می افتد، شکست می شود. ضریب شکست پرتویی که از فضای بدون هوا به محیطی برخورد می کند، ضریب شکست مطلق آن یا به سادگی ضریب شکست این محیط نامیده می شود، این همان ضریب شکست است که در ابتدای مقاله تعریف آن ارائه شده است. ضریب شکست هر گاز، از جمله هوا، در شرایط عادی بسیار کمتر از ضریب شکست مایعات یا جامدات است، بنابراین، تقریباً (و با دقت نسبتاً خوبی) می توان ضریب شکست مطلق را از روی ضریب شکست نسبت به هوا قضاوت کرد.

برنج. 3. اصل عملکرد رفرکتومتر تداخلی. یک پرتو نور به گونه‌ای تقسیم می‌شود که دو قسمت آن از کووت‌هایی به طول l پر از مواد با ضریب شکست متفاوت عبور می‌کند. در خروجی از سلول، پرتوها تفاوت مسیر مشخصی را به دست می آورند و با کنار هم قرار گرفتن، تصویری از حداکثر و حداقل تداخل با دستور k (به صورت شماتیک در سمت راست نشان داده شده است) را روی صفحه نمایش می دهند. تفاوت در ضرایب شکست Dn=n2 –n1 =kl/2 که l طول موج نور است.

انکسارسنج ها دستگاه هایی هستند که برای اندازه گیری ضریب شکست مواد مورد استفاده قرار می گیرند. اصل عملکرد یک انکسارسنج بر اساس پدیده بازتاب کل است. اگر یک پرتو پراکنده نور روی سطح مشترک دو محیط با ضریب شکست و از یک محیط نوری متراکم‌تر بیفتد، با شروع از یک زاویه تابش مشخص، پرتوها وارد محیط دوم نمی‌شوند، بلکه به طور کامل از سطح مشترک منعکس می‌شوند. اولین رسانه این زاویه را زاویه محدود بازتاب کل می نامند. شکل 1 رفتار پرتوها را در هنگام سقوط به جریان معینی از این سطح نشان می دهد. پرتو در یک زاویه محدود می رود. از قانون شکست می توانید تعیین کنید:، (زیرا).

زاویه محدود کننده به ضریب شکست نسبی دو محیط بستگی دارد. اگر پرتوهای منعکس شده از سطح به یک عدسی همگرا هدایت شوند، در صفحه کانونی عدسی می توان مرز نور و نیم سایه را دید و موقعیت این مرز به مقدار زاویه محدود و در نتیجه بستگی دارد. ، روی ضریب شکست. تغییر در ضریب شکست یکی از رسانه ها مستلزم تغییر در موقعیت رابط است. مرز بین نور و سایه می تواند به عنوان یک شاخص در تعیین ضریب شکست، که در شکست سنج ها استفاده می شود، عمل کند. این روش برای تعیین ضریب شکست، روش بازتاب کل نامیده می شود.

علاوه بر روش بازتاب کل، رفرکتومترها از روش پرتو چرا استفاده می کنند. در این روش، یک پرتو نور پراکنده از یک محیط کم تراکم نوری در تمام زوایای ممکن به مرز برخورد می کند (شکل 2). پرتو در امتداد سطح ()، مربوط به - زاویه محدود شکست (پرتو در شکل 2) است. اگر عدسی را در مسیر پرتوهای شکسته شده () روی سطح قرار دهیم، در صفحه کانونی عدسی نیز مرز تیز بین نور و سایه را خواهیم دید.

برنج. 2

از آنجایی که شرایط تعیین کننده مقدار زاویه محدود در هر دو روش یکسان است، موقعیت رابط یکسان است. هر دو روش معادل هستند، اما روش بازتاب کل به شما امکان می دهد ضریب شکست مواد مات را اندازه گیری کنید.

مسیر پرتوها در یک منشور مثلثی

شکل 9 بخشی از یک منشور شیشه ای را با صفحه ای عمود بر لبه های جانبی آن نشان می دهد. پرتو در منشور به سمت قاعده منحرف می شود و در وجوه OA و 0B شکست می خورد. زاویه j بین این وجوه را زاویه انکسار منشور می نامند. زاویه انحراف q تیر به زاویه شکست منشور j، ضریب شکست n ماده منشور و زاویه تابش a بستگی دارد. می توان آن را با استفاده از قانون شکست (1.4) محاسبه کرد.

انکسارسنج از منبع نور سفید استفاده می کند 3. به دلیل پراکندگی زمانی که نور از منشورهای 1 و 2 عبور می کند، مرز بین نور و سایه رنگی می شود. برای جلوگیری از این امر، یک جبران کننده 4 در جلوی عدسی تلسکوپ قرار می گیرد که از دو منشور یکسان تشکیل شده است که هر کدام از سه منشور با ضریب شکست متفاوت به هم چسبیده اند. منشورها به گونه ای انتخاب می شوند که یک پرتو تک رنگ با طول موج = 589.3 میکرومتر. (طول موج خط زرد سدیم) پس از عبور از جبران کننده انحراف آزمایش نشد. پرتوهایی با طول موج های دیگر توسط منشورها در جهات مختلف منحرف می شوند. با حرکت دادن منشورهای جبران کننده به کمک یک دسته مخصوص، مرز بین نور و تاریکی تا حد امکان واضح می شود.

پرتوهای نور پس از عبور از جبران کننده، به عدسی 6 تلسکوپ می افتند. تصویر رابط نور-سایه از طریق چشمی 7 تلسکوپ مشاهده می شود. در عین حال، مقیاس 8 از طریق چشمی مشاهده می شود. از آنجایی که زاویه محدود انکسار و زاویه محدود انعکاس کل به ضریب شکست مایع بستگی دارد، مقادیر این ضریب شکست بلافاصله بر روی نمودار نشان داده می شود. مقیاس رفرکتومتر

سیستم نوری انکسارسنج همچنین حاوی یک منشور دوار 5 است. این امکان را به شما می دهد تا محور تلسکوپ را عمود بر منشورهای 1 و 2 قرار دهید که رصد را راحت تر می کند.