Refraktomeetria kasutusvaldkonnad.
Refraktomeetri IRF-22 disain ja tööpõhimõte.
Murdumisnäitaja mõiste.
Plaan
Refraktomeetria. Meetodi omadused ja olemus.
Ainete tuvastamiseks ja puhtuse kontrollimiseks kasutavad nad
murdumise tegija.
Aine murdumisnäitaja- väärtus, mis võrdub valguse (elektromagnetlainete) faasikiiruste suhtega vaakumis ja nähtavas keskkonnas.
Murdumisnäitaja oleneb aine omadustest ja lainepikkusest
elektromagnetiline kiirgus. Langemisnurga siinuse suhe
normaal, mis on tõmmatud kiire murdumistasandile (α) murdumisnurga siinusesse
murdumist (β), kui kiir liigub keskkonnast A keskkonnasse B, nimetatakse selle keskkonna paari suhteliseks murdumisnäitajaks.
Väärtus n on keskkonna B suhteline murdumisnäitaja vastavalt
seos keskkonnaga A ja
Söötme A suhteline murdumisnäitaja suhtes
Õhuvabast keskkonnast kandjale langeva kiire murdumisnäitaja
ruumi nimetatakse selle absoluutseks murdumisnäitajaks või
lihtsalt antud keskkonna murdumisnäitaja (tabel 1).
Tabel 1 - Erinevate kandjate murdumisnäitajad
Vedelike murdumisnäitaja on vahemikus 1,2-1,9. Tahke
ained 1,3-4,0. Mõnel mineraalil puudub täpne väärtus
murdumise jaoks. Selle väärtus on mingis “kahvlis” ja määrab
tänu lisandite olemasolule kristallstruktuuris, mis määrab värvi
kristall.
Mineraali identifitseerimine "värvi" järgi on keeruline. Seega eksisteerib mineraal korund rubiini, safiiri, leukosafiiri kujul, mis erineb
murdumisnäitaja ja värvus. Punaseid korunde nimetatakse rubiinideks
(kroomi lisand), värvitu sinine, helesinine, roosa, kollane, roheline,
violetne - safiirid (koobalti, titaani jne segud). Heledat värvi
valgeid safiire või värvitut korundi nimetatakse leukosafiiriks (laialt
kasutatakse optikas filtrina). Nende kristallide murdumisnäitaja
terased jäävad vahemikku 1,757-1,778 ja on tuvastamise aluseks
Joonis 3.1 – Rubiin Joonis 3.2 – Sinine safiir
Orgaanilistel ja anorgaanilistel vedelikel on ka iseloomulikud murdumisnäitaja väärtused, mis iseloomustavad neid keemilistena
Vene ühendid ja nende sünteesi kvaliteet (tabel 2):
Tabel 2 – Mõnede vedelike murdumisnäitajad temperatuuril 20 °C
4.2. Refraktomeetria: mõiste, põhimõte.
Indikaatori määramisel põhinev meetod ainete uurimiseks
Murdumisindeksit (murdumist) nimetatakse refraktomeetriaks (alates
lat. refractus - murdunud ja kreeka. metreo - ma mõõdan). Refraktomeetria
(refraktomeetriline meetod) kasutatakse kemikaali tuvastamiseks
ühendid, kvantitatiivne ja struktuurne analüüs, füüsikaliste
ainete keemilised parameetrid. Rakendatud refraktomeetria põhimõte
Abbe refraktomeetrites on näidatud joonisel 1.
Joonis 1 – refraktomeetria põhimõte
Abbe prismaplokk koosneb kahest ristkülikukujulisest prismast: valgustusest
teliaalne ja mõõtev, volditud hüpotenuuside külgedega. valgustaja-
Sellel prismal on kare (matt) hüpotenuus ja see on ette nähtud
chen prismade vahele asetatud vedelikuproovi valgustamiseks.
Hajutatud valgus läbib uuritava vedeliku tasapinnalise paralleelse kihi ja langeb vedelikus murdudes mõõteprismale. Mõõteprisma on valmistatud optiliselt tihedast klaasist (raske tulekivi) ja selle murdumisnäitaja on suurem kui 1,7. Sel põhjusel mõõdab Abbe refraktomeeter n väärtust, mis on väiksem kui 1,7. Murdumisnäitaja mõõtmisvahemiku suurendamine on saavutatav ainult mõõteprisma väljavahetamisega.
Uuritav proov valatakse mõõteprisma hüpotenuuspinnale ja pressitakse valgustava prismaga. Sel juhul jääb 0,1-0,2 mm vahe nende prismade vahele, milles proov asub, ja läbi selle
mis läbib murdunud valgust. Murdumisnäitaja mõõtmiseks
kasutada täieliku sisemise peegelduse fenomeni. See peitub
järgmiseks.
Kui kiired 1, 2, 3 langevad kahe kandja liidesele, siis olenevalt
olenevalt langemisnurgast nende vaatlemisel murdumiskeskkonnas on
Toimub üleminek erineva valgustusega alade vahel. See on ühendatud
mille mingi osa valgusest langeb murdumispiirile lähedase nurga all
kim kuni 90° normaalse suhtes (tala 3). (Joonis 2).
Joonis 2 – murdunud kiirte kujutis
See osa kiirtest ei peegeldu ja moodustab seetõttu kergema keskkonna.
võimsus murdumise ajal. Väiksema nurgaga kiired kogevad ka peegeldust
ja murdumine. Seetõttu moodustub vähem valgustatud ala. Mahult
Objektiivil on näha täieliku sisepeegelduse piirjoon, asend
mis sõltub proovi murdumisomadustest.
Dispersiooninähtuse (kahe valgustusala vahelise liidese värvimine vikerkaarevärvides tänu keerulise valge valguse kasutamisele Abbe refraktomeetrites) kõrvaldamine saavutatakse kahe Amici prisma kasutamisega kompensaatoris, mis on paigaldatud teleskoobi. . Samal ajal projitseeritakse objektiivi skaala (joonis 3). Analüüsiks piisab 0,05 ml vedelikust.
Joonis 3 – vaade läbi refraktomeetri okulaari. (Õige skaala peegeldab
mõõdetud komponendi kontsentratsioon ppm-des)
Lisaks ühekomponentsete proovide analüüsile
kahekomponendilised süsteemid (vesilahused, ainete lahused, milles
või lahusti). Ideaalsetes kahekomponentsetes süsteemides (moodustades
ilma komponentide helitugevust ja polariseeritavust muutmata), näitab sõltuvus
Murdumise sõltuvus koostisest on lähedane lineaarsele, kui koostist väljendatakse
mahuosad (protsentides)
kus: n, n1, n2 - segu ja komponentide murdumisnäitajad,
V1 ja V2 on komponentide mahuosad (V1 + V2 = 1).
Temperatuuri mõju murdumisnäitajale määratakse kahega
tegurid: vedelikuosakeste arvu muutus ruumalaühikus ja
molekulide polariseeritavuse sõltuvus temperatuurist. Teiseks teguriks sai
muutub oluliseks ainult väga suurte temperatuurimuutuste korral.
Murdumisnäitaja temperatuuritegur on võrdeline tiheduse temperatuuriteguriga. Kuna kõik vedelikud paisuvad kuumutamisel, vähenevad nende murdumisnäitajad temperatuuri tõustes. Temperatuurikoefitsient sõltub vedeliku temperatuurist, kuid väikeste temperatuurivahemike korral võib seda pidada konstantseks. Sel põhjusel ei ole enamikul refraktomeetritel temperatuuri reguleerimist, kuid mõned konstruktsioonid pakuvad seda
vee termostaadiga.
Murdumisnäitaja lineaarne ekstrapoleerimine temperatuurimuutustega on vastuvõetav väikeste temperatuurierinevuste korral (10–20°C).
Murdumisnäitaja täpne määramine laias temperatuurivahemikus toimub järgmiste empiiriliste valemite abil:
nt=n0+at+bt2+…
Lahuste refraktomeetria jaoks laias kontsentratsioonivahemikus
kasutage tabeleid või empiirilisi valemeid. Kuva sõltuvus –
mõnede ainete vesilahuste murdumisnäitaja sõltuvalt kontsentratsioonist
on lähedane lineaarsele ja võimaldab määrata nende ainete kontsentratsioone
vett laias kontsentratsioonivahemikus (joonis 4), kasutades murdumist
tomeetrid.
Joonis 4 - Mõnede vesilahuste murdumisnäitaja
Tavaliselt määratakse refraktomeetritega täpselt n vedelat ja tahket keha
kuni 0,0001. Levinumad on prismaplokkide ja dispersioonikompensaatoritega Abbe refraktomeetrid (joonis 5), mis võimaldavad nD-d määrata “valges” valguses skaala või digitaalse indikaatori abil.
Joonis 5 – Abbe refraktomeeter (IRF-454; IRF-22)
Pilet 75.
Valguse peegelduse seadus: langevad ja peegeldunud kiired, samuti kiirte langemispunktis rekonstrueeritud kahe keskkonna vahelise liidesega risti asetsevad samal tasapinnal (langetustasandil). Peegeldusnurk γ on võrdne langemisnurgaga α.
Valguse murdumise seadus: langevad ja murdunud kiired, samuti kiirte langemispunktis rekonstrueeritud kahe keskkonna vahelise liidesega risti asetsevad samal tasapinnal. Langemisnurga α siinuse ja murdumisnurga β siinuse suhe on kahe antud keskkonna konstantne väärtus:
Peegelduse ja murdumise seadusi selgitatakse lainefüüsikas. Lainekontseptsioonide kohaselt on murdumine lainete levimiskiiruse muutumise tagajärg ühest keskkonnast teise üleminekul. Murdumisnäitaja füüsiline tähendus on lainete levimiskiiruse suhe esimeses keskkonnas υ 1 nende levimiskiirusesse teises keskkonnas υ 2:
Joonis 3.1.1 illustreerib valguse peegelduse ja murdumise seaduspärasusi.
Väiksema absoluutse murdumisnäitajaga keskkonda nimetatakse optiliselt vähemtihedaks.
Kui valgus liigub optiliselt tihedamast keskkonnast optiliselt vähem tihedasse keskkonda n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать täieliku peegelduse nähtus, see tähendab murdunud kiire kadumist. Seda nähtust täheldatakse langemisnurkade korral, mis ületavad teatud kriitilist nurka α pr, mida nimetatakse sisemise täieliku peegelduse piirav nurk(vt joonis 3.1.2).
Langemisnurga jaoks α = α pr sin β = 1; väärtus sin α pr = n 2 / n 1< 1.
Kui teiseks keskkonnaks on õhk (n 2 ≈ 1), siis on mugav valem ümber kirjutada kujul
Täieliku sisemise peegelduse nähtust kasutatakse paljudes optilistes seadmetes. Kõige huvitavam ja praktiliselt olulisem rakendus on optiliste kiudude loomine, mis on õhukesed (mitu mikromeetrit kuni millimeetrini) suvaliselt kumerad niidid, mis on valmistatud optiliselt läbipaistvast materjalist (klaas, kvarts). Valgusjuhi otsa langev valgus võib külgpindadelt täieliku sisepeegelduse tõttu levida mööda seda pikkade vahemaade taha (joonis 3.1.3). Optiliste valgusjuhtide väljatöötamise ja rakendamisega seotud teaduslikku ja tehnilist suunda nimetatakse fiiberoptikaks.
Valguse hajumine (valguse lagunemine)- see on nähtus, mille põhjustab aine absoluutse murdumisnäitaja sõltuvus valguse sagedusest (või lainepikkusest) (sagedusdispersioon) või sama asi, valguse faasikiiruse sõltuvus aines lainepikkus (või sagedus). Newton avastas selle eksperimentaalselt umbes 1672. aastal, kuigi teoreetiliselt on see üsna hästi selgitatud palju hiljem.
Ruumiline hajuvus nimetatakse keskkonna dielektrilise konstandi tensori sõltuvuseks lainevektorist. See sõltuvus põhjustab mitmeid nähtusi, mida nimetatakse ruumilise polarisatsiooni efektideks.
Üks selgemaid näiteid hajutusest - valge valguse lagunemine prisma läbimisel (Newtoni eksperiment). Dispersiooninähtuse olemus seisneb erineva lainepikkusega valguskiirte levimiskiiruste erinevuses läbipaistvas aines - optilises keskkonnas (vaakumis on valguse kiirus alati sama, sõltumata lainepikkusest ja seega ka värvist). Tavaliselt, mida kõrgem on valguslaine sagedus, seda suurem on selle keskkonna murdumisnäitaja ja seda väiksem on laine kiirus keskkonnas:
Newtoni katsed Valge valguse spektriks lagunemise katse: 
Newton suunas päikesekiire läbi väikese augu klaasprismale. Prismat tabades kiir murdus ja vastasseinal andis pikliku pildi vikerkaarelise värvide vaheldusega - spektri. Katse monokromaatilise valguse läbimise kohta läbi prisma:
Newton asetas päikesekiire teele punase klaasi, mille taha sai monokromaatilise valguse (punase), seejärel prisma ja vaatles ekraanil ainult valguskiire punast laiku. Valge valguse sünteesi (tootmise) kogemus: Esiteks suunas Newton päikesekiire prismale. Seejärel, olles prismast väljuvad värvilised kiired kogumisläätse abil kogunud, sai Newton värvilise triibu asemel valge pildi valgel seinal olevast august. Newtoni järeldused:- prisma ei muuda valgust, vaid ainult lagundab selle oma komponentideks - värvi poolest erinevad valguskiired erinevad murdumisastme poolest; Violetsed kiired murduvad kõige tugevamalt, punased vähem tugevalt - punasel valgusel, mis murdub vähem, on suurim kiirus ja violetsel kõige vähem, mistõttu prisma lagundab valgust. Valguse murdumisnäitaja sõltuvust selle värvusest nimetatakse dispersiooniks.
Järeldused:- prisma lagundab valgust - valge valgus on kompleksne (komposiit) - violetsed kiired murduvad tugevamini kui punased. Valguskiire värvuse määrab selle vibratsioonisagedus. Ühest keskkonnast teise liikudes muutuvad valguse kiirus ja lainepikkus, kuid värvi määrav sagedus jääb muutumatuks. Valge valguse ja selle komponentide vahemike piire iseloomustatakse tavaliselt nende lainepikkuste järgi vaakumis. Valge valgus on lainete kogum pikkusega 380–760 nm.
Pilet 77.
Valguse neeldumine. Bougueri seadus
Valguse neeldumine aines on seotud laine elektromagnetvälja energia muundumisega aine soojusenergiaks (või sekundaarse fotoluminestsentskiirguse energiaks). Valguse neeldumise seadus (Bougueri seadus) on järgmine:
I=I 0 exp (- x),(1)
Kus I 0 , I-valguse intensiivsus sisendis (x=0) ja jättes kihi keskmise paksusega X, - neeldumistegur, see sõltub .
Dielektrikute jaoks =10 -1 10 -5 m -1 , metallidele =10 5 10 7 m -1 , Seetõttu on metallid valgusele läbipaistmatud.
Sõltuvus ( ) selgitab neelavate kehade värvi. Näiteks klaas, mis neelab punast valgust halvasti, paistab valge valgusega valgustamisel punane.
Valguse hajumine. Rayleigh' seadus
Valguse difraktsioon võib toimuda optiliselt ebahomogeenses keskkonnas, näiteks häguses keskkonnas (suits, udu, tolmune õhk jne). Difraktsiooniga keskkonna ebahomogeensustele loovad valguslained difraktsioonimustri, mida iseloomustab intensiivsuse üsna ühtlane jaotus kõigis suundades.
Seda väikeste ebahomogeensuste difraktsiooni nimetatakse valguse hajumine.
Seda nähtust täheldatakse siis, kui kitsas päikesekiir läbib tolmust õhku, hajub tolmuosakestele ja muutub nähtavaks.
Kui ebahomogeensuse suurused on lainepikkusega võrreldes väikesed (mitte rohkem kui 0,1 ), siis osutub hajutatud valguse intensiivsus pöördvõrdeliseks lainepikkuse neljanda astmega, s.o.
I diss ~ 1/ 4 , (2)
seda sõltuvust nimetatakse Rayleigh' seaduseks.
Valguse hajumist täheldatakse ka puhtas keskkonnas, mis ei sisalda võõrosakesi. Näiteks võib see ilmneda tiheduse, anisotroopia või kontsentratsiooni kõikumiste (juhuslike kõrvalekallete) korral. Seda tüüpi hajumist nimetatakse molekulaarseks hajutamiseks. See seletab näiteks taeva sinist värvi. Tõepoolest, vastavalt punktile (2) hajuvad sinised ja sinised kiired tugevamini kui punased ja kollased, sest on lühema lainepikkusega, põhjustades seeläbi taeva sinise värvi.
Pilet 78.
Valguse polarisatsioon- laineoptika nähtuste kogum, milles avaldub elektromagnetiliste valguslainete põiksuunaline olemus. Põiklaine- keskkonna osakesed võnguvad laine levimissuunaga risti olevates suundades ( Joonis 1).
Joonis 1 Põiklaine
Elektromagnetiline valguslaine tasapind polariseeritud(lineaarne polarisatsioon), kui vektorite E ja B võnkesuunad on rangelt fikseeritud ja asuvad teatud tasanditel ( Joonis 1). Tasapinnaliseks polariseeritud valguslaineks nimetatakse tasapind polariseeritud(lineaarselt polariseeritud) valgus. Polariseerimata(loodus)laine - elektromagnetiline valguslaine, milles vektorite E ja B võnkesuunad selles laines võivad asuda mis tahes tasanditel, mis on risti kiirusvektoriga v. Polariseerimata valgus- valguslained, mille puhul vektorite E ja B võnkesuunad muutuvad kaootiliselt nii, et kõik võnkesuunad laine levikiirega risti olevatel tasapindadel on võrdselt tõenäolised ( Joonis 2).
Joonis 2 Polariseerimata valgus
Polariseeritud lained- milles vektorite E ja B suunad jäävad ruumis muutumatuks või muutuvad vastavalt teatud seadusele. Kiirgus, milles vektori E suund muutub kaootiliselt - polariseerimata. Sellise kiirguse näiteks on soojuskiirgus (kaootiliselt jaotunud aatomid ja elektronid). Polarisatsioonitasand- see on vektori E võnkesuunaga risti asetsev tasapind. Polariseeritud kiirguse tekkimise peamiseks mehhanismiks on kiirguse hajumine elektronide, aatomite, molekulide ja tolmuosakeste poolt.
1.2. Polarisatsiooni tüübid Polarisatsiooni on kolme tüüpi. Anname neile määratlused. 1. Lineaarne Tekib siis, kui elektrivektor E säilitab oma positsiooni ruumis. Näib, et see tõstab esile tasapinna, milles vektor E võngub. 2. Ringkiri See on polarisatsioon, mis tekib siis, kui elektrivektor E pöörleb ümber laine levimise suuna nurkkiirusega, mis on võrdne laine nurksagedusega, säilitades samal ajal selle absoluutväärtuse. See polarisatsioon iseloomustab vektori E pöörlemissuunda tasapinnal, mis on vaatejoonega risti. Näiteks võib tuua tsüklotronikiirguse (magnetväljas pöörlevate elektronide süsteem). 3. Elliptilised See tekib siis, kui elektrivektori E suurusjärk muutub nii, et see kirjeldab ellipsi (vektori E pöörlemist). Elliptiline ja ringpolarisatsioon võib olla parempoolne (vektor E pöörleb leviva laine poole vaadates päripäeva) ja vasakpoolne (vektor E pöörleb levilaine poole vaadates vastupäeva).
Tegelikkuses esineb seda kõige sagedamini osaline polarisatsioon (osaliselt polariseeritud elektromagnetlained). Kvantitatiivselt iseloomustab seda teatud suurus nn polarisatsiooni aste R, mis on määratletud järgmiselt: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Kus Maksimaalne,Immin- analüsaatorit läbiva elektromagnetilise energia voo suurim ja madalaim tihedus (Polaroid, Nicolas prism...). Praktikas kirjeldatakse kiirguse polarisatsiooni sageli Stokesi parameetritega (need määravad kiirgusvood etteantud polarisatsioonisuunaga).
Pilet 79.
Kui loomulik valgus langeb kahe dielektriku (näiteks õhu ja klaasi) vahelisele liidesele, siis osa sellest peegeldub ja osa murdub ja levib teises keskkonnas. Paigaldades analüsaatori (näiteks turmaliini) peegeldunud ja murdunud kiirte teele, veendume, et peegeldunud ja murdunud kiired on osaliselt polariseeritud: analüsaatori pööramisel ümber kiirte valguse intensiivsus perioodiliselt suureneb ja nõrgeneb ( täielikku kustutamist ei täheldata!). Edasised uuringud näitasid, et peegeldunud kiires domineerivad langemistasandiga risti olevad võnked (neid on joonisel 275 tähistatud täppidega), murdunud kiires aga langemistasandiga paralleelsed võnked (kujutatud nooltega).
Polarisatsiooniaste (elektrilise (ja magnetilise) vektori teatud orientatsiooniga valguslainete eraldumise aste) sõltub kiirte langemisnurgast ja murdumisnäitajast. Šoti füüsik D. Brewster(1781-1868) paigaldatud seadus, mille järgi langemisnurga all i B (Brewsteri nurk), määratud suhtega
(n 21 - teise keskkonna murdumisnäitaja esimese suhtes), peegeldunud kiir on tasapinnaline polariseeritud(sisaldab ainult langemistasandiga risti asetsevaid vibratsioone) (joonis 276). Murdunud kiir langemisnurga alli B polariseeritud maksimaalselt, kuid mitte täielikult.
Kui valgus tabab liidest Brewsteri nurga all, siis peegeldunud ja murdunud kiired vastastikku risti(tg i B = patt i B/cos i B, n 21 = patt i B / patt i 2 (i 2 - murdumisnurk), kust cos i B = patt i 2). Seega i B + i 2 = /2, aga i’ B= i B (peegelduse seadus), seega i’ B+ i 2 = /2.
Erineva langemisnurga all peegeldunud ja murdunud valguse polarisatsiooniastet saab arvutada Maxwelli võrranditest, kui võtta arvesse elektromagnetvälja piirtingimusi kahe isotroopse dielektriku (nn. Fresneli valemid).
Murdunud valguse polarisatsiooniastet saab oluliselt suurendada (mitmemurdumisega, eeldusel, et valgus langeb iga kord liidesele Brewsteri nurga all). Kui näiteks klaasi jaoks ( n= 1.53) murdunud kiire polarisatsiooniaste on 15%, siis pärast murdumist 8-10 üksteise peale asetatud klaasplaadiks polariseerub sellisest süsteemist väljuv valgus peaaegu täielikult. Sellist plaatide kogumit nimetatakse jalg. Jala abil saab analüüsida polariseeritud valgust nii selle peegelduse kui ka murdumise ajal.
Pilet 79 (Spurile)
Nagu kogemus näitab, osutub valguse murdumise ja peegeldumise ajal murdunud ja peegeldunud valgus polariseerituks ning peegeldus. valgus võib teatud langemisnurga all olla täielikult polariseeritud, kuid juhuslikult. valgus on alati osaliselt polariseeritud Frinelli valemite põhjal saab näidata, et peegeldus. Valgus polariseerub langemistasandiga risti ja murdub. valgus polariseerub langemistasandiga paralleelsel tasapinnal.
Langemisnurk, mille juures peegeldub valgust on täielikult polariseeritud, nimetatakse Brewsteri nurgaks: - Brewsteri seaduse järgi. ja murdumine. kiirte korral on Brewsteri nurk võrdne Hea polarisatsiooni saamiseks, st. , valguse murdmisel kasutatakse palju söödavaid pindu, mida nimetatakse Stoletov’s Stopiks.
Pilet 80.
Kogemused näitavad, et kui valgus interakteerub ainega, põhjustab põhiefekti (füsioloogiline, fotokeemiline, fotoelektriline jne) vektori võnkumised, mida selles osas nimetatakse mõnikord ka valgusvektoriks. Seetõttu jälgitakse valguse polarisatsiooni mustrite kirjeldamiseks vektori käitumist.
Vektorite poolt moodustatud tasapinda nimetatakse polarisatsioonitasandiks.
Kui vektorvõnkumised toimuvad ühes fikseeritud tasapinnas, siis sellist valgust (kiirt) nimetatakse lineaarselt polariseeritud. Tavapäraselt tähistatakse seda järgmiselt. Kui kiir on polariseeritud risti tasapinnal (tasapinnal xoz, vt joon. 2 teises loengus), siis on see määratud.
Looduslik valgus (tavalistest allikatest, päikesest) koosneb lainetest, millel on erinevad, kaootiliselt jaotatud polarisatsioonitasandid (vt joonis 3).
Looduslikku valgust nimetatakse mõnikord tavapäraselt selliseks. Seda nimetatakse ka mittepolariseerituks.
Kui laine levides vektor pöörleb ja vektori ots kirjeldab ringjoont, siis nimetatakse sellist valgust ringpolarisatsiooniks ja polarisatsiooni ringikujuliseks või ringikujuliseks (paremale või vasakule). Samuti on elliptiline polarisatsioon.
Seal on optilised seadmed (kiled, plaadid jne) - polarisaatorid, mis eraldavad loomulikust valgusest lineaarselt polariseeritud või osaliselt polariseeritud valgust.
Valguse polarisatsiooni analüüsimiseks kasutatavaid polarisaatoreid nimetatakse analüsaatorid.
Polarisaatori (või analüsaatori) tasapind on polarisaatori (või analüsaatori) poolt edastatava valguse polarisatsioonitasand.
Laske lineaarselt polariseeritud valgusel amplituudiga langeda polarisaatorile (või analüsaatorile) E 0 . Läbiva valguse amplituud on võrdne E=E 0 cos j ja intensiivsus I=I 0 cos 2 j.
See valem väljendab Maluse seadus:
Analüsaatorit läbiva lineaarselt polariseeritud valguse intensiivsus on võrdeline nurga koosinuse ruuduga j langeva valguse võnketasandi ja analüsaatori tasandi vahel.
Pilet 80 (spurdi eest)
Polarisaatorid on seadmed, mille abil saab analüüsida, kas valgus on polariseeritud või mitte polarisaator, kui valgus on loomulik, siis on vektori E kõik suunad võrdselt tõenäolised. Iga vektori saab lagundada kaheks üksteisega risti asetsevaks komponendiks: millest üks on paralleelne polarisaatori polarisatsioonitasandiga ja teine on sellega risti. seda.
Ilmselt on polarisaatorist väljuva valguse intensiivsus võrdne polarisaatorist väljuva valguse intensiivsusega nurk polarisaatori põhitasandiga, siis on seadusega määratud analüsaatorist väljuva valguse intensiivsus.
Pilet 81.
Uurides uraanisoolade lahuse hõõgumist raadiumikiirte mõjul, juhtis Nõukogude füüsik P. A. Tšerenkov tähelepanu asjaolule, et hõõgub ka vesi ise, milles uraanisoolasid pole. Selgus, et kui kiired (vt Gammakiirgus) lastakse läbi puhaste vedelike, hakkavad nad kõik hõõguma. S. I. Vavilov, kelle juhtimisel P. A. Tšerenkov töötas, oletas, et kuma on seotud raadiumikvantide poolt aatomitest välja löödud elektronide liikumisega. Tõepoolest, kuma sõltus tugevalt vedelikus oleva magnetvälja suunast (see viitas sellele, et selle põhjustas elektronide liikumine).
Miks aga vedelikus liikuvad elektronid valgust kiirgavad? Õige vastuse sellele küsimusele andsid 1937. aastal nõukogude füüsikud I.E Tamm ja I.M.Frank.
Aines liikuv elektron interakteerub teda ümbritsevate aatomitega. Selle elektrivälja mõjul nihkuvad aatomi elektronid ja tuumad vastassuundades – keskkond polariseerub. Polariseerunud ja seejärel oma algsesse olekusse tagasi pöördudes kiirgavad elektronide trajektooril paiknevad keskkonna aatomid elektromagnetilisi valguslaineid. Kui elektroni kiirus v on väiksem kui valguse levimise kiirus keskkonnas (murdumisnäitaja), siis möödub elektromagnetväli elektronist ja ainel on aega elektronist eespool ruumis polariseeruda. Söötme polarisatsioon elektroni ees ja taga on vastupidises suunas ning vastupidiselt polariseeritud aatomite kiirgused "lisavad", "kustutavad" üksteist. Kui aatomitel, milleni elektron pole veel jõudnud, pole aega polariseeruda ja kiirgus näib olevat suunatud piki kitsast koonusekujulist kihti, mille tipp langeb kokku liikuva elektroniga ja nurk tipus c. Valguse "koonuse" välimuse ja kiirgusseisundi saab saada laine levimise üldistest põhimõtetest.
Riis. 1. Lainefrondi moodustumise mehhanism
Laske elektronil liikuda mööda väga kitsa tühja kanali telge OE (vt joonis 1) homogeenses murdumisnäitajaga läbipaistvas aines (tühja kanalit on vaja selleks, et elektronide kokkupõrkeid aatomitega ei võetaks arvesse teoreetiline kaalutlus). Iga punkt joonel OE, mis on järjestikku elektroni poolt hõivatud, on valguse emissiooni keskpunkt. Järjestikustest punktidest O, D, E lähtuvad lained segavad üksteist ja võimenduvad, kui nende faaside vahe on null (vt. Häired). See tingimus on täidetud suuna puhul, mis moodustab elektroni trajektooriga nurga 0. Nurk 0 määratakse seosega:.
Tõepoolest, vaatleme kahte lainet, mis kiirguvad kahest trajektoori punktist elektroni kiiruse suhtes nurga all olevas suunas – punktist O ja punktist D, mis on eraldatud vahemaaga . Punkti B, mis asub joonel BE, mis on risti OB-ga, esimene laine - pärast kellaaega Punkti F, mis asub sirgel BE, saabub punktist eralduv laine hetkel pärast laine väljasaatmist punktist O. Need kaks lainet on faasis, st sirgjoon on lainefront, kui need ajad on võrdsed. See annab aegade võrdsuse tingimuse. Kõigis suundades kustub valgus lainete interferentsi tõttu, mida kiirgavad trajektoori lõigud, mis on eraldatud vahemaaga D. D väärtus määratakse ilmse võrrandiga, kus T on valguse võnkumiste periood. Sellel võrrandil on alati lahendus, kui.
Kui , siis suunda, milles kiirgavad lained häirimisel võimendatakse, ei eksisteeri ega saa olla suurem kui 1.
Riis. 2. Helilainete levik ja lööklaine teke keha liikumisel
Kiirgust täheldatakse ainult siis, kui .
Eksperimentaalselt lendavad elektronid piiratud ruuminurga all, kiiruse teatud levikuga ja selle tulemusena levib kiirgus koonilise kihina nurgaga määratud põhisuuna lähedal.
Oma kaalutluses jätsime elektronide aeglustumise tähelepanuta. See on täiesti vastuvõetav, kuna Vavilovi-Cerenkovi kiirgusest tulenevad kaod on väikesed ja esmalt võib eeldada, et elektroni kaotatud energia ei mõjuta selle kiirust ja see liigub ühtlaselt. See on Vavilovi-Tšerenkovi kiirguse põhimõtteline erinevus ja ebatavalisus. Tavaliselt kiirgavad laengud märkimisväärse kiirenduse ajal.
Valgust ületav elektron on sarnane lennukiga, mis lendab helikiirusest suurema kiirusega. Sel juhul levib lennuki ees ka kooniline lööklaine (vt joonis 2).
Murdumine on teatud abstraktne arv, mis iseloomustab mis tahes läbipaistva kandja murdumisvõimet. Seda on tavaks tähistada n. Seal on absoluutne murdumisnäitaja ja suhteline indeks.
Esimene arvutatakse ühe kahest valemist:
n = sin α / sin β = const (kus sin α on langemisnurga siinus ja sin β on vaadeldavasse keskkonda tühjusest siseneva valguskiire siinus)
n = c / υ λ (kus c on valguse kiirus vaakumis, υ λ on valguse kiirus uuritavas keskkonnas).
Siin näitab arvutus, mitu korda muudab valgus oma levimiskiirust vaakumilt läbipaistvale keskkonnale ülemineku hetkel. See määrab murdumisnäitaja (absoluutne). Suhtelise leidmiseks kasutage valemit:
See tähendab, et võetakse arvesse erineva tihedusega ainete, nagu õhk ja klaas, absoluutseid murdumisnäitajaid.
Üldiselt on iga keha absoluutsed koefitsiendid, olgu see siis gaasiline, vedel või tahke, alati suuremad kui 1. Põhimõtteliselt on nende väärtused vahemikus 1 kuni 2. See väärtus võib olla suurem kui 2 ainult erandjuhtudel. Selle parameetri tähendus mõnes keskkonnas on järgmine:
See väärtus on planeedi kõige kõvema loodusliku aine teemandi puhul 2,42. Väga sageli on teaduslike uuringute jms läbiviimisel vaja teada vee murdumisnäitajat. See parameeter on 1,334.
Kuna lainepikkus on loomulikult muutuv näitaja, omistatakse n-tähele indeks. Selle väärtus aitab mõista, millisele spektri lainele see koefitsient kuulub. Kui arvestada sama ainet, kuid valguse lainepikkuse suurenemisega, murdumisnäitaja väheneb. See asjaolu põhjustab läätse, prisma vms läbimisel valguse lagunemise spektriks.
Murdumisnäitaja väärtuse järgi saab määrata näiteks, kui palju ühte ainet on teises lahustunud. See võib olla kasulik näiteks õllepruulimisel või siis, kui on vaja teada suhkru, puuviljade või marjade kontsentratsiooni mahlas. See näitaja on oluline nii naftasaaduste kvaliteedi määramisel kui ka ehete puhul, kui on vaja tõestada kivi ehtsust vms.
Ilma mingit ainet kasutamata jääb seadme okulaaris nähtav skaala üleni siniseks. Kui tilgutate prismale tavalist destilleeritud vett, siis kui instrument on korralikult kalibreeritud, läheb sinise ja valge värvi piir rangelt mööda nullmärki. Teise aine uurimisel nihkub see skaalal vastavalt sellele, milline murdumisnäitaja on sellele iseloomulik.
Pöördume murdumisnäitaja üksikasjalikuma käsitlemise juurde, mille võtsime kasutusele §81 murdumisseaduse sõnastamisel.
Murdumisnäitaja sõltub nii selle keskkonna optilistest omadustest, millest kiir langeb, kui ka selle keskkonna optilistest omadustest, millesse see tungib. Murdumisnäitaja, mis saadakse vaakumi valguse langemisel mis tahes keskkonnale, nimetatakse selle keskkonna absoluutseks murdumisnäitajaks.
Riis. 184. Kahe kandja suhteline murdumisnäitaja:
Olgu esimese keskkonna absoluutne murdumisnäitaja ja teise keskkonna absoluutne murdumisnäitaja - . Võttes arvesse murdumist esimese ja teise keskkonna piiril, veendume, et murdumisnäitaja üleminekul esimeselt keskkonnalt teisele, nn suhteline murdumisnäitaja, on võrdne murdumisnäitaja absoluutsete murdumisnäitajate suhtega. teine ja esimene meedia:
(joonis 184). Vastupidi, teisest keskkonnast esimesele üleminekul on meil suhteline murdumisnäitaja
Väljakujunenud seose kahe keskkonna suhtelise murdumisnäitaja ja nende absoluutsete murdumisnäitajate vahel saab tuletada teoreetiliselt, ilma uute katseteta, nii nagu seda saab teha pöörduvuse seaduse puhul (§82),
Kõrgema murdumisnäitajaga keskkonda nimetatakse optiliselt tihedamaks. Tavaliselt mõõdetakse erinevate ainete murdumisnäitaja õhu suhtes. Õhu absoluutne murdumisnäitaja on. Seega on mis tahes keskkonna absoluutne murdumisnäitaja valemiga seotud selle murdumisnäitajaga õhu suhtes
Tabel 6. Erinevate ainete murdumisnäitaja õhu suhtes
|
Vedelikud |
Tahked ained |
||
|
Aine |
Aine |
||
|
Etanool |
|||
|
Süsinikdisulfiid |
|||
|
Glütserool |
Klaas (hele kroon) |
||
|
Vedel vesinik |
Klaas (raske tulekivi) |
||
|
Vedel heelium |
|||
Murdumisnäitaja sõltub valguse lainepikkusest, st selle värvist. Erinevad värvid vastavad erinevatele murdumisnäitajatele. See nähtus, mida nimetatakse dispersiooniks, mängib optikas olulist rolli. Järgnevates peatükkides käsitleme seda nähtust korduvalt. Tabelis toodud andmed. 6, vaadake kollast valgust.
Huvitav on märkida, et peegeldusseadust saab formaalselt kirjutada samal kujul kui murdumisseadust. Pidagem meeles, et leppisime kokku, et mõõdame alati nurki vastava kiirte ristist. Seetõttu peame arvestama, et langemisnurk ja peegeldusnurk on vastandmärkidega, s.t. peegeldusseaduse võib kirjutada kui
Võrreldes (83.4) murdumisseadusega, näeme, et peegeldusseadust võib vaadelda kui murdumisseaduse erijuhtu. See peegeldus- ja murdumisseaduste formaalne sarnasus on praktiliste probleemide lahendamisel suureks kasuks.
Eelmises esitluses oli murdumisnäitaja tähendus keskkonna konstantina, mis ei sõltu seda läbiva valguse intensiivsusest. Selline murdumisnäitaja tõlgendus on üsna loomulik, kuid kõrge kiirgusintensiivsuse korral, mis on saavutatav tänapäevaste laseritega, ei ole see õigustatud. Meediumi omadused, mida läbib tugev valguskiirgus, sõltuvad sel juhul selle intensiivsusest. Nagu öeldakse, muutub keskkond mittelineaarseks. Söötme mittelineaarsus avaldub eelkõige selles, et suure intensiivsusega valguslaine muudab murdumisnäitajat. Murdumisnäitaja sõltuvus kiirguse intensiivsusest on selline
Siin on tavaline murdumisnäitaja, mittelineaarne murdumisnäitaja ja proportsionaalsustegur. Selle valemi lisatermin võib olla kas positiivne või negatiivne.
Murdumisnäitaja suhtelised muutused on suhteliselt väikesed. Kell 
mittelineaarne murdumisnäitaja. Kuid isegi sellised väikesed murdumisnäitaja muutused on märgatavad: need avalduvad valguse iseteravustamise omapärases nähtuses.
Vaatleme positiivse mittelineaarse murdumisnäitajaga keskkonda. Sel juhul on suurenenud valguse intensiivsusega alad samaaegselt suurenenud murdumisnäitaja piirkonnad. Tavaliselt on tõelise laserkiirguse korral intensiivsuse jaotus kiirtekiire ristlõikes ebaühtlane: intensiivsus on maksimaalne piki telge ja väheneb sujuvalt kiire servade suunas, nagu on näidatud joonisel fig. 185 tahket kõverat. Sarnane jaotus kirjeldab ka murdumisnäitaja muutust raku ristlõikes mittelineaarse keskkonnaga, mille telge mööda laserkiir levib. Murdumisnäitaja, mis on suurim piki küveti telge, väheneb sujuvalt selle seinte suunas (katkendlikud kõverad joonisel 185).
Laserist teljega paralleelselt väljuv kiirtekiir, mis siseneb muutuva murdumisnäitajaga keskkonda, kaldub sellesse suunda, kus see on suurem. Seetõttu põhjustab suurenenud intensiivsus küveti lähedal selles piirkonnas valguskiirte kontsentratsiooni, mis on skemaatiliselt näidatud ristlõigetes ja joonisel fig. 185 ja see toob kaasa edasise kasvu. Lõppkokkuvõttes väheneb oluliselt mittelineaarset keskkonda läbiva valguskiire efektiivne ristlõige. Valgus läbib kitsa kanali, millel on kõrge murdumisnäitaja. Seega kitseneb laserkiirte kiir ja intensiivse kiirguse mõjul mittelineaarne keskkond toimib koguva läätsena. Seda nähtust nimetatakse enesefokuseerimiseks. Seda võib täheldada näiteks vedelas nitrobenseenis.
Riis. 185. Kiirguse intensiivsuse ja murdumisnäitaja jaotus laserkiire ristlõikel küveti sissepääsu juures (a), sisendotsa lähedal (), keskel (), küveti väljundotsa lähedal ( )
Söötme murdumisnäitaja vaakumi suhtes, s.o valguskiirte vaakumist keskkonnasse ülemineku korral, nimetatakse absoluutseks ja määratakse valemiga (27.10): n=c/v.
Arvutamisel võetakse tabelitest absoluutsed murdumisnäitajad, kuna nende väärtus määratakse katsetega üsna täpselt. Kuna c on suurem kui v, siis Absoluutne murdumisnäitaja on alati suurem kui ühtsus.
Kui valguskiirgus liigub vaakumist keskkonda, kirjutatakse teise murdumisseaduse valem järgmiselt:
sin i/sin β = n. (29,6)
Valemit (29.6) kasutatakse praktikas sageli, kui kiired liiguvad õhust keskkonda, kuna valguse levimise kiirus õhus erineb väga vähe kiirusest c. Seda on näha sellest, et õhu absoluutne murdumisnäitaja on 1,0029.
Kui kiir läheb keskkonnast vaakumisse (õhku), on teise murdumisseaduse valem järgmine:
sin i/sin β = 1 /n. (29,7)
Sel juhul eemalduvad kiired keskkonnast lahkudes tingimata keskkonna ja vaakumi vahelisest ristsuunast.
Uurime, kuidas absoluutsete murdumisnäitajate põhjal leida suhteline murdumisnäitaja n21. Laske valgusel liikuda absoluutse eksponendiga n1 keskkonnast absoluutse eksponendiga n2 keskkonnale. Siis n1 = c/V1 jan2 = c/v2, alates:
n2/n1=v1/v2=n21. (29,8)
Sellise juhtumi teise murdumisseaduse valem kirjutatakse sageli järgmiselt:
sin i/sin β = n2/n1. (29,9)
Pidagem seda meeles Maxwelli teooria absoluutne eksponent murdumise saab leida seosest: n = √(με). Kuna valguskiirgusele läbipaistvate ainete puhul on μ praktiliselt võrdne ühtsusega, võime eeldada, et:
n = √ε. (29.10)
Kuna valguskiirguse võnkumiste sagedus on suurusjärgus 10 14 Hz, siis ei ole dielektriku suhteliselt suure massiga dipoolidel ega ioonidel aega sellise sagedusega oma asendit muuta ning aine dielektrilisi omadusi. nendes tingimustes määrab ainult selle aatomite elektrooniline polarisatsioon. See on täpselt see, mis seletab erinevust väärtuse ε= vaheln 2 alates (29.10) ja ε st elektrostaatikas. Niisiis, vee puhul ε = n 2 = 1,77 ja ε st = 81; ioonse tahke dielektriku NaCl puhul ε = 2,25 ja ε st = 5,6. Kui aine koosneb homogeensetest aatomitest või mittepolaarsetest molekulidest, see tähendab, et see ei sisalda ioone ega looduslikke dipoole, saab selle polarisatsioon olla ainult elektrooniline. Sarnaste ainete puhul langevad ε alates (29.10) ja ε st kokku. Sellise aine näiteks on teemant, mis koosneb ainult süsinikuaatomitest.
Pange tähele, et absoluutse murdumisnäitaja väärtus sõltub lisaks aine tüübile ka võnkesagedusest ehk kiirguse lainepikkusest. . Kui lainepikkus väheneb, siis reeglina murdumisnäitaja suureneb.