Fysikkens lover spiller en veldig viktig rolle når du utfører beregninger for å planlegge en spesifikk strategi for produksjon av ethvert produkt eller når du utarbeider et prosjekt for konstruksjon av strukturer for ulike formål. Det beregnes mange mengder, så målinger og beregninger gjøres før planarbeidet starter. For eksempel er brytningsindeksen til glass lik forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen.
Så først er det prosessen med å måle vinklene, deretter beregnes sinusen deres, og først da kan den ønskede verdien oppnås. Til tross for tilgjengeligheten av tabelldata, er det verdt å utføre ytterligere beregninger hver gang, siden referansebøker ofte bruker ideelle forhold, som er nesten umulige å oppnå i det virkelige liv. Derfor vil indikatoren i virkeligheten nødvendigvis avvike fra tabellen, og i noen situasjoner er dette av grunnleggende betydning.
Absolutt indikator
Den absolutte brytningsindeksen avhenger av glassmerket, siden det i praksis er et stort antall alternativer som er forskjellige i sammensetning og grad av gjennomsiktighet. I gjennomsnitt er den 1,5 og svinger rundt denne verdien med 0,2 i en eller annen retning. I sjeldne tilfeller kan det være avvik fra denne figuren.
Igjen, hvis en nøyaktig indikator er viktig, kan ytterligere målinger ikke unngås. Men de gir heller ikke et 100 % pålitelig resultat, siden sluttverdien vil bli påvirket av solens posisjon på himmelen og skyet på måledagen. Heldigvis er det i 99,99% av tilfellene nok å bare vite at brytningsindeksen til et materiale som glass er større enn én og mindre enn to, og alle andre tideler og hundredeler spiller ingen rolle.
På fora som hjelper til med å løse fysikkproblemer, dukker ofte spørsmålet opp: hva er brytningsindeksen til glass og diamant? Mange tror at siden disse to stoffene er like i utseende, bør egenskapene deres være omtrent de samme. Men dette er en misforståelse.
Maksimal brytning av glass vil være rundt 1,7, mens for diamant når denne indikatoren 2,42. Denne edelstenen er et av de få materialene på jorden hvis brytningsindeks overstiger 2. Dette skyldes dens krystallinske struktur og det høye nivået av spredning av lysstråler. Kuttet spiller en minimal rolle i endringer i tabellverdien.
Relativ indikator
Den relative indikatoren for noen miljøer kan karakteriseres som følger:
- - brytningsindeksen til glass i forhold til vann er omtrent 1,18;
- - brytningsindeksen til det samme materialet i forhold til luft er lik 1,5;
- - brytningsindeks i forhold til alkohol - 1,1.
Målinger av indikatoren og beregninger av den relative verdien utføres i henhold til en velkjent algoritme. For å finne en relativ parameter må du dele en tabellverdi med en annen. Eller foreta eksperimentelle beregninger for to miljøer, og deretter dele de innhentede dataene. Slike operasjoner utføres ofte i laboratoriefysikkklasser.
Bestemmelse av brytningsindeks
Å bestemme brytningsindeksen til glass i praksis er ganske vanskelig, fordi høypresisjonsinstrumenter kreves for å måle de første dataene. Eventuelle feil vil øke, siden beregningen bruker komplekse formler som krever fravær av feil.
Generelt viser denne koeffisienten hvor mange ganger lysstrålenes forplantningshastighet reduseres når den passerer gjennom en viss hindring. Derfor er det typisk bare for gjennomsiktige materialer. Brytningsindeksen til gasser tas som referanseverdi, det vil si som en enhet. Dette ble gjort slik at det var mulig å ta utgangspunkt i en eller annen verdi ved beregninger.
Hvis en solstråle faller på overflaten av glass med en brytningsindeks som er lik tabellverdien, kan den endres på flere måter:
- 1. Lim en film på toppen hvis brytningsindeks vil være høyere enn glass. Dette prinsippet brukes ved toning av bilvinduer for å forbedre passasjerkomforten og gi føreren klarere oversikt over trafikkforholdene. Filmen vil også hemme ultrafiolett stråling.
- 2. Mal glasset med maling. Produsenter av billige solbriller gjør dette, men det er verdt å vurdere at dette kan være skadelig for synet. I gode modeller produseres glasset umiddelbart farget ved hjelp av en spesiell teknologi.
- 3. Senk glasset i litt væske. Dette er bare nyttig for eksperimenter.
Hvis en lysstråle passerer fra glass, beregnes brytningsindeksen på neste materiale ved å bruke en relativ koeffisient, som kan oppnås ved å sammenligne tabellverdier. Disse beregningene er svært viktige i utformingen av optiske systemer som bærer praktiske eller eksperimentelle belastninger. Feil her er uakseptable, fordi de vil føre til feil drift av hele enheten, og da vil data som er oppnådd med dens hjelp være ubrukelige.
For å bestemme lyshastigheten i glass med brytningsindeks, må du dele den absolutte verdien av hastigheten i et vakuum med brytningsindeksen. Vakuum brukes som et referansemedium fordi refraksjon ikke fungerer der på grunn av fravær av stoffer som kan forstyrre den jevne bevegelsen av lysstråler langs en gitt bane.
I alle beregnede indikatorer vil hastigheten være mindre enn i referansemediet, siden brytningsindeksen alltid er større enn enhet.
Brytningsindeks
Brytningsindeks stoffer - en verdi lik forholdet mellom fasehastighetene til lys (elektromagnetiske bølger) i et vakuum og i et gitt medium. I tillegg snakkes det noen ganger om brytningsindeksen for alle andre bølger, for eksempel lyd, selv om i tilfeller som sistnevnte, definisjonen selvfølgelig må endres på en eller annen måte.
Brytningsindeksen avhenger av stoffets egenskaper og bølgelengden til strålingen for noen stoffer, brytningsindeksen endres ganske kraftig når frekvensen av elektromagnetiske bølger endres fra lave frekvenser til optiske og utover, og kan også endre seg enda kraftigere i; visse områder av frekvensskalaen. Standarden refererer vanligvis til det optiske området eller området som bestemmes av konteksten.
Lenker
- RefractiveIndex.INFO brytningsindeksdatabase
Wikimedia Foundation. 2010.
Se hva "brytningsindeks" er i andre ordbøker:
Relativt til to medier n21, dimensjonsløst forhold mellom forplantningshastighetene til optisk stråling (c lys) i det første (c1) og andre (c2) mediet: n21 = c1/c2. Samtidig gjelder det. P. p er forholdet mellom sinusene til g l a p a d e n i j og y g l ... ... Fysisk leksikon
Se brytningsindeks...
Se brytningsindeks. * * * REFRACTIVE INDEX REFRACTIVE INDEX, se Brytningsindeks (se REFRACTIVE INDEX) ... encyklopedisk ordbok- REFRACTIVE INDEX, en mengde som karakteriserer mediet og lik forholdet mellom lysets hastighet i vakuum og lysets hastighet i mediet (absolutt brytningsindeks). Brytningsindeksen n avhenger av dielektrisk e og magnetisk permeabilitet m... ... Illustrert encyklopedisk ordbok
- (se REFRAKTIONSINDEKS). Fysisk leksikon ordbok. M.: Sovjetisk leksikon. Sjefredaktør A. M. Prokhorov. 1983 ... Fysisk leksikon
Se brytningsindeks... Stor sovjetisk leksikon
Forholdet mellom lysets hastighet i vakuum og lysets hastighet i et medium (absolutt brytningsindeks). Den relative brytningsindeksen til 2 medier er forholdet mellom lyshastigheten i mediet som lyset faller fra på grensesnittet og lysets hastighet i den andre... ... Stor encyklopedisk ordbok
Bruksområder for refraktometri.
Design og prinsipp for drift av IRF-22 refraktometer.
Konseptet med brytningsindeks.
Plan
Refraktometri. Egenskaper og essens i metoden.
For å identifisere stoffer og sjekke renheten deres bruker de
refraksjon maker.
Brytningsindeks for et stoff- en verdi lik forholdet mellom lysets fasehastigheter (elektromagnetiske bølger) i et vakuum og i et synlig medium.
Brytningsindeksen avhenger av stoffets egenskaper og bølgelengden
elektromagnetisk stråling. Forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen i forhold til
normalen trukket til brytningsplanet (α) til strålen til sinusen til brytningsvinkelen
brytning (β) når en stråle går fra medium A til medium B kalles den relative brytningsindeksen for dette medieparet.
Verdien n er den relative brytningsindeksen til medium B iht
forhold til miljø A, og
Relativ brytningsindeks for medium A mht
Brytningsindeksen til en stråle som faller inn på et medium fra en airless
rommet kalles dens absolutte brytningsindeks eller
ganske enkelt brytningsindeksen til et gitt medium (tabell 1).
Tabell 1 - Brytningsindekser for ulike medier
Væsker har en brytningsindeks i området 1,2-1,9. Fast
stoffer 1,3-4,0. Noen mineraler har ikke en eksakt verdi
for brytning. Dens verdi er i noen "gaffel" og bestemmer
på grunn av tilstedeværelsen av urenheter i krystallstrukturen, som bestemmer fargen
krystall.
Det er vanskelig å identifisere et mineral med "farge". Således eksisterer mineralet korund i form av rubin, safir, leukosafir, forskjellig i
brytningsindeks og farge. Røde korund kalles rubiner
(krom urenhet), fargeløs blå, lyseblå, rosa, gul, grønn,
lilla - safirer (blandinger av kobolt, titan, etc.). Lys farget
hvite safirer eller fargeløs korund kalles leukosafir (utbredt
brukes i optikk som et filter). Brytningsindeksen til disse krystallene
stål ligger i området 1.757-1.778 og er grunnlaget for å identifisere
Figur 3.1 – Ruby Figur 3.2 – Blå safir
Organiske og uorganiske væsker har også karakteristiske brytningsindeksverdier som karakteriserer dem som kjemiske
Russiske forbindelser og kvaliteten på deres syntese (tabell 2):
Tabell 2 - Brytningsindekser for noen væsker ved 20 °C
4.2. Refraktometri: konsept, prinsipp.
En metode for å studere stoffer basert på å bestemme en indikator
(indeks) av brytning (brytning) kalles refraktometri (fra
lat. refractus - brutt og gresk. meter - jeg måler). Refraktometri
(refraktometrisk metode) brukes til å identifisere kjemikalier
forbindelser, kvantitativ og strukturell analyse, bestemmelse av fysikalsk
kjemiske parametere for stoffer. Prinsippet om refraktometri implementert
i Abbe refraktometre, er illustrert i figur 1.
Figur 1 - Prinsipp for refraktometri
Abbe-prismeblokken består av to rektangulære prismer: belysning
telial og målende, foldet av hypotenusansikter. Illuminator-
Dette prismet har en grov (matt) hypotenusflate og er beregnet
chen for å belyse en prøve av væske plassert mellom prismene.
Spredt lys passerer gjennom et plan-parallelt lag av væsken som studeres og, blir brutt i væsken, faller ned på måleprismet. Måleprismet er laget av optisk tett glass (tung flint) og har en brytningsindeks større enn 1,7. Av denne grunn måler Abbe refraktometer n verdier mindre enn 1,7. Å øke måleområdet for brytningsindeksen kan bare oppnås ved å bytte ut måleprismet.
Testprøven helles på hypotenusflaten til måleprismet og presses med et lysende prisme. I dette tilfellet gjenstår et gap på 0,1-0,2 mm mellom prismene der prøven er plassert, og gjennom
som går gjennom brutt lys. For å måle brytningsindeksen
bruke fenomenet total intern refleksjon. Den ligger i
neste.
Hvis strålene 1, 2, 3 faller på grensesnittet mellom to medier, så avhengig
avhengig av innfallsvinkelen når du observerer dem i brytningsmediet vil være
Det er en overgang mellom områder med forskjellig belysning. Det er koblet sammen
med en del av lyset som faller på brytningsgrensen i en vinkel nær
kim til 90° i forhold til normalen (bjelke 3). (Figur 2).
Figur 2 – Bilde av refrakterte stråler
Denne delen av strålene reflekteres ikke og danner derfor et lettere miljø.
kraft under brytning. Stråler med mindre vinkler opplever også refleksjon
og brytning. Derfor dannes et område med mindre belysning. I volum
Grenselinjen for total intern refleksjon er synlig på linsen, posisjonen
som avhenger av prøvens brytningsegenskaper.
Eliminering av spredningsfenomenet (farging av grensesnittet mellom to belysningsområder i regnbuens farger på grunn av bruken av komplekst hvitt lys i Abbe refraktometre) oppnås ved å bruke to Amici-prismer i kompensatoren, som er montert i teleskopet . Samtidig projiseres en skala inn i linsen (Figur 3). For analyse er 0,05 ml væske tilstrekkelig.
Figur 3 - Se gjennom refraktometer-okularet. (Riktig skala gjenspeiler
konsentrasjon av den målte komponenten i ppm)
I tillegg til analysen av enkeltkomponentprøver,
to-komponent systemer (vandige løsninger, løsninger av stoffer der
eller løsemiddel). I ideelle tokomponentsystemer (forming
uten å endre volumet og polariserbarheten til komponentene), viser avhengigheten
Avhengigheten av brytning av sammensetning er nær lineær hvis sammensetningen er uttrykt i
volumbrøker (prosent)
hvor: n, n1, n2 - brytningsindekser for blandingen og komponentene,
V1 og V2 er volumfraksjonene av komponentene (V1 + V2 = 1).
Effekten av temperatur på brytningsindeksen bestemmes av to
faktorer: endring i antall væskepartikler per volumenhet og
avhengigheten av polariserbarheten til molekyler av temperatur. Den andre faktoren ble
blir signifikant bare ved svært store temperaturendringer.
Temperaturkoeffisienten til brytningsindeksen er proporsjonal med temperaturkoeffisienten for tetthet. Siden alle væsker utvider seg når de varmes opp, synker brytningsindeksene deres når temperaturen øker. Temperaturkoeffisienten avhenger av væskens temperatur, men i små temperaturintervaller kan den betraktes som konstant. Av denne grunn har de fleste refraktometre ikke temperaturkontroll, men noen design gir
vanntermostat.
Lineær ekstrapolering av brytningsindeksen med temperaturendringer er akseptabel for små temperaturforskjeller (10 – 20°C).
Nøyaktig bestemmelse av brytningsindeksen i brede temperaturområder utføres ved å bruke empiriske formler av formen:
nt=n0+ved+bt2+…
For refraktometri av løsninger over brede konsentrasjonsområder
bruke tabeller eller empiriske formler. Visningsavhengighet -
brytningsindeks for vandige løsninger av noen stoffer avhengig av konsentrasjon
er nær lineær og gjør det mulig å bestemme konsentrasjonene av disse stoffene i
vann i brede konsentrasjonsområder (Figur 4) ved bruk av refraksjon
tometer.
Figur 4 - Brytningsindeks for noen vandige løsninger
Vanligvis bestemmes n flytende og faste legemer av refraktometre med presisjon
opptil 0,0001. De vanligste er Abbe refraktometre (Figur 5) med prismeblokker og spredningskompensatorer, som gjør at nD kan bestemmes i "hvitt" lys ved hjelp av en skala eller digital indikator.
Figur 5 - Abbe refraktometer (IRF-454; IRF-22)
Lys går i sin natur gjennom forskjellige medier med forskjellige hastigheter. Jo tettere mediet er, desto lavere blir lysets forplantningshastighet i det. Det er etablert et passende mål som både relaterer seg til materialets tetthet og hastigheten på lysets forplantning i det materialet. Dette målet ble kalt brytningsindeksen. For ethvert materiale måles brytningsindeksen i forhold til lysets hastighet i et vakuum (vakuum kalles ofte ledig plass). Følgende formel beskriver dette forholdet.
Jo høyere brytningsindeksen til et materiale er, jo tettere er det. Når en lysstråle går fra et materiale til et annet (med en annen brytningsindeks), vil brytningsvinkelen være forskjellig fra innfallsvinkelen. En lysstråle som trenger inn i et medium med lavere brytningsindeks, vil gå ut i en vinkel som er større enn innfallsvinkelen. En lysstråle som trenger inn i et medium med høy brytningsindeks vil gå ut i en vinkel mindre enn innfallsvinkelen. Dette er vist i fig. 3.5.
Ris. 3.5.a. Stråle som går fra et høyt N 1 medium til et lavt N 2 medium
Ris. 3.5.b. En stråle som går fra et lavt N 1 medium til et høyt N 2 medium
I dette tilfellet er θ 1 innfallsvinkelen, og θ 2 er brytningsvinkelen. Noen typiske brytningsindekser er listet opp nedenfor.
Det er interessant å merke seg at for røntgenstråler er brytningsindeksen til glass alltid mindre enn for luft, så når de går fra luft til glass, avbøyes de bort fra perpendikulæren, og ikke mot perpendikulæren, som lysstråler.
La oss gå over til en mer detaljert betraktning av brytningsindeksen, som vi introduserte i §81 ved utformingen av brytningsloven.
Brytningsindeksen avhenger av de optiske egenskapene til både mediet som strålen faller fra og mediet den trenger inn i. Brytningsindeksen oppnådd når lys fra et vakuum faller på et hvilket som helst medium kalles den absolutte brytningsindeksen til det mediet.
Ris. 184. Relativ brytningsindeks for to medier:
La den absolutte brytningsindeksen til det første mediet være og det andre mediet - . Med tanke på brytning ved grensen til det første og andre mediet, sørger vi for at brytningsindeksen under overgangen fra det første mediet til det andre, den såkalte relative brytningsindeksen, er lik forholdet mellom de absolutte brytningsindeksene til andre og første media:
(Fig. 184). Tvert imot, når vi går fra det andre mediet til det første, har vi en relativ brytningsindeks
Den etablerte forbindelsen mellom den relative brytningsindeksen til to medier og deres absolutte brytningsindekser kunne utledes teoretisk, uten nye eksperimenter, akkurat som dette kan gjøres for reversibilitetsloven (§82),
Et medium med høyere brytningsindeks kalles optisk tettere. Brytningsindeksen til forskjellige medier i forhold til luft måles vanligvis. Den absolutte brytningsindeksen til luft er . Dermed er den absolutte brytningsindeksen til ethvert medium relatert til brytningsindeksen i forhold til luft med formelen
Tabell 6. Brytningsindeks for ulike stoffer i forhold til luft
|
Væsker |
Faste stoffer |
||
|
Substans |
Substans |
||
|
Etanol |
|||
|
Karbondisulfid |
|||
|
Glyserol |
Glass (lys krone) |
||
|
Flytende hydrogen |
Glass (tung flint) |
||
|
Flytende helium |
|||
Brytningsindeksen avhenger av lysets bølgelengde, dvs. av fargen. Ulike farger tilsvarer forskjellige brytningsindekser. Dette fenomenet, kalt dispersjon, spiller en viktig rolle i optikk. Vi vil behandle dette fenomenet gjentatte ganger i påfølgende kapitler. Dataene gitt i tabellen. 6, se gult lys.
Det er interessant å merke seg at loven om refleksjon formelt kan skrives i samme form som brytningsloven. La oss huske at vi ble enige om å alltid måle vinkler fra vinkelrett til den tilsvarende strålen. Derfor må vi vurdere innfallsvinkelen og refleksjonsvinkelen til å ha motsatte fortegn, dvs. loven om refleksjon kan skrives som
Ved å sammenligne (83.4) med brytningsloven ser vi at refleksjonsloven kan betraktes som et spesialtilfelle av brytningsloven ved . Denne formelle likheten mellom refleksjons- og refraksjonslovene er til stor nytte for å løse praktiske problemer.
I den forrige presentasjonen hadde brytningsindeksen betydningen av en konstant for mediet, uavhengig av intensiteten til lyset som passerer gjennom det. Denne tolkningen av brytningsindeksen er ganske naturlig, men i tilfelle av høye strålingsintensiteter, oppnåelig med moderne lasere, er det ikke berettiget. Egenskapene til mediet som sterk lysstråling passerer avhenger i dette tilfellet av intensiteten. Som de sier, blir miljøet ikke-lineært. Mediets ikke-linearitet manifesterer seg spesielt i det faktum at en lysbølge med høy intensitet endrer brytningsindeksen. Brytningsindeksens avhengighet av strålingsintensiteten har formen
Her er den vanlige brytningsindeksen, og er den ikke-lineære brytningsindeksen, og er proporsjonalitetsfaktoren. Tilleggsleddet i denne formelen kan enten være positivt eller negativt.
De relative endringene i brytningsindeksen er relativt små. Ved ikke-lineær brytningsindeks. Imidlertid er selv slike små endringer i brytningsindeksen merkbare: de manifesterer seg i et særegent fenomen med selvfokusering av lys.
La oss vurdere et medium med en positiv ikke-lineær brytningsindeks. I dette tilfellet er områder med økt lysintensitet samtidig områder med økt brytningsindeks. Vanligvis, i ekte laserstråling, er intensitetsfordelingen over tverrsnittet til en strålestråle ujevn: intensiteten er maksimal langs aksen og avtar jevnt mot kantene av strålen, som vist i fig. 185 solide kurver. En lignende fordeling beskriver også endringen i brytningsindeksen over tverrsnittet av en celle med et ikke-lineært medium langs laserstrålens akse. Brytningsindeksen, som er størst langs kyvettens akse, avtar jevnt mot veggene (stiplede kurver i fig. 185).
En stråle av stråler som forlater laseren parallelt med aksen og går inn i et medium med variabel brytningsindeks, avbøyes i retningen hvor den er større. Derfor fører den økte intensiteten nær kyvetten til en konsentrasjon av lysstråler i dette området, vist skjematisk i tverrsnitt og i fig. 185,- og dette fører til en ytterligere økning. Til syvende og sist blir det effektive tverrsnittet av en lysstråle som passerer gjennom et ikke-lineært medium betydelig redusert. Lys passerer gjennom en smal kanal med høy brytningsindeks. Dermed blir laserstrålen av stråler innsnevret, og det ikke-lineære mediet, under påvirkning av intens stråling, fungerer som en samlelinse. Dette fenomenet kalles selvfokusering. Det kan observeres for eksempel i flytende nitrobenzen.
Ris. 185. Fordeling av strålingsintensitet og brytningsindeks over tverrsnittet av en laserstråle av stråler ved inngangen til kyvetten (a), nær inngangsenden (), i midten (), nær utgangsenden av kyvetten ( )