Fysikkens love spiller en meget vigtig rolle, når man udfører beregninger for at planlægge en specifik strategi for produktionen af ethvert produkt, eller når man udarbejder et projekt til konstruktion af strukturer til forskellige formål. Der beregnes mange mængder, så der foretages målinger og beregninger inden planlægningsarbejdet påbegyndes. For eksempel er brydningsindekset for glas lig med forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen og sinus for brydningsvinklen.
Så først er der processen med at måle vinklerne, derefter beregnes deres sinus, og først derefter kan den ønskede værdi opnås. På trods af tilgængeligheden af tabeldata er det værd at udføre yderligere beregninger hver gang, da opslagsbøger ofte bruger ideelle forhold, som er næsten umulige at opnå i det virkelige liv. Derfor vil indikatoren i virkeligheden nødvendigvis adskille sig fra tabellen, og i nogle situationer er dette af grundlæggende betydning.
Absolut indikator
Det absolutte brydningsindeks afhænger af glasmærket, da der i praksis er et stort antal muligheder, der adskiller sig i sammensætning og grad af gennemsigtighed. I gennemsnit er den 1,5 og svinger omkring denne værdi med 0,2 i den ene eller anden retning. I sjældne tilfælde kan der være afvigelser fra dette tal.
Igen, hvis en nøjagtig indikator er vigtig, kan yderligere målinger ikke undgås. Men de giver heller ikke et 100% pålideligt resultat, da den endelige værdi vil blive påvirket af solens position på himlen og skyet på måledagen. Heldigvis er det i 99,99% af tilfældene nok blot at vide, at brydningsindekset for et materiale som glas er større end en og mindre end to, og alle andre tiendedele og hundrededele er ligegyldige.
På fora, der hjælper med at løse fysikproblemer, dukker spørgsmålet ofte op: hvad er brydningsindekset for glas og diamant? Mange mennesker tror, at da disse to stoffer ligner hinanden i udseende, så burde deres egenskaber være omtrent de samme. Men dette er en misforståelse.
Den maksimale brydning af glas vil være omkring 1,7, mens denne indikator for diamant når 2,42. Denne ædelsten er et af de få materialer på Jorden, hvis brydningsindeks overstiger 2. Dette skyldes dens krystallinske struktur og det høje niveau af spredning af lysstråler. Snittet spiller en minimal rolle i ændringer i tabelværdien.
Relativ indikator
Den relative indikator for nogle miljøer kan karakteriseres som følger:
- - glasets brydningsindeks i forhold til vand er ca. 1,18;
- - brydningsindekset for det samme materiale i forhold til luft er lig med 1,5;
- - brydningsindeks i forhold til alkohol - 1.1.
Målinger af indikatoren og beregninger af den relative værdi udføres i henhold til en velkendt algoritme. For at finde en relativ parameter skal du dividere en tabelværdi med en anden. Eller lav eksperimentelle beregninger for to miljøer, og opdel derefter de opnåede data. Sådanne operationer udføres ofte i laboratoriefysikklasser.
Bestemmelse af brydningsindeks
Bestemmelse af brydningsindekset for glas i praksis er ret vanskeligt, fordi højpræcisionsinstrumenter er nødvendige for at måle de indledende data. Enhver fejl vil stige, da beregningen bruger komplekse formler, der kræver fravær af fejl.
Generelt viser denne koefficient, hvor mange gange lysstrålernes udbredelseshastighed bremses, når de passerer gennem en bestemt forhindring. Derfor er det kun typisk for gennemsigtige materialer. Gassernes brydningsindeks tages som referenceværdien, det vil sige som en enhed. Dette blev gjort, så det var muligt at tage udgangspunkt i en eller anden værdi, når man lavede beregninger.
Hvis en solstråle falder på overfladen af glas med et brydningsindeks, der er lig med tabelværdien, kan det ændres på flere måder:
- 1. Lim en film ovenpå, hvis brydningsindeks vil være højere end glas. Dette princip bruges ved toning af bilruder for at forbedre passagerernes komfort og give føreren et bedre overblik over trafikforholdene. Filmen vil også hæmme ultraviolet stråling.
- 2. Mal glasset med maling. Det gør producenter af billige solbriller, men det er værd at overveje, at dette kan være skadeligt for synet. I gode modeller produceres glasset straks farvet ved hjælp af en speciel teknologi.
- 3. Nedsænk glasset i noget væske. Dette er kun nyttigt til eksperimenter.
Hvis en lysstråle passerer fra glas, så beregnes brydningsindekset på det næste materiale ved hjælp af en relativ koefficient, som kan fås ved at sammenligne tabelværdier. Disse beregninger er meget vigtige i design af optiske systemer, der bærer praktiske eller eksperimentelle belastninger. Fejl her er uacceptable, fordi de vil føre til forkert drift af hele enheden, og så vil enhver data, der er opnået med dens hjælp, være ubrugelig.
For at bestemme lysets hastighed i glas med et brydningsindeks skal du dividere den absolutte værdi af hastigheden i et vakuum med brydningsindekset. Vakuum bruges som referencemedium, fordi der ikke er nogen brydning på grund af fraværet af stoffer, der kan forstyrre den jævne bevægelse af lysstråler langs en given vej.
I alle beregnede indikatorer vil hastigheden være mindre end i referencemediet, da brydningsindekset altid er større end enheden.
Brydningsindeks
Brydningsindeks stoffer - en værdi svarende til forholdet mellem lysets fasehastigheder (elektromagnetiske bølger) i et vakuum og i et givet medium. Også brydningsindekset bliver nogle gange talt om for alle andre bølger, for eksempel lyd, selvom definitionen i tilfælde som sidstnævnte selvfølgelig skal ændres på en eller anden måde.
Brydningsindekset afhænger af stoffets egenskaber og strålingens bølgelængde for nogle stoffer, brydningsindekset ændrer sig ret kraftigt, når frekvensen af elektromagnetiske bølger skifter fra lave frekvenser til optiske og videre, og kan også ændre sig endnu kraftigere i; visse områder af frekvensskalaen. Standarden refererer normalt til det optiske område eller det område, der bestemmes af konteksten.
Links
- RefractiveIndex.INFO brydningsindeksdatabase
Wikimedia Foundation. 2010.
Se, hvad "Brydningsindeks" er i andre ordbøger:
Relativt til to medier n21, dimensionsløst forhold mellem udbredelseshastighederne for optisk stråling (c veta) i det første (c1) og andet (c2) medium: n21 = c1/c2. Samtidig forholder det sig. P. p er forholdet mellem sinus af g l a p a d e n i j og y g l ... ... Fysisk encyklopædi
Se brydningsindeks...
Se brydningsindeks. * * * BRYDNINGSINDEKS BRYDNINGSINDEKS, se Brydningsindeks (se BRYDNINGSINDEKS) ... encyklopædisk ordbog- BRYDNINGSINDEKS, en størrelse, der karakteriserer mediet og er lig med forholdet mellem lysets hastighed i et vakuum og lysets hastighed i mediet (absolut brydningsindeks). Brydningsindekset n afhænger af den dielektriske e og den magnetiske permeabilitet m... ... Illustreret encyklopædisk ordbog
- (se BRYDNINGSINDEKS). Fysisk encyklopædisk ordbog. M.: Sovjetisk encyklopædi. Chefredaktør A. M. Prokhorov. 1983... Fysisk encyklopædi
Se brydningsindeks... Store sovjetiske encyklopædi
Forholdet mellem lysets hastighed i et vakuum og lysets hastighed i et medium (absolut brydningsindeks). Det relative brydningsindeks for 2 medier er forholdet mellem lyshastigheden i mediet, hvorfra lyset falder på grænsefladen, og lysets hastighed i den anden... ... Stor encyklopædisk ordbog
Anvendelsesområder for refraktometri.
Design og funktionsprincip for IRF-22 refraktometer.
Begrebet brydningsindeks.
Plan
Refraktometri. Metodens egenskaber og essens.
For at identificere stoffer og kontrollere deres renhed, bruger de
brydningsfremstiller.
Brydningsindeks for et stof- en værdi lig med forholdet mellem lysets fasehastigheder (elektromagnetiske bølger) i et vakuum og i et synligt medium.
Brydningsindekset afhænger af stoffets egenskaber og bølgelængden
elektromagnetisk stråling. Forholdet mellem sinus af indfaldsvinklen i forhold til
normalen trukket til brydningsplanet (α) af strålen til sinus for brydningsvinklen
brydning (β), når en stråle passerer fra medium A til medium B kaldes det relative brydningsindeks for dette mediepar.
Værdien n er det relative brydningsindeks for medium B iflg
forhold til miljø A, og
Relativt brydningsindeks for medium A mhp
Brydningsindekset for en stråle, der falder ind på et medium fra en airless
rum kaldes dets absolutte brydningsindeks eller
blot brydningsindekset for et givet medium (tabel 1).
Tabel 1 - Brydningsindekser for forskellige medier
Væsker har et brydningsindeks i området 1,2-1,9. Solid
stoffer 1,3-4,0. Nogle mineraler har ikke en nøjagtig værdi
til brydning. Dens værdi er i nogle "gaffel" og bestemmer
på grund af tilstedeværelsen af urenheder i krystalstrukturen, som bestemmer farven
krystal.
Identifikation af et mineral ved "farve" er vanskelig. Mineralet korund eksisterer således i form af rubin, safir, leukosafir, forskelligt i
brydningsindeks og farve. Røde korund kaldes rubiner
(krom urenhed), farveløs blå, lyseblå, pink, gul, grøn,
violet - safirer (blandinger af kobolt, titanium osv.). Lys farvet
hvide safirer eller farveløs korund kaldes leukosafir (udbredt
bruges i optik som et filter). Brydningsindekset for disse krystaller
stål ligger i intervallet 1.757-1.778 og er grundlaget for identifikation
Figur 3.1 – Ruby Figur 3.2 – Blå safir
Organiske og uorganiske væsker har også karakteristiske brydningsindeksværdier, der karakteriserer dem som kemiske
Russiske forbindelser og kvaliteten af deres syntese (tabel 2):
Tabel 2 - Brydningsindeks for nogle væsker ved 20 °C
4.2. Refraktometri: koncept, princip.
En metode til undersøgelse af stoffer baseret på bestemmelse af en indikator
(indeks) af brydning (refraktion) kaldes refraktometri (fra
lat. refractus - brudt og græsk. metero - jeg måler). Refraktometri
(refraktometrisk metode) bruges til at identificere kemikalie
forbindelser, kvantitativ og strukturel analyse, bestemmelse af fysisk
kemiske parametre for stoffer. Princippet om refraktometri implementeret
i Abbe refraktometre, er illustreret i figur 1.
Figur 1 - Princip for refraktometri
Abbe prismeblokken består af to rektangulære prismer: belysning
telial og målende, foldet af hypotenusansigter. Illuminator-
Dette prisme har en ru (mat) hypotenusflade og er beregnet
chen for at belyse en prøve af væske placeret mellem prismerne.
Spredt lys passerer gennem et plan-parallelt lag af væsken, der undersøges, og når det brydes i væsken, falder det ned på måleprismet. Måleprismet er lavet af optisk tæt glas (tung flint) og har et brydningsindeks større end 1,7. Af denne grund måler Abbe refraktometeret n værdier, der er mindre end 1,7. Forøgelse af brydningsindeksmåleområdet kan kun opnås ved at udskifte måleprismet.
Testprøven hældes på hypotenusfladen af måleprismet og presses med et lysende prisme. I dette tilfælde forbliver der et mellemrum på 0,1-0,2 mm mellem prismerne, hvori prøven er placeret, og gennem
som passerer gennem brudt lys. At måle brydningsindekset
bruge fænomenet total indre refleksion. Det ligger i
Næste.
Hvis strålerne 1, 2, 3 falder på grænsefladen mellem to medier, så afhængigt af
afhængig af indfaldsvinklen, når man observerer dem i det brydende medium vil være
Der er en overgang mellem områder med forskellig belysning. Det er forbundet
med en del af lyset, der falder på brydningsgrænsen i en vinkel tæt på
kim til 90° i forhold til normalen (bjælke 3). (Figur 2).
Figur 2 - Billede af brudte stråler
Denne del af strålerne reflekteres ikke og danner derfor et lettere miljø.
kraft under brydning. Stråler med mindre vinkler oplever også refleksion
og brydning. Derfor dannes et område med mindre belysning. I volumen
Grænselinjen for total indre refleksion er synlig på linsen, positionen
hvilket afhænger af prøvens brydningsegenskaber.
Eliminering af fænomenet spredning (farvning af grænsefladen mellem to belysningsområder i regnbuens farver på grund af brugen af komplekst hvidt lys i Abbe refraktometre) opnås ved at bruge to Amici-prismer i kompensatoren, som er monteret i teleskopet . Samtidig projiceres en skala ind i linsen (figur 3). Til analyse er 0,05 ml væske tilstrækkeligt.
Figur 3 - Se gennem refraktometer-okularet. (Den rigtige skala afspejler
koncentration af den målte komponent i ppm)
Ud over analysen af enkeltkomponentprøver,
to-komponent systemer (vandige opløsninger, opløsninger af stoffer, hvori
eller opløsningsmiddel). I ideelle to-komponent systemer (formning
uden at ændre komponenternes volumen og polariserbarhed), viser afhængigheden
Afhængigheden af brydning af sammensætning er tæt på lineær, hvis sammensætningen er udtrykt i
volumenbrøker (procent)
hvor: n, n1, n2 - brydningsindeks for blandingen og komponenterne,
V1 og V2 er volumenfraktionerne af komponenterne (V1 + V2 = 1).
Temperaturens indvirkning på brydningsindekset bestemmes af to
faktorer: ændring i antallet af væskepartikler pr volumenhed og
afhængigheden af molekylers polariserbarhed af temperatur. Den anden faktor blev
bliver kun signifikant ved meget store temperaturændringer.
Brydningsindeksets temperaturkoefficient er proportional med. Da alle væsker udvider sig, når de opvarmes, falder deres brydningsindeks, når temperaturen stiger. Temperaturkoefficienten afhænger af væskens temperatur, men i små temperaturintervaller kan den betragtes som konstant. Af denne grund har de fleste refraktometre ikke temperaturkontrol, men nogle designs giver
vandtermostat.
Lineær ekstrapolering af brydningsindekset med temperaturændringer er acceptabel for små temperaturforskelle (10 – 20°C).
Nøjagtig bestemmelse af brydningsindekset i brede temperaturområder udføres ved hjælp af empiriske formler af formen:
nt=n0+ved+bt2+…
Til refraktometri af opløsninger over brede koncentrationsområder
bruge tabeller eller empiriske formler. Displayafhængighed -
brydningsindeks for vandige opløsninger af nogle stoffer afhængig af koncentration
er tæt på lineær og gør det muligt at bestemme koncentrationerne af disse stoffer i
vand i brede koncentrationsområder (figur 4) ved brug af brydning
tometer.
Figur 4 - Brydningsindeks for nogle vandige opløsninger
Normalt bestemmes n flydende og faste legemer af refraktometre med præcision
op til 0,0001. De mest almindelige er Abbe refraktometre (Figur 5) med prismeblokke og dispersionskompensatorer, som gør det muligt at bestemme nD i "hvidt" lys ved hjælp af en skala eller digital indikator.
Figur 5 - Abbe refraktometer (IRF-454; IRF-22)
Lys bevæger sig i sin natur gennem forskellige medier med forskellige hastigheder. Jo tættere mediet er, jo lavere er lysets udbredelseshastighed i det. Der er etableret en passende foranstaltning, der vedrører både materialets tæthed og lysets udbredelseshastighed i det pågældende materiale. Dette mål blev kaldt brydningsindekset. For ethvert materiale måles brydningsindekset i forhold til lysets hastighed i et vakuum (vakuum kaldes ofte frit rum). Følgende formel beskriver dette forhold.
Jo højere brydningsindeks for et materiale, jo tættere er det. Når en lysstråle passerer fra et materiale til et andet (med et andet brydningsindeks), vil brydningsvinklen være forskellig fra indfaldsvinklen. En lysstråle, der trænger ind i et medium med et lavere brydningsindeks, vil komme ud i en vinkel, der er større end indfaldsvinklen. En lysstråle, der trænger ind i et medium med et højt brydningsindeks, vil komme ud i en vinkel, der er mindre end indfaldsvinklen. Dette er vist i fig. 3.5.
Ris. 3.5.a. Stråle der går fra et højt N 1 medium til et lavt N 2 medium
Ris. 3.5.b. En stråle, der går fra et lavt N 1 medium til et højt N 2 medium
I dette tilfælde er θ 1 indfaldsvinklen, og θ 2 er brydningsvinklen. Nedenstående er nogle typiske brydningsindekser.
Det er interessant at bemærke, at for røntgenstråler er brydningsindekset for glas altid mindre end for luft, så når de passerer fra luft til glas, afbøjes de væk fra vinkelret, og ikke mod vinkelret, som lysstråler.
Lad os gå til en mere detaljeret betragtning af brydningsindekset, som vi introducerede i §81, da vi formulerede brydningsloven.
Brydningsindekset afhænger af de optiske egenskaber af både det medium, hvorfra strålen falder, og det medium, den trænger ind i. Brydningsindekset opnået, når lys fra et vakuum falder på et hvilket som helst medium, kaldes det absolutte brydningsindeks for dette medium.
Ris. 184. Relativt brydningsindeks for to medier:
Lad det absolutte brydningsindeks for det første medium være og det for det andet medium - . I betragtning af brydning ved grænsen af det første og andet medie sikrer vi, at brydningsindekset under overgangen fra det første medium til det andet, det såkaldte relative brydningsindeks, er lig med forholdet mellem de absolutte brydningsindekser for andet og første medie:
(Fig. 184). Tværtimod, når vi går fra det andet medium til det første, har vi et relativt brydningsindeks
Den etablerede forbindelse mellem to mediers relative brydningsindeks og deres absolutte brydningsindeks kunne teoretisk udledes uden nye eksperimenter, ligesom dette kan gøres for reversibilitetsloven (§82),
Et medium med et højere brydningsindeks kaldes optisk tættere. Brydningsindekset for forskellige medier i forhold til luft måles normalt. Luftens absolutte brydningsindeks er . Således er det absolutte brydningsindeks for ethvert medium relateret til dets brydningsindeks i forhold til luft med formlen
Tabel 6. Brydningsindeks for forskellige stoffer i forhold til luft
|
Væsker |
Faste stoffer |
||
|
Stof |
Stof |
||
|
Ethanol |
|||
|
Kulstofdisulfid |
|||
|
Glycerol |
Glas (lys krone) |
||
|
Flydende brint |
Glas (tung flint) |
||
|
Flydende helium |
|||
Brydningsindekset afhænger af lysets bølgelængde, dvs. af dets farve. Forskellige farver svarer til forskellige brydningsindekser. Dette fænomen, kaldet dispersion, spiller en vigtig rolle i optikken. Vi vil behandle dette fænomen gentagne gange i de efterfølgende kapitler. Dataene angivet i tabel. 6, se gult lys.
Det er interessant at bemærke, at loven om refleksion formelt kan skrives i samme form som loven om brydning. Lad os huske, at vi blev enige om altid at måle vinkler fra den vinkelrette til den tilsvarende stråle. Derfor skal vi betragte indfaldsvinklen og reflektionsvinklen for at have modsatte fortegn, dvs. loven om refleksion kan skrives som
Ved at sammenligne (83.4) med brydningsloven ser vi, at refraktionsloven kan betragtes som et særligt tilfælde af brydningsloven ved . Denne formelle lighed mellem lovene for refleksion og brydning er til stor gavn ved løsning af praktiske problemer.
I den foregående præsentation havde brydningsindekset betydningen af en konstant for mediet, uafhængig af intensiteten af lys, der passerer gennem det. Denne fortolkning af brydningsindekset er ret naturlig, men i tilfælde af høje strålingsintensiteter, opnåelige ved hjælp af moderne lasere, er det ikke berettiget. Egenskaberne af mediet, gennem hvilket stærk lysstråling passerer, afhænger i dette tilfælde af dets intensitet. Som de siger, bliver miljøet ikke-lineært. Mediets ikke-linearitet manifesterer sig især i det faktum, at en lysbølge med høj intensitet ændrer brydningsindekset. Brydningsindeksets afhængighed af strålingsintensiteten har formen
Her er det sædvanlige brydningsindeks, og er det ikke-lineære brydningsindeks, og er proportionalitetsfaktoren. Det ekstra led i denne formel kan enten være positivt eller negativt.
De relative ændringer i brydningsindekset er relativt små. Ved ikke-lineært brydningsindeks. Men selv sådanne små ændringer i brydningsindekset er mærkbare: de manifesterer sig i et ejendommeligt fænomen med selvfokusering af lys.
Lad os betragte et medium med et positivt ikke-lineært brydningsindeks. I dette tilfælde er områder med øget lysintensitet samtidigt områder med øget brydningsindeks. I ægte laserstråling er intensitetsfordelingen over tværsnittet af en stråle af stråler typisk uensartet: intensiteten er maksimal langs aksen og falder jævnt mod strålens kanter, som vist i fig. 185 solide kurver. En lignende fordeling beskriver også ændringen i brydningsindekset over tværsnittet af en celle med et ikke-lineært medium langs hvis akse laserstrålen udbreder sig. Brydningsindekset, som er størst langs kuvettens akse, falder jævnt mod dens vægge (stiplede kurver i fig. 185).
En stråle af stråler, der forlader laseren parallelt med aksen, og kommer ind i et medium med et variabelt brydningsindeks, afbøjes i den retning, hvor det er større. Derfor fører den øgede intensitet nær kuvetten til en koncentration af lysstråler i dette område, vist skematisk i tværsnit og i fig. 185, og det fører til en yderligere stigning. I sidste ende reduceres det effektive tværsnit af en lysstråle, der passerer gennem et ikke-lineært medium, betydeligt. Lys passerer gennem en smal kanal med et højt brydningsindeks. Således indsnævres laserstrålen af stråler, og det ikke-lineære medium, under påvirkning af intens stråling, fungerer som en samlelinse. Dette fænomen kaldes selvfokusering. Det kan for eksempel observeres i flydende nitrobenzen.
Ris. 185. Fordeling af strålingsintensitet og brydningsindeks over tværsnittet af en laserstråle af stråler ved indgangen til kuvetten (a), nær inputenden (), i midten (), nær udgangsenden af kuvetten ( )