Оптика является одним из старых разделов физики. Со времен античной Греции, многих философов интересовали законы движения и распространения света в разных прозрачных материалах, таких как вода, стекло, алмаз и воздух. В данной статье рассмотрено явление преломления света, акцентировано внимание на показателе преломления воздуха.
Эффект преломления светового луча
Каждый в своей жизни сталкивался сотни раз с проявлением этого эффекта, когда смотрел на дно водоема или на стакан с водой с помещенным в него каким-нибудь предметом. При этом водоем казался не таким глубоким, каким он являлся на самом деле, а предметы в стакане с водой выглядели деформированными или изломанными.
Явление преломления заключается в изломе его прямолинейной траектории, когда он пересекает поверхность раздела двух прозрачных материалов. Обобщая большое количество данных экспериментов, в начале XVII века голландец Виллеброрд Снелл получил математическое выражение, которое точно описывало это явление. Это выражение принято записывать в следующем виде:
n 1 *sin(θ 1) = n 2 *sin(θ 2) = const.
Здесь n 1 , n 2 - абсолютные показатели преломления света в соответствующем материале, θ 1 и θ 2 - углы между падающим и преломленным лучами и перпендикуляром к плоскости раздела сред, который проведен через точку пересечения луча и этой плоскости.
Эта формула носит название закона Снелла или Снелла-Декарта (именно француз записал ее в представленном виде, голландец же использовал не синусы, а единицы длины).
Помимо этой формулы, явление преломления описывается еще одним законом, который носит геометрический характер. Он заключается в том, что отмеченный перпендикуляр к плоскости и два луча (преломленный и падающий) лежат в одной плоскости.
Абсолютный показатель преломления
Эта величина входит в формулу Снелла, и ее значение играет важную роль. Математически показателю преломления n соответствует формула:
Символ c - это скорость электромагнитных волн в вакууме. Она составляет приблизительно 3*10 8 м/с. Величина v - это скорость движения света в среде. Таким образом, показатель преломления отражает величину замедления света в среде по отношению к безвоздушному пространству.
Из формулы выше следует два важных вывода:
- величина n всегда больше 1 (для вакуума она равна единице);
- это безразмерная величина.
Например, показатель преломления воздуха равен 1,00029, а для воды он составляет 1,33.
Показатель преломления не является величиной постоянной для конкретной среды. Он зависит от температуры. Более того, для каждой частоты электромагнитной волны он имеет свое значение. Так, приведенные выше цифры соответствуют температуре 20 o C и желтой части видимого спектра (длина волны - около 580-590 нм).
Зависимость величины n от частоты света проявляется в разложении белого света призмой на ряд цветов, а также в образовании радуги на небе во время проливного дождя.
Показатель преломления света в воздухе
Выше уже было приведено его значение (1,00029). Поскольку показатель преломления воздуха отличается лишь в четвертом знаке после запятой от нуля, то для решения практических задач его можно считать равным единице. Небольшое отличие n для воздуха от единицы говорит о том, что свет практически не замедляется молекулами воздуха, что связано с его относительно невысокой плотностью. Так, среднее значение плотности воздуха 1,225 кг/м 3 , то есть он в более чем 800 раз легче пресной воды.
Воздух - это оптически неплотная среда. Сам процесс замедления скорости света в материале носит квантовый характер и связан с актами поглощения и испускания фотонов атомами вещества.
Изменение состава воздуха (например, повышение содержания в нем водяного пара) и изменение температуры приводят к существенным изменениям показателя преломления. Ярким примером является эффект миража в пустыне, который возникает из-за различия показателей преломления воздушных слоев с разными температурами.
Граница раздела стекло - воздух
Стекло является гораздо более плотной средой, чем воздух. Его абсолютный показатель преломления лежит в пределах от 1,5 до 1,66 в зависимости от сорта стекла. Если взять среднее значение 1,55, тогда преломление луча на границе воздух - стекло можно рассчитать по формуле:
sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1,55.
Величина n 21 называется относительным показателем преломления воздух - стекло. Если же луч выходит из стекла в воздух, тогда следует пользоваться следующей формулой:
sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1/1,55 = 0,645.
Если угол преломленного луча в последнем случае будет равен 90 o , тогда ему соответствующий, называется критическим. Для границы стекло - воздух он равен:
θ 1 = arcsin(0,645) = 40,17 o .
Если луч будет падать на границу стекло - воздух с большими углами, чем 40,17 o , то он отразится полностью назад в стекло. Это явление так и называется "полное внутреннее отражение".
Критический угол существует только при движении луча из плотной среды (из стекла в воздух, но не наоборот).
Преломление света - явление, при котором луч света, переходя из одной среды в другую, изменяет направление на границе этих сред.
Преломление света происходит по следующему закону:
Падающий и преломленный лучи и перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред:
,
где α
- угол падения,
β
- угол преломления,
n
- постоянная величина, не зависящая от угла падения.
При изменении угла падения изменяется и угол преломления. Чем больше угол падения, тем больше угол преломления.
Если свет идет из среды оптически менее плотной в более плотную среду, то угол преломления всегда меньше угла падения: β < α.
Луч света, направленный перпендикулярно к границе раздела двух сред, проходит из одной среды в другую без преломления.
абсолютный показатель преломления вещества
- величина, равная отношению фазовых скоростей света (электромагнитных волн) в вакууме и в данной среде n=c/v
Величина n, входящая в закон преломления, называется относительным показателем преломления для пары сред.
Величина n есть относительный показатель преломления среды В по отношению к среде А, а n" = 1/n есть относительный показатель преломления среды А по отношению к среде В.
Эта величина при прочих равных условиях больше единицы при переходе луча из среды более плотной в среду менее плотную, и меньше единицы при переходе луча из среды менее плотной в среду более плотную (например, из газа или из вакуума в жидкость или твердое тело). Есть исключения из этого правила, и потому принято называть среду оптически более или менее плотной, чем другая.
Луч, падающий из безвоздушного пространства на поверхность какой-нибудь среды В, преломляется сильнее, чем при падении на нее из другой среды А; показатель преломления луча, падающего на среду из безвоздушного пространства, называется его абсолютным показателем преломления.
(Абсолютный - относительно вакуума.
Относительный - относительно любого другого вещества (того же воздуха, например).
Относительный показатель двух веществ есть отношение их абсолютных показателей.)
Полное внутреннее отражение - внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. Коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.
В оптике это явление наблюдается для широкого спектра электромагнитного излучения, включая рентгеновский диапазон.
В геометрической оптике явление объясняется в рамках закона Снелла. Учитывая, что угол преломления не может превышать 90°, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего показателя преломления к большему показателю, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.
В соответствии с волновой теорией явления, электромагнитная волна всё же проникает во вторую среду - там распространяется так называемая «неоднородная волна», которая экспоненциально затухает и энергию с собой не уносит. Характерная глубина проникновения неоднородной волны во вторую среду порядка длины волны.
Законы преломления света.
Из всего сказанного заключаем:
1 . На границе раздела двух сред различной оптической плотности луч света при переходе из одной среды в другую меняет своё направление.
2. При переходе луча света в среду с большей оптической плотностью угол преломления меньше угла падения; при переходе луча света из оптически более плотной среды в среду менее плотную угол преломления больше угла падения.
Преломление света сопровождается отражением, причём с увеличением угла падения яркость отражённого пучка возрастает, а преломлённого ослабевает. Это можно увидеть проводя опыт, изображённом на рисунке. Следовательно, отражённый пучок уносит с собой тем больше световой энергии, чем больше угол падения.
Пусть MN -граница раздела двух про зрачных сред, например, воздуха и воды, АО -падающий луч, ОВ - преломленный луч, -угол падения, -угол преломления, -скорость распространения света в первой среде, - скорость распространения света во второй среде.
ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЬ
(преломления коэффициент)
- оптич. характеристика среды, связанная с преломлением света
на границе
раздела двух прозрачных оптически однородных и изотропных сред при переходе
его из одной среды в другую и обусловленная различием фазовых скоростей распространения
света
и в средах.
Величина П. п., равная отношению этих скоростейназ.
относительным
П. п. этих сред. Если свет падает на вторую пли
первую среду из (где скорость распространения света с)
, то величинынназ.
абсолютными П. п. данных сред. При этом
а закон преломления может быть записан в виде
где и-
углы падения и преломления.
Величина абсолютного П. п. зависит от природы
и строения вещества, его агрегатного состояния, темп-ры, давления и др. При
больших интенсивностях П. п. зависит от интенсивности света (см. Нелинейная
оптика)
. У ряда веществ П. п. изменяется под действием внеш. электрич. поля
(Керра эффект
- в жидкостях и газах; электрооптич. Поккельса эффект
- в кристаллах).
Для данной среды П. п. зависит от длины волны
света l, причём в области полос поглощения эта зависимость носит аномальный
характер (см. Дисперсия света
).В рентг. области П. п. практически для
всех сред близок к 1, в видимой области для жидкостей и твёрдых тел - порядка
1,5; в ИК-области для ряда прозрачных сред
4,0 (для Ge).
Характеризуются двумя П. п.:
обыкновенным
(аналогично изотропным средам) и -
необыкновенным, величина к-рого зависит от угла падения луча и, следовательно,
направления распространения света в среде (см. Кристаллооптика
).Для
сред, обладающих поглощением (в частности, для металлов), П. п. является комплексной
величиной и может быть представлен в виде где
га - обычный П. п., -
показатель поглощения (см. Поглощение света, Металлооптика)
.
П. п. является макроскопич. характеристикой среды
и связан с её диэлектрической проницаемостью
н
магн. проницаемостью 
Классич. электронная теория (см. Дисперсия
света
)позволяет связать величину П. п. с микроскопич. характеристиками
среды - электронной поляризуемостью
атома (или молекулы)
зависящей от природы атомов и частоты света, и среды:
где N
- число атомов в единице объёма.
Действующее на атом (молекулу) электрич. полесветовой
волны вызывает смещение оптич. электрона из положения равновесия; атом приобретает
индуциров. дипольный момент
изменяющийся во времени с частотой падающего света, и является источником вторичных
когерентных волн, к-рые. интерферируя с падающей на среду волной, образуют результирующую
световую волну, распространяющуюся в среде с фазовой скоростьюи
потому
Интенсивность обычных (не лазерных) источников
света относительно невелика, напряжённость электрич. полясветовой
волны, действующего на атом, много меньше внутриатомных электрич. полей, и электрон
в атоме можно рассматривать как гармонич. осциллятор.
В этом приближении величина
и П. п.
Являются величинами постоянными (на данной частоте), не зависящими от интенсивности
света. В интенсивных световых потоках, создаваемых мощными лазерами, величина
электрич. поля световой волны может быть соизмерима с внутриатомными элект-рич.
полями и модель гармония, осциллятора оказывается неприемлемой. Учёт ангармоничности
сил в системе электрон - атом приводит к зависимости поляризуемости атомаа
следовательно и П. п., от интенсивности света. Связь межу иоказывается
нелинейной; П. п. может быть представлен в виде
Где - П. п.
при малых интенсивностях света;
(обычно принятое обозначение) - нелинейная добавка к П. п., или коэф. нелинейности.
П. п. зависит
от природы среды, напр. для силикатных стёкол
На П. п. влияет высокая интенсивность ещё и в результате эффекта электрострикции , изменяющего плотность среды, высокочастотного для анизотропных молекул (в жидкости), а также в результате повышения темп-ры, вызванного поглощением
Преломление или рефракция - это явление, при котором происходит изменение направленности луча света, или иных волн, когда они переходят границу, разделяющую две среды, как прозрачные (пропускающие эти волны), так и внутри среды, в которой непрерывно изменяются свойства.
С явлением преломления мы сталкиваемся довольно часто и воспринимаем обыденным явлением: можем увидеть, что палочка, находящаяся в прозрачном стакане с окрашенной жидкостью, «переломлена» в месте раздела воздуха и воды (рис. 1). При преломлении и отражении света во время дождя мы радуемся, увидев радугу (рис. 2).
Показатель преломления - важная характеристика вещества, связанная с его физико-химическими свойствами. Он находится в зависимости от значений температур, а также от длины световых волн, при которых проводится определение. По данным контроля качества в растворе на показатель преломления влияет концентрация растворенного в нем вещества, а также природа растворителя. В частности, на показатель преломления кровяной сыворотки влияет количество белка, содержащегося в ней.Это происходит из-за того, что при разной скорости распространения световых лучей в средах, имеющих различную плотность, их направление изменяется в месте раздела двух сред. Если мы разделим световую скорость в вакууме на световую скорость в исследуемом веществе, получится показатель преломления абсолютный (индекс рефракции). Практически определяется показатель преломления относительный (n ), представляющий собой отношение световой скорости в воздухе к световой скорости в исследуемом веществе.
Количественно показатель преломления определяют, используя специальный прибор - рефрактометр.
Рефрактометрия - один из наиболее легких методов физического анализа и может применяться в лабораториях контроля качества при производстве химической, пищевой, биологически активных добавок к пище , косметической и других видов продукции с минимальными затратами времени и количества исследуемых проб.
Конструкция рефрактометра основана на том, что лучи света полностью отражаются, когда переходят через границу двух сред (одна из них – это призма из стекла, другая – исследуемый раствор) (рис. 3).
 |
| Рис. 3. Схема рефрактометра |
От источника (1) световой луч падает на зеркальную поверхность (2), затем, отражаясь, переходит в верхнюю призму осветительную (3), потом в нижнюю призму измерительную (4), которая изготовлена из стекла, обладающего большим показателем преломления. Между призмами (3) и (4) с помощью капилляра наносят 1–2 капельки пробы. Чтобы не нанести призме механических повреждений, необходимо не касаться капилляром ее поверхности.
В окуляр (9) видят поле с перекрещенными линиями, чтобы установить границу раздела. Перемещая окуляр, точку пересечения полей нужно совместить с границей раздела (рис. 4).Плоскость призмы (4) играет роль границы раздела, на поверхности которой преломляется световой луч. Так как лучи рассеиваются, граница света и тени получается расплывчатой, радужной. Это явление устраняется компенсатором дисперсии (5). Затем луч пропускается объективом (6) и призмой (7). На пластине (8) имеются штрихи визирные (две прямые линии, пересеченные крестообразно), а также шкала с показателями преломления, которая наблюдается в окуляр (9). По ней и отсчитывается показатель преломления.
Линия раздела границ полей будет соответствовать углу внутреннего полного отражения, зависящего от показателя преломления пробы.
Рефрактометрия применяется с целью установления чистоты и подлинности вещества. Этот метод применяется также, чтобы при контроле качества определить концентрацию веществ в растворах, которую вычисляют по градуировочному графику (график, показывающий зависимость показателя преломления пробы от ее концентрации).
В компании «КоролёвФарм» показатель преломления определяется согласно утвержденной нормативной документации при входном контроле сырья , в экстрактах собственного производства , а также при выпуске готовой продукции. Определение производится квалифицированными сотрудниками аккредитованной физико-химической лаборатории с помощью рефрактометра ИРФ – 454 Б2М.
Если по результатам входного контроля сырья показатель преломления не соответствует необходимым требованиям, отделом контроля качества оформляется Акт о несоответствии, на основании которого данная партия сырья возвращается поставщику.
Методика определения
1. Перед началом измерений проверяется чистота поверхностей призм, соприкасающихся между собой.
2. Проверка точки нуля. На поверхность призмы измерительной наносим 2÷3 капли воды дистиллированной, осторожно закрываем призмой осветительной. Открываем осветительное окошко и, применяя зеркало, устанавливаем световой источник в наиболее интенсивном направлении. Вращая винты окуляра, получаем в его поле зрения четкое, резкое разграничение темного и светлого полей. Вращаем винт и наводим линию тени и света так, чтобы она совпала с точкой, в которой пересекаются линии в верхнем окошке окуляра. На вертикальной линии в нижнем окошке окуляра видим нужный результат – показатель преломления воды дистиллированной при 20 ° С (1,333). Если показания другие, устанавливаем винтом показатель преломления на значение 1,333, и с помощью ключа (снять винт регулировочный) приводим границу тени и света к месту точки пересечения линий.
 |
3. Определяем коэффициент преломления. Приподнимаем камеру призмы осветительной и бумагой фильтровальной или салфеткой марлевой снимаем воду. Далее наносим 1-2 капли испытуемого раствора на поверхность призмы измерительной и закрываем камеру. Вращаем винты до момента, пока границы тени и света не совпадут с точкой пересечения линий. На вертикальной линии в нижнем окошке окуляра видим нужный результат – показатель преломления исследуемой пробы. Производим подсчет коэффициента преломления по шкале в нижнем окошке окуляра.
4. Используя градуировочный график, устанавливаем взаимосвязь между концентрацией раствора и показателем преломления. Чтобы построить график необходимо приготовить стандартные растворы нескольких концентраций, используя препараты химически чистых веществ, измерить их показатели преломления и отложить полученные значения на оси ординат, на оси абсцисс отложить соответствующие концентрации растворов. Необходимо выбирать интервалы концентраций, при которых между концентрацией и показателем преломления наблюдается зависимость линейная. Измеряем показатель преломления исследуемой пробы и с помощью графика определяем его концентрацию.
Области применения рефрактометрии.
Устройство и принцип действия рефрактометра ИРФ-22.
Понятие показателя преломления.
План
Рефрактометрия. Характеристика и сущность метода.
Для идентификации веществ и проверки их чистоты используют пока-
затель преломления.
Показатель преломления вещества - величина, равная отношению фазовых скоростей света (электромагнитных волн) в вакууме и виданной среде.
Показатель преломления зависит от свойств вещества и длины волны
электромагнитного излучения. Отношение синуса угла падения относительно
нормали, проведенной к плоскости преломления (α) луча к синусу угла пре-
ломления (β) при переходе луча из среды A в среду B называется относи-тельным показателем преломления для этой пары сред.
Величина n есть относительный показатель преломления среды В по
отношению к среде А, а
Относительный показатель преломления среды А по отношению к
Показатель преломления луча, падающего на среду из безвоздушно-
го пространства, называется его абсолютным показателем преломления или
просто показателем преломления данной среды (таблица 1).
Таблица 1 - Показатели преломления различных сред
Жидкости имеют показатель преломления в интервале 1.2-1,9. Твердые
вещества 1,3-4,0. Некоторые минералы не имеют точного значения показате-
ля преломления. Его величина находится в некоторой «вилке» и определяет-
ся присутствием примесей в кристаллической структуре, что определяет цвет
кристалла.
Идентификация минерала по «цвету» затруднительна. Так, минерал корунд существует в виде рубина, сапфира, лейкосапфира, отличаясь по
показателю преломления и цвету. Красные корунды называются рубинами
(примесь хрома), синие бесцветные, голубые, розовые, желтые, зеленые,
фиолетовые - сапфирами (примеси кобальта, титана и др). Светлоокрашен-
ные сапфиры или бесцветный корунд носит название лейкосапфир (широко
применяется в оптике как светофильтр). Показатель преломления этих кри-
сталлов лежит в диапазоне 1,757-1,778 и является основанием для идентифи-
Рисунок 3.1 – Рубин Рисунок 3.2 - Сапфир синий
Органические и неорганические жидкости также имеют характерные значения показателей преломления, которые характеризуют их как химиче-
ские соединения и качество их синтеза (таблица 2):
Таблица 2 - Показатели преломления некоторых жидкостей при 20 °C
4.2. Рефрактометрия: понятие, принцип.
Метод исследования веществ, основанный на определении показателя
(коэффициента) преломления (рефракции) называется рефрактометрией (от
лат. refractus - преломленный и греч. metreo – измеряю). Рефрактометрия
(рефрактометрический метод) применяется для идентификации химических
соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-
химических параметров веществ. Принцип рефрактометрии, реализованный
в рефрактометрах Аббе, поясняется рисунком 1.
Рисунок 1 - Принцип рефрактометрии
Призменный блок Аббе состоит из двух прямоугольных призм: освети-
тельной и измерительной, сложенных гипотенузными гранями. Осветитель-
ная призма имеет шероховатую (матовую) гипотенузную грань и предназна-
чена для освещения образца жидкости, помещаемого между призмами.
Рассеянный свет проходит плоскопараллельный слой исследуемой жидкости и, преломляясь в жидкости падает на измерительную призму. Измерительная призма выполнена из оптически плотного стекла (тяжелый флинт) и имеет показатель преломления больше 1,7. По этой причине рефрактометр Аббе измеряет величины n меньшие, чем 1,7. Увеличение диапазона измерения показателя преломления может быть достигнуто только путем замены измерительной призмы.
Исследуемый образец наливают на гипотенузную грань измеритель-ной призмы и прижимают осветительной призмой. При этом между призмами остается зазор 0,1-0,2 мм в котором находится образец, и через
который проходит преломляясь свет. Для измерения показателя преломления
используют явление полного внутреннего отражения. Оно заключается в
следующем.
Если на границу раздела двух сред падают лучи 1, 2, 3, то в зависимо-
сти от угла падения при наблюдении за ними в среде преломления будет на-
блюдаться наличие перехода областей различной освещенности. Оно связано
с падением некоторой части света на границу преломления под углом близ-
ким к 90° по отношению к нормали (луч 3). (Рисунок 2).
Рисунок 2 – Изображение преломляемых лучей
Эта часть лучей не отражается и поэтому образует более светлую об-
ласть при преломлении. Лучи с меньшими углами испытывают и отражение
и преломление. Поэтому образуется область меньшей освещенности. В объ-
ективе видна граничная линия полного внутреннего отражения, положение
которой зависит от преломляющих свойств образца.
Устранение явления дисперсии (окрашивания границы раздела двух областей освещенности в цвета радуги из-за использования в рефрактометрах Аббе сложного белого света) достигается использованием двух призм Амичи в компенсаторе, которые вмонтированы в зрительную трубу. Одновременно в объектив проецируется шкала (Рисунок 3). Для анализа достаточно 0,05 мл жидкости.
Рисунок 3 - Вид в окуляр рефрактометра. (Правая шкала отражает
концентрацию измеряемого компонента в промилле)
Помимо анализа однокомпонентных образцов широко анализируются
двухкомпонентные системы (водные растворы, растворы веществ в каком
либо растворителе). В идеальных двухкомпонентных системах (образующих-
ся без изменения объема и поляризуемости компонентов) зависимость пока-
зателя преломления от состава близка к линейной, если состав выражен в
объемных долях (процентах)
где: n, n1 ,n2 - показатели преломления смеси и компонентов,
V1 и V2 - объемные доли компонентов (V1 + V2 = 1).
Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя
факторами: изменением количества частиц жидкости в единице объема и за-
висимостью поляризуемости молекул от температуры. Второй фактор стано-
вится существенным лишь при очень большом изменении температуры.
Температурный коэффициент показателя преломления пропорционален температурному коэффициенту плотности. Поскольку все жидкости при нагревании расширяются, то их показатели преломления уменьшаются при повышении температуры. Температурный коэффициент зависит от величины температуры жидкости, но в небольших температурных интервалах может считаться постоянным. По этой причине большая часть рефрактометров не имеет термостатирования, однако в некоторых конструкциях предусмотрено
водное термостатирование.
Линейная экстраполяция показателя преломления при изменении температуры допустима на небольшие разности температур (10 – 20°С).
Точное определение показателя преломления в широких температурных интервалах производится по эмпирическим формулам вида:
nt=n0+at+bt2+…
Для рефрактометрии растворов в широких диапазонах концентраций
пользуются таблицами или эмпирическими формулами. Зависимость показа-
теля преломления водных растворов некоторых веществ от концентрации
близка к линейной и позволяет определять концентрации данных веществ в
воде в широких диапазонах концентраций (рисунок 4) с помощью рефрак-
тометров.
Рисунок 4 - Показатель преломления некоторых водных растворов
Обычно n жидких и твердых тел рефрактометрами определяют с точ-
ностью до 0,0001. Наиболее распространены рефрактометры Аббе (рисунок 5) с призменными блоками и компенсаторами дисперсии, позволяющие определять nD в "белом" свете по шкале или цифровому индикатору.
Рисунок 5 - Рефрактометр Аббе (ИРФ-454; ИРФ-22)