La legge della rifrazione della luce. Indici di rifrazione assoluti e relativi (coefficienti). Riflessione interna totale

Legge di rifrazione della luce fu stabilito sperimentalmente nel XVII secolo. Quando la luce passa da un mezzo trasparente a un altro, la direzione della luce può cambiare. Il cambiamento nella direzione della luce al confine di diversi mezzi è chiamato rifrazione della luce. Come risultato della rifrazione, si verifica un apparente cambiamento nella forma dell'oggetto. (esempio: cucchiaio in un bicchiere d'acqua). Legge di rifrazione della luce: Al confine di due mezzi, il raggio rifratto giace nel piano di incidenza e forma, con la normale all'interfaccia ripristinata nel punto di incidenza, un angolo di rifrazione tale che: = n 1-incidenza, 2-riflessione, indice n-rifrattivo (f. Snelius) - relativo indicatore L'indice di rifrazione di un raggio incidente su un mezzo dallo spazio senz'aria è chiamato suo indice di rifrazione assoluto. L'angolo di incidenza al quale il raggio rifratto inizia a scivolare lungo l'interfaccia tra due mezzi senza spostarsi in un mezzo otticamente più denso – angolo limite di riflessione interna totale. Riflessione interna totale- riflessione interna, a condizione che l'angolo di incidenza superi un certo angolo critico. In questo caso l'onda incidente viene riflessa completamente e il valore del coefficiente di riflessione supera il suo massimo grandi valori per superfici lucide. La riflettanza della riflessione interna totale è indipendente dalla lunghezza d'onda. In ottica, questo fenomeno si osserva per un ampio spettro radiazioni elettromagnetiche, compresa la gamma dei raggi X. In ottica geometrica, il fenomeno è spiegato nel quadro della legge di Snell. Considerando che l'angolo di rifrazione non può superare i 90°, troviamo che per un angolo di incidenza il cui seno è maggiore del rapporto tra l'indice di rifrazione minore e l'indice maggiore, l'onda elettromagnetica deve essere completamente riflessa nel primo mezzo. Esempio: La brillantezza di molti cristalli naturali, e soprattutto di pietre preziose e semipreziose tagliate, si spiega con la riflessione interna totale, per cui ogni raggio che entra nel cristallo forma un gran numero di raggi abbastanza luminosi che emergono, colorati come un risultato della dispersione.

PER LA LEZIONE N. 24

"METODI STRUMENTALI DI ANALISI"

RIFRATTOMETRIA.

Letteratura:

1. V.D. Ponomarev" Chimica analitica» 1983 246-251

2. AA. Ishchenko “Chimica Analitica” 2004 pp. 181-184

RIFRATTOMETRIA.

La rifrattometria è uno dei metodi fisici di analisi più semplici che utilizza una quantità minima di analita e viene eseguita in tempi molto brevi.

Rifrattometria- un metodo basato sul fenomeno della rifrazione o rifrazione, ad es. cambiare la direzione di propagazione della luce nel passaggio da un mezzo all'altro.

La rifrazione, così come l'assorbimento della luce, è una conseguenza della sua interazione con il mezzo. La parola rifrattometria significa misurazione rifrazione della luce, che è stimata dal valore dell'indice di rifrazione.

Valore dell'indice di rifrazione N dipende

1) sulla composizione di sostanze e sistemi,

2) dal fatto in quale concentrazione e quali molecole incontra il raggio di luce nel suo percorso, perché Sotto l'influenza della luce, le molecole di sostanze diverse vengono polarizzate in modo diverso. È su questa dipendenza che si basa il metodo rifrattometrico.

Questo metodo presenta numerosi vantaggi, per cui ha trovato ampia applicazione sia nella ricerca chimica che nel controllo dei processi tecnologici.

1) La misurazione degli indici di rifrazione è un processo molto semplice che viene eseguito in modo accurato e con tempi e quantità di sostanza minimi.

2) Tipicamente, i rifrattometri forniscono una precisione fino al 10% nella determinazione dell'indice di rifrazione della luce e del contenuto dell'analita

Il metodo rifrattometrico viene utilizzato per controllare l'autenticità e la purezza, per identificare le singole sostanze, per determinare la struttura del materiale organico e composti inorganici quando si studiano le soluzioni. La rifrattometria viene utilizzata per determinare la composizione di soluzioni bicomponenti e per sistemi ternari.

Nozioni di base fisiche metodo

INDICE DI RIFRAZIONE.

Maggiore è la differenza nella velocità di propagazione della luce tra i due, maggiore è la deviazione di un raggio luminoso dalla sua direzione originaria quando passa da un mezzo all'altro.

questi ambienti.

Consideriamo la rifrazione di un raggio luminoso al confine di due mezzi trasparenti I e II qualsiasi (vedi Fig.). Conveniamo che il mezzo II ha un potere rifrattivo maggiore e, quindi, n1 E n2- mostra la rifrazione dei mezzi corrispondenti. Se il mezzo I non è vuoto o aria, allora il rapporto tra l'angolo sin di incidenza del raggio luminoso e l'angolo sin di rifrazione darà il valore dell'indice di rifrazione relativo n rel. Valore n rel. può anche essere definito come il rapporto tra gli indici di rifrazione dei mezzi in esame.

n rel. = ----- = ---

Il valore dell'indice di rifrazione dipende da

1) natura delle sostanze

La natura della sostanza in questo caso è determinata dal grado di deformabilità delle sue molecole sotto l'influenza della luce: il grado di polarizzabilità. Quanto più intensa è la polarizzabilità, tanto più forte è la rifrazione della luce.

2)lunghezza d'onda della luce incidente

La misurazione dell'indice di rifrazione viene effettuata ad una lunghezza d'onda della luce di 589,3 nm (linea D dello spettro del sodio).

La dipendenza dell'indice di rifrazione dalla lunghezza d'onda della luce è chiamata dispersione. Più corta è la lunghezza d'onda, maggiore è la rifrazione. Pertanto, i raggi di diverse lunghezze d'onda vengono rifratti in modo diverso.

3)temperatura , in cui viene effettuata la misurazione. Un prerequisito per determinare l'indice di rifrazione è la conformità regime di temperatura. Solitamente la determinazione viene eseguita a 20±0,3 0 C.

All’aumentare della temperatura l’indice di rifrazione diminuisce; al diminuire della temperatura aumenta..

La correzione per gli effetti della temperatura viene calcolata utilizzando la seguente formula:

n t = n 20 + (20-t) 0,0002, dove

n t – Ciao indice di rifrazione ad una data temperatura,

n 20 - indice di rifrazione a 20 0 C

L'influenza della temperatura sui valori degli indici di rifrazione dei gas e dei liquidi è associata ai valori dei loro coefficienti di dilatazione volumetrica. Il volume di tutti i gas e liquidi aumenta quando riscaldato, la densità diminuisce e, di conseguenza, l'indicatore diminuisce

L'indice di rifrazione misurato a 20 0 C e una lunghezza d'onda della luce di 589,3 nm è indicato dall'indice nD20

La dipendenza dell'indice di rifrazione di un sistema omogeneo a due componenti dal suo stato viene stabilita sperimentalmente determinando l'indice di rifrazione per un numero di sistemi standard (ad esempio soluzioni), il cui contenuto di componenti è noto.

4) concentrazione della sostanza in soluzione.

Per molti soluzione acquosa sostanze, gli indici di rifrazione a diverse concentrazioni e temperature vengono misurati in modo affidabile e in questi casi possono essere utilizzati dati di riferimento tavole rifrattometriche. La pratica dimostra che quando il contenuto della sostanza disciolta non supera il 10-20%, insieme al metodo grafico, in molti casi è possibile utilizzare equazione lineare tipo:

n=no+FC,

N- indice di rifrazione della soluzione,

NO- indice di rifrazione di un solvente puro,

C- concentrazione di soluto,%

F-coefficiente empirico, il cui valore si trova

determinando l'indice di rifrazione di soluzioni di concentrazione nota.

RIFRATTOMETRI.

I rifrattometri sono strumenti utilizzati per misurare l'indice di rifrazione. Esistono 2 tipi di questi dispositivi: rifrattometro di tipo Abbe e di tipo Pulfrich. In entrambi i casi, le misurazioni si basano sulla determinazione dell'angolo di rifrazione massimo. In pratica vengono utilizzati rifrattometri di vari sistemi: laboratorio-RL, universale RL, ecc.

L'indice di rifrazione dell'acqua distillata è n 0 = 1,33299, ma praticamente questo indicatore viene preso come riferimento come n 0 =1,333.

Il principio di funzionamento dei rifrattometri si basa sulla determinazione dell'indice di rifrazione utilizzando il metodo dell'angolo limite (angolo riflessione totale Sveta).

Rifrattometro portatile

Rifrattometro di Abbe

Aree di applicazione della rifrattometria.

Progettazione e principio di funzionamento del rifrattometro IRF-22.

Il concetto di indice di rifrazione.

Piano

Rifrattometria. Caratteristiche ed essenza del metodo.

Per identificare le sostanze e verificarne la purezza, usano

creatore di rifrazione.

Indice di rifrazione di una sostanza- misurare, uguale al rapporto velocità di fase della luce ( onde elettromagnetiche) in un ambiente vuoto e visibile.

L'indice di rifrazione dipende dalle proprietà della sostanza e dalla lunghezza d'onda

radiazioni elettromagnetiche. Rapporto tra il seno dell'angolo di incidenza rispetto a

la normale tracciata al piano di rifrazione (α) del raggio al seno dell'angolo di rifrazione

la rifrazione (β) quando un raggio passa dal mezzo A al mezzo B è chiamata indice di rifrazione relativo per questa coppia di mezzi.

Il valore n è l'indice di rifrazione relativo del mezzo B secondo

relazione all'ambiente A, e

Indicatore relativo rifrazione del mezzo A rispetto a

L'indice di rifrazione di un raggio incidente su un mezzo da un airless

lo spazio è chiamato indice di rifrazione assoluto o

semplicemente l'indice di rifrazione di un dato mezzo (Tabella 1).

Tabella 1 - Indici di rifrazione di vari mezzi

I liquidi hanno un indice di rifrazione compreso tra 1,2 e 1,9. Solido

sostanze 1.3-4.0. Alcuni minerali non hanno un valore esatto

per la rifrazione. Il suo valore è in qualche “forchetta” e determina

a causa della presenza di impurità nella struttura cristallina, che ne determinano il colore

cristallo.

L'identificazione di un minerale tramite il “colore” è difficile. Quindi il corindone minerale esiste sotto forma di rubino, zaffiro, leucosaffiro, differenziandosi per

indice di rifrazione e colore. I corindoni rossi sono chiamati rubini

(impurità di cromo), blu incolore, azzurro, rosa, giallo, verde,

viola - zaffiri (miscele di cobalto, titanio, ecc.). Di colore chiaro

gli zaffiri bianchi o il corindone incolore sono chiamati leucosaffiro (ampiamente

utilizzato in ottica come filtro). L'indice di rifrazione di questi cristalli

gli acciai rientrano nell'intervallo 1.757-1.778 ed è la base per l'identificazione

Figura 3.1 – Rubino Figura 3.2 – Zaffiro blu

I liquidi organici e inorganici hanno anche valori di indice di rifrazione caratteristici che li caratterizzano come chimici

Composti russi e qualità della loro sintesi (Tabella 2):

Tabella 2 - Indici di rifrazione di alcuni liquidi a 20 °C

4.2. Rifrattometria: concetto, principio.

Un metodo per studiare le sostanze basato sulla determinazione di un indicatore

(indice) di rifrazione (rifrazione) è chiamato rifrattometria (da

lat. refractus - rifratto e greco. metero - misuro). Rifrattometria

(metodo rifrattometrico) viene utilizzato per identificare la sostanza chimica

composti, quantitativi e analisi strutturale, definizioni di fisico

parametri chimici delle sostanze. Implementato il principio della rifrattometria

nei rifrattometri di Abbe, è illustrato nella Figura 1.

Figura 1 - Principio della rifrattometria

Il blocco prisma di Abbe è costituito da due prismi rettangolari: illuminazione

teliale e misurante, piegato dalle facce dell'ipotenusa. Illuminatore-

Questo prisma ha una faccia dell'ipotenusa ruvida (opaca) ed è previsto

chen per l'illuminazione di un campione di liquido posto tra i prismi.

La luce diffusa passa attraverso uno strato piano parallelo del liquido in esame e, essendo rifratta nel liquido, cade sul prisma di misurazione. Il prisma di misurazione è realizzato in vetro otticamente denso (selce pesante) e ha un indice di rifrazione superiore a 1,7. Per questo motivo il rifrattometro di Abbe misura n valori inferiori a 1,7. L'aumento del campo di misurazione dell'indice di rifrazione può essere ottenuto solo sostituendo il prisma di misurazione.

Il campione di prova viene versato sulla faccia dell'ipotenusa del prisma di misurazione e pressato con un prisma illuminante. In questo caso, rimane uno spazio di 0,1-0,2 mm tra i prismi in cui si trova il campione e attraverso

che attraversa la luce rifratta. Per misurare l'indice di rifrazione

utilizzare il fenomeno della riflessione interna totale. Si trova dentro

Prossimo.

Se i raggi 1, 2, 3 cadono sull'interfaccia tra due media, allora dipendono

a seconda dell'angolo di incidenza quando li osserverai nel mezzo rifrattivo sarà

C'è una transizione tra aree di diversa illuminazione. E' connesso

con una parte della luce che cade sul confine di rifrazione con un angolo vicino a

kim a 90° rispetto alla normale (raggio 3). (Figura 2).

Figura 2 – Immagine dei raggi rifratti

Questa parte dei raggi non viene riflessa e quindi forma un ambiente più luminoso.

potenza durante la rifrazione. Anche i raggi con angoli più piccoli subiscono la riflessione

e rifrazione. Pertanto, si forma un'area di minore illuminazione. In volume

La linea di confine della riflessione interna totale è visibile sull'obiettivo, la posizione

che dipende dalle proprietà di rifrazione del campione.

L'eliminazione del fenomeno della dispersione (colorazione dell'interfaccia tra due aree di illuminazione nei colori dell'arcobaleno dovuta all'uso della luce bianca complessa nei rifrattometri di Abbe) si ottiene utilizzando due prismi di Amici nel compensatore, montati nel telescopio . Allo stesso tempo, una scala viene proiettata nell'obiettivo (Figura 3). Per l'analisi sono sufficienti 0,05 ml di liquido.

Figura 3 - Vista attraverso l'oculare del rifrattometro. (La scala giusta riflette

concentrazione del componente misurato in ppm)

Oltre all'analisi di campioni monocomponenti,

sistemi bicomponenti (soluzioni acquose, soluzioni di sostanze in cui

o solvente). Nei sistemi ideali a due componenti (forming

senza modificare il volume e la polarizzabilità dei componenti), la dipendenza si evidenzia

La dipendenza della rifrazione dalla composizione è quasi lineare se la composizione è espressa in

frazioni di volume (percentuale)

dove: n, n1, n2 - indici di rifrazione della miscela e dei componenti,

V1 e V2 sono le frazioni di volume dei componenti (V1 + V2 = 1).

L'effetto della temperatura sull'indice di rifrazione è determinato da due

fattori: variazione del numero di particelle liquide per unità di volume e

la dipendenza della polarizzabilità delle molecole dalla temperatura. Il secondo fattore è diventato

diventa significativo solo con variazioni di temperatura molto grandi.

Il coefficiente di temperatura dell'indice di rifrazione è proporzionale al coefficiente di temperatura della densità. Poiché tutti i liquidi si espandono quando riscaldati, il loro indice di rifrazione diminuisce all'aumentare della temperatura. Il coefficiente di temperatura dipende dalla temperatura del liquido, ma in piccoli intervalli di temperatura può essere considerato costante. Per questo motivo, la maggior parte dei rifrattometri non dispone del controllo della temperatura, ma alcuni modelli lo forniscono

termostatazione dell'acqua.

L'estrapolazione lineare dell'indice di rifrazione con variazioni di temperatura è accettabile per piccole differenze di temperatura (10 – 20°C).

La determinazione accurata dell'indice di rifrazione in ampi intervalli di temperatura viene effettuata utilizzando formule empiriche della forma:

nt=n0+at+bt2+…

Per la rifrattometria di soluzioni in ampi intervalli di concentrazione

utilizzare tabelle o formule empiriche. Dipendenza dalla visualizzazione -

indice di rifrazione delle soluzioni acquose di alcune sostanze a seconda della concentrazione

è quasi lineare e consente di determinare le concentrazioni di queste sostanze in

acqua in ampi intervalli di concentrazione (Figura 4) utilizzando la rifrazione

tometri.

Figura 4 - Indice di rifrazione di alcune soluzioni acquose

Di solito n corpi liquidi e solidi vengono determinati con precisione mediante rifrattometri

fino a 0,0001. I più comuni sono i rifrattometri di Abbe (Figura 5) con blocchi prismatici e compensatori di dispersione, che consentono di determinare nD in luce “bianca” utilizzando una scala o un indicatore digitale.

Figura 5 - Rifrattometro di Abbe (IRF-454; IRF-22)

Biglietto 75.

Legge della riflessione della luce: il raggio incidente e quello riflesso, nonché la perpendicolare all'interfaccia tra i due mezzi, ricostruita nel punto di incidenza del raggio, giacciono sullo stesso piano (piano di incidenza). L'angolo di riflessione γ è uguale all'angolo di incidenza α.

Legge di rifrazione della luce: il raggio incidente e quello rifratto, nonché la perpendicolare all'interfaccia tra i due mezzi, ricostruita nel punto di incidenza del raggio, giacciono sullo stesso piano. Il rapporto tra il seno dell'angolo di incidenza α e il seno dell'angolo di rifrazione β è un valore costante per due dati mezzi:

Le leggi della riflessione e della rifrazione sono spiegate nella fisica delle onde. Secondo i concetti ondulatori, la rifrazione è una conseguenza dei cambiamenti nella velocità di propagazione delle onde quando passano da un mezzo all'altro. Significato fisico dell'indice di rifrazioneè il rapporto tra la velocità di propagazione delle onde nel primo mezzo υ 1 e la velocità di propagazione delle onde nel secondo mezzo υ 2:

La Figura 3.1.1 illustra le leggi di riflessione e rifrazione della luce.

Un mezzo con un indice di rifrazione assoluto inferiore è chiamato otticamente meno denso.

Quando la luce passa da un mezzo otticamente più denso a un mezzo otticamente meno denso n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать fenomeno della riflessione totale, cioè la scomparsa del raggio rifratto. Questo fenomeno si osserva ad angoli di incidenza superiori a un certo angolo critico α pr, che viene chiamato angolo limite di riflessione interna totale(vedi Fig. 3.1.2).

Per l'angolo di incidenza α = α pr sin β = 1; valore sin α pr = n 2 / n 1< 1.

Se il secondo mezzo è l'aria (n 2 ≈ 1), allora conviene riscrivere la formula nella forma

Il fenomeno della riflessione interna totale è utilizzato in molti dispositivi ottici. L'applicazione più interessante e praticamente importante è la creazione di fibre ottiche, che sono fili sottili (da diversi micrometri a millimetri) curvati arbitrariamente realizzati in materiale otticamente trasparente (vetro, quarzo). La luce incidente all'estremità della guida luminosa può percorrerla per lunghe distanze a causa della riflessione interna totale dalle superfici laterali (Figura 3.1.3). La direzione scientifica e tecnica coinvolta nello sviluppo e nell'applicazione delle guide luminose ottiche è chiamata fibra ottica.

Dispersione della luce (decomposizione della luce)- questo è un fenomeno causato dalla dipendenza dell'indice di rifrazione assoluto di una sostanza dalla frequenza (o lunghezza d'onda) della luce (dispersione di frequenza), o, la stessa cosa, dalla dipendenza della velocità di fase della luce in una sostanza dalla lunghezza d'onda (o frequenza). Fu scoperto sperimentalmente da Newton intorno al 1672, anche se teoricamente venne spiegato abbastanza bene molto più tardi.

Dispersione spazialeè detta dipendenza del tensore della costante dielettrica del mezzo dal vettore d'onda. Questa dipendenza provoca una serie di fenomeni chiamati effetti di polarizzazione spaziale.

Una delle più esempi illustrativi varianze - decomposizione della luce bianca quando passa attraverso un prisma (esperimento di Newton). L'essenza del fenomeno della dispersione è la differenza nella velocità di propagazione dei raggi luminosi di diverse lunghezze d'onda in una sostanza trasparente - un mezzo ottico (mentre nel vuoto la velocità della luce è sempre la stessa, indipendentemente dalla lunghezza d'onda e quindi dal colore). Tipicamente, maggiore è la frequenza di un'onda luminosa, maggiore è l'indice di rifrazione del mezzo e minore è la velocità dell'onda nel mezzo:

Esperimenti di Newton Esperimento sulla scomposizione della luce bianca in uno spettro: Newton diresse il raggio luce del sole attraverso un piccolo foro su un prisma di vetro. Quando colpiva il prisma, il raggio veniva rifratto e sulla parete opposta dava un'immagine allungata con un'alternanza di colori arcobaleno: uno spettro. Esperimento sul passaggio di luce monocromatica attraverso un prisma: Newton pose sul percorso di un raggio solare un vetro rosso, dietro il quale ricevette luce monocromatica (rossa), poi un prisma e osservò sullo schermo solo una macchia rossa proveniente dal raggio luminoso. Esperienza nella sintesi (produzione) della luce bianca: Innanzitutto, Newton diresse un raggio di sole su un prisma. Quindi, dopo aver raccolto i raggi colorati che emergevano dal prisma utilizzando una lente di raccolta, Newton ricevette un'immagine bianca di un foro su una parete bianca invece che di una striscia colorata. Conclusioni di Newton:- un prisma non cambia la luce, ma la scompone solo nei suoi componenti - i raggi luminosi che differiscono nel colore differiscono nel grado di rifrazione; I raggi viola si rifrangono più fortemente, quelli rossi meno forte: la luce rossa, che si rifrange meno, ha la velocità più alta, e il viola ne ha meno, motivo per cui il prisma decompone la luce. La dipendenza dell'indice di rifrazione della luce dal suo colore è chiamata dispersione.

Conclusioni:- un prisma decompone la luce - la luce bianca è complessa (composita) - i raggi viola vengono rifratti più fortemente di quelli rossi. Il colore di un raggio luminoso è determinato dalla sua frequenza di vibrazione. Passando da un mezzo all'altro, cambiano la velocità della luce e la lunghezza d'onda, ma la frequenza che determina il colore rimane costante. I confini delle gamme della luce bianca e dei suoi componenti sono solitamente caratterizzati dalle loro lunghezze d'onda nel vuoto. La luce bianca è un insieme di onde con lunghezze da 380 a 760 nm.

Biglietto 77.

Assorbimento della luce. La legge di Bouguer

L'assorbimento della luce in una sostanza è associato alla conversione dell'energia campo elettromagnetico onde nell'energia termica di una sostanza (o nell'energia della radiazione fotoluminescente secondaria). La legge dell'assorbimento della luce (legge di Bouguer) ha la forma:

Io=Io 0 esp(- X),(1)

Dove IO 0 , IO-intensità luminosa all'ingresso (x=0) e lasciando lo strato di medio spessore X, - coefficiente di assorbimento, dipende da .

Per i dielettrici  =10 -1  10 -5 M -1 , per i metalli =10 5  10 7 M -1 , Pertanto i metalli sono opachi alla luce.

Dipendenza  ( ) spiega il colore dei corpi assorbenti. Ad esempio, il vetro che assorbe scarsamente la luce rossa apparirà rosso se illuminato con luce bianca.

Diffusione della luce. La legge di Rayleigh

La diffrazione della luce può verificarsi in un mezzo otticamente disomogeneo, ad esempio in un ambiente torbido (fumo, nebbia, aria polverosa, ecc.). Diffrangendo sulle disomogeneità del mezzo, le onde luminose creano uno schema di diffrazione caratterizzato da una distribuzione di intensità abbastanza uniforme in tutte le direzioni.

Questa diffrazione per piccole disomogeneità viene chiamata dispersione della luce.

Questo fenomeno si osserva quando uno stretto raggio di luce solare passa attraverso l'aria polverosa, si disperde sulle particelle di polvere e diventa visibile.

Se le dimensioni delle disomogeneità sono piccole rispetto alla lunghezza d'onda (non più di 0,1  ), allora l'intensità della luce diffusa risulta essere inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda, cioè

IO insultare ~ 1/  4 , (2)

questa dipendenza è chiamata legge di Rayleigh.

La diffusione della luce si osserva anche in mezzi puliti che non contengono particelle estranee. Ad esempio, può verificarsi in caso di fluttuazioni (deviazioni casuali) di densità, anisotropia o concentrazione. Questo tipo di diffusione è chiamata diffusione molecolare. Spiega, ad esempio, il colore azzurro del cielo. Infatti, secondo (2), i raggi blu e blu sono diffusi più fortemente di quelli rossi e gialli, perché hanno una lunghezza d'onda più corta, causando così il colore blu del cielo.

Biglietto 78.

Polarizzazione della luce- un insieme di fenomeni di ottica ondulatoria in cui si manifesta la natura trasversale delle onde luminose elettromagnetiche. Onda trasversale- le particelle del mezzo oscillano in direzioni perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda ( Fig. 1).

Fig. 1 Onda trasversale

Onda luminosa elettromagnetica piano polarizzato(polarizzazione lineare), se le direzioni di oscillazione dei vettori E e B sono strettamente fisse e giacciono su determinati piani ( Fig. 1). Si chiama onda luminosa piana polarizzata piano polarizzato luce (polarizzata linearmente). Non polarizzato onda (naturale) - un'onda di luce elettromagnetica in cui le direzioni di oscillazione dei vettori E e B in quest'onda possono trovarsi su qualsiasi piano perpendicolare al vettore di velocità v. Luce non polarizzata- onde luminose in cui le direzioni delle oscillazioni dei vettori E e B cambiano caoticamente in modo che tutte le direzioni delle oscillazioni nei piani perpendicolari al raggio di propagazione dell'onda siano ugualmente probabili ( Fig.2).

Fig.2 Luce non polarizzata

Onde polarizzate- in cui le direzioni dei vettori E e B rimangono invariate nello spazio o cambiano secondo una certa legge. Radiazione in cui la direzione del vettore E cambia in modo caotico - non polarizzato. Un esempio di tale radiazione è la radiazione termica (atomi ed elettroni distribuiti caoticamente). Piano di polarizzazione- questo è un piano perpendicolare alla direzione delle oscillazioni del vettore E. Il meccanismo principale per il verificarsi della radiazione polarizzata è la diffusione della radiazione da parte di elettroni, atomi, molecole e particelle di polvere.

1.2. Tipi di polarizzazione Esistono tre tipi di polarizzazione. Diamo loro le definizioni. 1. Lineare Si verifica se il vettore elettrico E mantiene la sua posizione nello spazio. Sembra evidenziare il piano in cui oscilla il vettore E. 2. Circolare Si tratta di una polarizzazione che si verifica quando il vettore elettrico E ruota attorno alla direzione di propagazione dell'onda con una velocità angolare pari alla frequenza angolare dell'onda, pur mantenendo il suo valore assoluto. Questa polarizzazione caratterizza la direzione di rotazione del vettore E in un piano perpendicolare alla linea di vista. Un esempio è la radiazione ciclotronica (un sistema di elettroni che ruotano in un campo magnetico). 3. Ellittico Si verifica quando la grandezza del vettore elettrico E cambia in modo da descrivere un'ellisse (rotazione del vettore E). La polarizzazione ellittica e circolare può essere destrorsa (il vettore E ruota in senso orario guardando verso l'onda che si propaga) e sinistrorsa (il vettore E ruota in senso antiorario quando guarda verso l'onda che si propaga).

In realtà, si verifica più spesso polarizzazione parziale (onde elettromagnetiche parzialmente polarizzate). Quantitativamente, è caratterizzato da una certa quantità chiamata grado di polarizzazione R, che è definito come: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Dove Imax,Immin- la densità più alta e più bassa del flusso di energia elettromagnetica attraverso l'analizzatore (Polaroid, prisma di Nicolas...). In pratica, la polarizzazione della radiazione è spesso descritta dai parametri di Stokes (determinano i flussi di radiazione con una data direzione di polarizzazione).

Biglietto 79.

Se la luce naturale cade sull'interfaccia tra due dielettrici (ad esempio aria e vetro), parte di essa viene riflessa e parte viene rifratta e si diffonde nel secondo mezzo. Installando un analizzatore (ad esempio tormalina) nel percorso dei raggi riflessi e rifratti, ci assicuriamo che i raggi riflessi e rifratti siano parzialmente polarizzati: quando l'analizzatore viene ruotato attorno ai raggi, l'intensità della luce periodicamente aumenta e si indebolisce ( non si osserva l'estinzione completa!). Ulteriori studi hanno dimostrato che nel raggio riflesso predominano le vibrazioni perpendicolari al piano di incidenza (sono indicate da punti in Fig. 275), mentre nel raggio rifratto predominano le vibrazioni parallele al piano di incidenza (rappresentate dalle frecce).

Il grado di polarizzazione (il grado di separazione delle onde luminose con un certo orientamento del vettore elettrico (e magnetico)) dipende dall'angolo di incidenza dei raggi e dall'indice di rifrazione. Fisico scozzese D. Brewster(1781-1868) installato legge, secondo il quale all'angolo di incidenza io B (angolo di Brewster), determinato dalla relazione

(N 21 - indice di rifrazione del secondo mezzo rispetto al primo), il raggio riflesso è polarizzato piano(contiene solo vibrazioni perpendicolari al piano di incidenza) (Fig. 276). Il raggio rifratto all'angolo di incidenzaio B polarizzato al massimo, ma non completamente.

Se la luce colpisce un'interfaccia secondo l'angolo di Brewster, i raggi vengono riflessi e rifratti reciprocamente perpendicolari(tg io B = peccato io B/cos io B, N 21 = peccato io B / peccato io 2 (io 2 - angolo di rifrazione), da cui cos io B=peccato io 2). Quindi, io B + io 2 =  /2, ma io’ B= io B (legge della riflessione), quindi io’ B+ io 2 =  /2.

Il grado di polarizzazione della luce riflessa e rifratta a diversi angoli di incidenza può essere calcolato dalle equazioni di Maxwell, se teniamo conto delle condizioni al contorno del campo elettromagnetico all'interfaccia tra due dielettrici isotropi (i cosiddetti formule di Fresnel).

Il grado di polarizzazione della luce rifratta può essere notevolmente aumentato (mediante rifrazione multipla, a condizione che la luce incida ogni volta sull'interfaccia secondo l'angolo di Brewster). Se, ad esempio, per il vetro ( n= 1.53) il grado di polarizzazione del raggio rifratto è 15%, quindi dopo la rifrazione in 8-10 lastre di vetro sovrapposte l'una all'altra, la luce che emerge da tale sistema sarà quasi completamente polarizzata. Viene chiamata una tale raccolta di piatti piede. Il piede può essere utilizzato per analizzare la luce polarizzata sia durante la sua riflessione che durante la sua rifrazione.

Biglietto 79 (per Sperone)

Come dimostra l'esperienza, durante la rifrazione e la riflessione della luce, la luce rifratta e riflessa risulta essere polarizzata e la riflessione. la luce può essere completamente polarizzata ad un certo angolo di incidenza, ma incidentalmente. la luce è sempre parzialmente polarizzata e in base alle formule di Frinell si può dimostrare che la riflessione. La luce è polarizzata in un piano perpendicolare al piano di incidenza e rifratta. la luce è polarizzata in un piano parallelo al piano di incidenza.

L'angolo di incidenza al quale avviene la riflessione la luce è completamente polarizzata è chiamata angolo di Brewster L'angolo di Brewster è determinato dalla legge di Brewster: - Legge di Brewster In questo caso, l'angolo tra le riflessioni. e rifrazione. i raggi saranno uguali. Per un sistema aria-vetro, l'angolo di Brewster è uguale. Per ottenere una buona polarizzazione, ad es. , quando si rifrange la luce, vengono utilizzate molte superfici commestibili, chiamate Stop di Stoletov.

Biglietto 80.

L'esperienza dimostra che quando la luce interagisce con la materia, l'effetto principale (fisiologico, fotochimico, fotoelettrico, ecc.) è causato dalle oscillazioni del vettore, che a questo proposito viene talvolta chiamato vettore luce. Pertanto, per descrivere i modelli di polarizzazione della luce, viene monitorato il comportamento del vettore.

Il piano formato dai vettori è chiamato piano di polarizzazione.

Se le oscillazioni vettoriali si verificano su un piano fisso, tale luce (raggio) viene chiamata polarizzata linearmente. Viene convenzionalmente designato come segue. Se il raggio è polarizzato in un piano perpendicolare (nel piano xoz, vedere la fig. 2 nella seconda lezione), allora viene designato.

La luce naturale (proveniente da fonti ordinarie, il sole) è costituita da onde che hanno piani di polarizzazione diversi e distribuiti caoticamente (vedere Fig. 3).

Talvolta la luce naturale viene convenzionalmente designata come tale. È anche chiamato non polarizzato.

Se, mentre l'onda si propaga, il vettore ruota e l'estremità del vettore descrive un cerchio, allora tale luce si dice polarizzata circolarmente, e la polarizzazione si dice circolare o circolare (destra o sinistra). C'è anche la polarizzazione ellittica.

Esistono dispositivi ottici (pellicole, lastre, ecc.) - polarizzatori, che estraggono la luce polarizzata linearmente o la luce parzialmente polarizzata dalla luce naturale.

Vengono chiamati polarizzatori utilizzati per analizzare la polarizzazione della luce analizzatori.

Il piano del polarizzatore (o analizzatore) è il piano di polarizzazione della luce trasmessa dal polarizzatore (o analizzatore).

Lascia che la luce polarizzata linearmente con ampiezza cada su un polarizzatore (o analizzatore) E 0 . L'ampiezza della luce trasmessa sarà uguale a E=E 0 cos J e intensità Io=Io 0cos2 J.

Questa formula esprime Legge di Malus:

L'intensità della luce polarizzata linearmente che passa attraverso l'analizzatore è proporzionale al quadrato del coseno dell'angolo J tra il piano di oscillazione della luce incidente e il piano dell'analizzatore.

Biglietto 80 (per sperone)

I polarizzatori sono dispositivi che consentono di ottenere luce polarizzata. Gli analizzatori sono dispositivi che possono essere utilizzati per analizzare se la luce è polarizzata o meno. Strutturalmente, un polarizzatore e un analizzatore sono la stessa cosa. Zn Malus. Lasciare che l'intensità della luce cada sul polarizzatore, se la luce è naturale -th allora tutte le direzioni del vettore E sono ugualmente probabili. Ciascun vettore può essere scomposto in due componenti reciprocamente perpendicolari: una delle quali è parallela al piano di polarizzazione del polarizzatore, e l'altra è perpendicolare a Esso.

Ovviamente l'intensità della luce che esce dal polarizzatore sarà uguale. Indichiamo l'intensità della luce che esce dal polarizzatore con (). Se un analizzatore è posto sul percorso della luce polarizzata, il cui piano principale forma un angolo con il piano principale del polarizzatore, allora l'intensità della luce che esce dall'analizzatore è determinata dalla legge.

Biglietto 81.

Studiando il bagliore di una soluzione di sali di uranio sotto l'influenza dei raggi del radio, il fisico sovietico P. A. Cherenkov ha attirato l'attenzione sul fatto che anche l'acqua stessa brilla, in cui non ci sono sali di uranio. Si è scoperto che quando i raggi (vedi radiazione gamma) passano attraverso i liquidi puri, iniziano tutti a brillare. S. I. Vavilov, sotto la cui guida lavorò P. A. Cherenkov, ipotizzò che il bagliore fosse associato al movimento degli elettroni espulsi dagli atomi dai quanti di radio. In effetti, il bagliore dipendeva fortemente dalla direzione del campo magnetico nel liquido (questo suggeriva che fosse causato dal movimento degli elettroni).

Ma perché gli elettroni che si muovono in un liquido emettono luce? La risposta corretta a questa domanda fu data nel 1937 dai fisici sovietici I.E. Tamm e I.M. Frank.

Un elettrone, muovendosi in una sostanza, interagisce con gli atomi che lo circondano. Sotto la sua influenza campo elettrico gli elettroni e i nuclei atomici vengono spostati in direzioni opposte: il mezzo è polarizzato. Polarizzati e poi ritornati allo stato originale, gli atomi del mezzo situati lungo la traiettoria degli elettroni emettono onde luminose elettromagnetiche. Se la velocità dell'elettrone v è inferiore alla velocità di propagazione della luce nel mezzo (indice di rifrazione), il campo elettromagnetico supererà l'elettrone e la sostanza avrà il tempo di polarizzarsi nello spazio davanti all'elettrone. La polarizzazione del mezzo davanti e dietro l'elettrone ha direzione opposta e le radiazioni degli atomi polarizzati in modo opposto, "aggiunti", "si estinguono" a vicenda. Quando gli atomi che non sono stati ancora raggiunti da un elettrone non hanno il tempo di polarizzarsi, e la radiazione appare diretta lungo uno stretto strato conico con l'apice coincidente con l'elettrone in movimento e un angolo all'apice c. L'aspetto del "cono" di luce e lo stato della radiazione possono essere ottenuti da principi generali propagazione delle onde.

Riso. 1. Meccanismo di formazione del fronte d'onda

Lascia che l'elettrone si muova lungo l'asse OE (vedi Fig. 1) di un canale vuoto molto stretto in una sostanza trasparente omogenea con un indice di rifrazione (il canale vuoto è necessario affinché le collisioni dell'elettrone con gli atomi non vengano prese in considerazione nel considerazioni teoriche). Qualunque punto della linea OE successivamente occupato da un elettrone sarà il centro di emissione della luce. Le onde provenienti dai punti successivi O, D, E interferiscono tra loro e sono amplificate se la differenza di fase tra loro è zero (vedi Interferenza). Questa condizione è soddisfatta per una direzione che forma un angolo pari a 0 con la traiettoria dell'elettrone. L'angolo 0 è determinato dalla relazione:.

Consideriamo infatti due onde emesse in una direzione con un angolo pari a 0 rispetto alla velocità dell'elettrone da due punti della traiettoria - punto O e punto D, separati da una distanza . Nel punto B, che giace sulla linea BE, perpendicolare a OB, la prima onda - dopo il tempo Al punto F, che giace sulla linea BE, un'onda emessa dal punto arriverà nell'istante in cui l'onda è emessa dal punto O Queste due onde saranno in fase, cioè la linea retta sarà un fronte d'onda se questi tempi sono uguali:. Ciò dà la condizione di uguaglianza dei tempi. In tutte le direzioni per le quali, la luce si spegnerà a causa dell'interferenza delle onde emesse da tratti della traiettoria separati da una distanza D. Il valore di D è determinato dall'ovvia equazione, dove T è il periodo delle oscillazioni della luce. Questa equazione ha sempre una soluzione se.

Se , allora la direzione in cui le onde emesse, quando interferiscono, vengono amplificate, non esiste e non può essere maggiore di 1.

Riso. 2. Distribuzione delle onde sonore e formazione di un'onda d'urto durante il movimento del corpo

La radiazione viene osservata solo se .

Sperimentalmente, gli elettroni volano lungo un angolo solido finito, con una certa variazione di velocità e, di conseguenza, la radiazione si propaga in uno strato conico vicino alla direzione principale determinata dall'angolo.

Nella nostra considerazione, abbiamo trascurato il rallentamento degli elettroni. Ciò è abbastanza accettabile, poiché le perdite dovute alla radiazione Vavilov-Cerenkov sono piccole e, in prima approssimazione, possiamo supporre che l'energia persa dall'elettrone non influenzi la sua velocità e si muova uniformemente. Questa è la differenza fondamentale e la particolarità della radiazione Vavilov-Cherenkov. In genere, le cariche vengono emesse durante una significativa accelerazione.

Un elettrone che supera la sua luce è simile ad un aereo che vola ad una velocità superiore a quella del suono. In questo caso l'urto conico si propaga anche davanti all'aereo. onda sonora, (vedi Fig. 2).

Indice di rifrazione

Indice di rifrazione sostanze - una quantità pari al rapporto tra le velocità di fase della luce (onde elettromagnetiche) nel vuoto e in un dato mezzo. Inoltre, a volte si parla di indice di rifrazione per qualsiasi altra onda, ad esempio il suono, anche se in casi come quest'ultimo la definizione, ovviamente, deve essere modificata in qualche modo.

L'indice di rifrazione dipende dalle proprietà della sostanza e dalla lunghezza d'onda della radiazione; per alcune sostanze, l'indice di rifrazione cambia in modo piuttosto forte quando la frequenza delle onde elettromagnetiche cambia da basse frequenze a frequenze ottiche e oltre, e può anche cambiare ancora più bruscamente in alcune regioni della scala di frequenza. Il valore predefinito si riferisce solitamente alla portata ottica o alla portata determinata dal contesto.

Collegamenti

• RefractiveIndex.INFO database dell'indice di rifrazione

Fondazione Wikimedia. 2010.

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- (vedi INDICE DI RIFRAZIONE). Dizionario enciclopedico fisico. M.: Enciclopedia sovietica. Redattore capo A. M. Prokhorov. 1983... Enciclopedia fisica

Vedi Indice di rifrazione... Grande Enciclopedia Sovietica

Il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce in un mezzo (indice di rifrazione assoluto). L'indice di rifrazione relativo di 2 mezzi è il rapporto tra la velocità della luce nel mezzo da cui la luce cade sull'interfaccia e la velocità della luce nel secondo... ... Grande dizionario enciclopedico