Khúc xạ hay khúc xạ là hiện tượng hướng của tia sáng hoặc các sóng khác thay đổi khi chúng đi qua ranh giới ngăn cách hai môi trường, cả trong suốt (truyền các sóng này) và bên trong môi trường có tính chất liên tục thay đổi.
Chúng ta gặp hiện tượng khúc xạ khá thường xuyên và coi đó là một hiện tượng hàng ngày: chúng ta có thể thấy một cây gậy đặt trong một tấm kính trong suốt chứa chất lỏng màu bị “vỡ” ở điểm phân tách không khí và nước (Hình 1). Khi ánh sáng bị khúc xạ và phản xạ trong mưa, chúng ta vui mừng khi nhìn thấy cầu vồng (Hình 2).
Chỉ số khúc xạ là một đặc tính quan trọng của một chất gắn liền với các tính chất hóa lý của nó. Nó phụ thuộc vào các giá trị nhiệt độ cũng như bước sóng ánh sáng tại đó việc xác định được thực hiện. Theo dữ liệu kiểm soát chất lượng trong dung dịch, chỉ số khúc xạ bị ảnh hưởng bởi nồng độ của chất hòa tan trong đó, cũng như bản chất của dung môi. Đặc biệt, chỉ số khúc xạ của huyết thanh bị ảnh hưởng bởi lượng protein có trong nó. Điều này là do với tốc độ truyền khác nhau của các tia sáng trong môi trường có mật độ khác nhau, hướng của chúng thay đổi ở bề mặt tiếp xúc giữa hai môi trường. phương tiện truyền thông. Nếu chúng ta chia tốc độ ánh sáng trong chân không cho tốc độ ánh sáng trong chất đang nghiên cứu thì chúng ta thu được chiết suất tuyệt đối (chiết suất). Trong thực tế, chiết suất tương đối (n) được xác định, đó là tỷ số giữa tốc độ ánh sáng trong không khí và tốc độ ánh sáng trong chất đang nghiên cứu.
Chỉ số khúc xạ được xác định định lượng bằng một thiết bị đặc biệt - khúc xạ kế.
Đo khúc xạ là một trong những phương pháp phân tích vật lý đơn giản nhất và có thể được sử dụng trong các phòng thí nghiệm kiểm soát chất lượng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, phụ gia thực phẩm có hoạt tính sinh học, mỹ phẩm và các loại sản phẩm khác với thời gian và số lượng mẫu thử nghiệm tối thiểu.
Thiết kế của khúc xạ kế dựa trên thực tế là các tia sáng bị phản xạ hoàn toàn khi chúng đi qua ranh giới của hai môi trường (một trong số chúng là lăng kính thủy tinh, cái còn lại là dung dịch thử) (Hình 3).
 |
| Cơm. 3. Sơ đồ khúc xạ kế |
Từ nguồn (1), chùm sáng chiếu tới mặt gương (2), sau đó bị phản xạ, đi vào lăng kính chiếu sáng phía trên (3), sau đó đi vào lăng kính đo phía dưới (4), được làm bằng thủy tinh với chỉ số khúc xạ cao. Nhỏ 1–2 giọt mẫu vào giữa lăng kính (3) và (4) bằng mao quản. Để tránh gây hư hỏng cơ học cho lăng kính, không được để mao mạch chạm vào bề mặt của nó.
Thông qua thị kính (9), một trường có các đường chéo được nhìn thấy để thiết lập giao diện. Khi di chuyển thị kính, điểm giao nhau của các trường phải thẳng hàng với mặt phân cách (Hình 4). Mặt phẳng của lăng kính (4) đóng vai trò là mặt phân cách, trên bề mặt của chùm sáng bị khúc xạ. Vì các tia bị tán xạ nên ranh giới giữa ánh sáng và bóng tối trở nên mờ ảo, óng ánh. Hiện tượng này được loại bỏ nhờ bộ bù tán sắc (5). Sau đó chùm tia đi qua thấu kính (6) và lăng kính (7). Tấm (8) có các đường ngắm (hai đường thẳng cắt nhau), cũng như thang đo có chiết suất, được quan sát qua thị kính (9). Chỉ số khúc xạ được tính toán từ nó.
Đường phân chia giữa các ranh giới trường sẽ tương ứng với góc phản xạ toàn phần bên trong, góc này phụ thuộc vào chiết suất của mẫu.
Khúc xạ kế được sử dụng để xác định độ tinh khiết và tính xác thực của một chất. Phương pháp này cũng được sử dụng để xác định nồng độ của các chất trong dung dịch trong quá trình kiểm soát chất lượng, được tính toán bằng biểu đồ hiệu chuẩn (biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của chỉ số khúc xạ của mẫu vào nồng độ của nó).
Tại công ty KorolevPharm, chỉ số khúc xạ được xác định theo tài liệu quy định đã được phê duyệt trong quá trình kiểm soát nguyên liệu thô đầu vào, trong chiết xuất sản phẩm của chính chúng tôi, cũng như trong quá trình xuất xưởng thành phẩm. Việc xác định được thực hiện bởi các nhân viên có trình độ của phòng thí nghiệm vật lý và hóa học được công nhận sử dụng khúc xạ kế IRF-454 B2M.
Nếu căn cứ vào kết quả kiểm tra nguyên liệu đầu vào, chỉ số khúc xạ không đạt yêu cầu cần thiết thì bộ phận kiểm soát chất lượng sẽ cấp Giấy chứng nhận không phù hợp, trên cơ sở lô nguyên liệu này được trả lại cơ sở sản xuất. nhà cung cấp.
Phương pháp xác định
1. Trước khi bắt đầu đo, phải kiểm tra độ sạch của các bề mặt lăng kính tiếp xúc với nhau.
2. Kiểm tra điểm 0. Nhỏ 2-3 giọt nước cất lên bề mặt lăng kính đo và đậy cẩn thận bằng lăng kính chiếu sáng. Chúng tôi mở cửa sổ chiếu sáng và sử dụng gương để lắp đặt nguồn sáng theo hướng có cường độ mạnh nhất. Bằng cách xoay các vít của thị kính, chúng ta có được sự phân biệt rõ ràng, sắc nét giữa vùng tối và vùng sáng trong trường nhìn của nó. Chúng ta xoay vít và hướng đường bóng và ánh sáng sao cho trùng với điểm mà các đường giao nhau ở cửa sổ phía trên của thị kính. Trên đường thẳng đứng ở cửa sổ phía dưới của thị kính, chúng ta thấy kết quả mong muốn - chiết suất của nước cất ở 20 ° C (1,333). Nếu số đọc khác nhau, hãy sử dụng vít để đặt chỉ số khúc xạ thành 1.333 và dùng phím (tháo vít điều chỉnh) đưa ranh giới của bóng và ánh sáng đến điểm các đường thẳng giao nhau.
 |
3. Xác định chiết suất. Chúng tôi nâng khoang của lăng kính chiếu sáng và loại bỏ nước bằng giấy lọc hoặc khăn ăn bằng gạc. Tiếp theo, nhỏ 1-2 giọt dung dịch thử lên bề mặt lăng kính đo và đóng kín buồng đo. Xoay vít cho đến khi ranh giới của bóng và ánh sáng trùng với điểm giao nhau của các đường. Trên đường thẳng đứng ở cửa sổ phía dưới của thị kính, chúng ta thấy kết quả mong muốn - chiết suất của mẫu thử. Chúng tôi tính toán chỉ số khúc xạ bằng thang đo ở cửa sổ phía dưới của thị kính.
4. Sử dụng đồ thị hiệu chuẩn, chúng ta thiết lập mối quan hệ giữa nồng độ của dung dịch và chiết suất. Để xây dựng biểu đồ, cần chuẩn bị các dung dịch chuẩn có nồng độ khác nhau bằng cách sử dụng các chế phẩm có chất tinh khiết về mặt hóa học, đo chỉ số khúc xạ của chúng và vẽ các giá trị thu được trên trục hoành và nồng độ tương ứng của dung dịch trên trục hoành. Cần phải chọn các khoảng nồng độ tại đó quan sát được mối quan hệ tuyến tính giữa nồng độ và chỉ số khúc xạ. Chúng tôi đo chỉ số khúc xạ của mẫu đang nghiên cứu và sử dụng biểu đồ để xác định nồng độ của nó.
Các quá trình liên quan đến ánh sáng là một thành phần quan trọng của vật lý và bao quanh chúng ta ở mọi nơi trong cuộc sống hàng ngày. Điều quan trọng nhất trong tình huống này là các định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng, nền tảng của quang học hiện đại. Sự khúc xạ ánh sáng là một phần quan trọng của khoa học hiện đại.
Hiệu ứng biến dạng
Bài viết này sẽ cho bạn biết hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì, cũng như định luật khúc xạ trông như thế nào và điều gì dẫn đến nó.
Cơ sở của một hiện tượng vật lý
Khi một chùm tia rơi trên một bề mặt được ngăn cách bởi hai chất trong suốt có mật độ quang học khác nhau (ví dụ: thủy tinh khác nhau hoặc trong nước), một số tia sẽ bị phản xạ và một số sẽ xuyên qua cấu trúc thứ hai (ví dụ: chúng sẽ lan truyền trong nước hoặc thủy tinh). Khi di chuyển từ môi trường này sang môi trường khác, tia sáng thường thay đổi hướng của nó. Đây là hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Sự phản xạ và khúc xạ của ánh sáng đặc biệt rõ ràng trong nước.
Hiệu ứng biến dạng trong nước
Nhìn vào những thứ trong nước, chúng có vẻ méo mó. Điều này đặc biệt đáng chú ý ở ranh giới giữa không khí và nước. Nhìn bề ngoài, các vật thể dưới nước dường như bị lệch một chút. Hiện tượng vật lý được mô tả chính xác là lý do tại sao mọi vật thể đều bị biến dạng trong nước. Khi các tia chiếu vào kính, hiệu ứng này ít được chú ý hơn.
Khúc xạ ánh sáng là một hiện tượng vật lý được đặc trưng bởi sự thay đổi hướng chuyển động của tia mặt trời tại thời điểm nó di chuyển từ môi trường (cấu trúc) này sang môi trường (cấu trúc) khác.
Để nâng cao hiểu biết của chúng ta về quá trình này, hãy xem xét một ví dụ về một chùm tia chạm vào nước từ không khí (tương tự đối với thủy tinh). Bằng cách vẽ một đường vuông góc dọc theo bề mặt, có thể đo được góc khúc xạ và phản xạ của chùm sáng. Chỉ số này (góc khúc xạ) sẽ thay đổi khi dòng nước xuyên qua nước (bên trong kính).
Hãy chú ý! Thông số này được hiểu là góc tạo bởi đường vuông góc vẽ đường phân cách giữa hai chất khi một chùm tia xuyên qua từ cấu trúc thứ nhất đến cấu trúc thứ hai.
Tia đi qua
Chỉ báo tương tự là điển hình cho các môi trường khác. Người ta đã xác định rằng chỉ số này phụ thuộc vào mật độ của chất. Nếu chùm tia rơi từ cấu trúc ít đậm đặc hơn sang cấu trúc dày đặc hơn thì góc biến dạng được tạo ra sẽ lớn hơn. Và nếu ngược lại thì ít hơn.
Đồng thời, sự thay đổi độ dốc giảm cũng sẽ ảnh hưởng đến chỉ báo này. Nhưng mối quan hệ giữa họ không duy trì liên tục. Đồng thời, tỷ số sin của chúng sẽ giữ nguyên giá trị không đổi, được thể hiện bằng công thức sau: sinα / sinγ = n, trong đó:
- n là giá trị không đổi được mô tả cho từng chất cụ thể (không khí, thủy tinh, nước, v.v.). Do đó, giá trị này có thể được xác định bằng cách sử dụng các bảng đặc biệt;
- α - góc tới;
- γ – góc khúc xạ.
Để xác định hiện tượng vật lý này, định luật khúc xạ đã được tạo ra.
Định luật vật lý
Định luật khúc xạ thông lượng ánh sáng cho phép chúng ta xác định tính chất của các chất trong suốt. Bản thân luật bao gồm hai điều khoản:
- phần đầu tiên. Chùm tia (sự cố, đã sửa đổi) và đường vuông góc, được khôi phục tại điểm tới trên ranh giới, ví dụ, của không khí và nước (thủy tinh, v.v.), sẽ nằm trong cùng một mặt phẳng;
- phần thứ hai. Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của cùng một góc tạo thành khi đi qua ranh giới sẽ không đổi.
Mô tả luật
Trong trường hợp này, tại thời điểm chùm tia đi từ cấu trúc thứ hai sang cấu trúc thứ nhất (ví dụ, khi luồng ánh sáng truyền từ không khí, xuyên qua kính và quay trở lại không khí), hiệu ứng biến dạng cũng sẽ xảy ra.
Một tham số quan trọng cho các đối tượng khác nhau
Chỉ báo chính trong tình huống này là tỷ lệ giữa sin của góc tới với một tham số tương tự, nhưng đối với độ méo. Theo định luật được mô tả ở trên, chỉ báo này là một giá trị không đổi.
Hơn nữa, khi giá trị của độ dốc giảm thay đổi, tình huống tương tự sẽ xảy ra đối với một chỉ báo tương tự. Thông số này có tầm quan trọng lớn vì nó là đặc tính không thể thiếu của các chất trong suốt.
Các chỉ số cho các đối tượng khác nhau
Nhờ thông số này, bạn có thể phân biệt khá hiệu quả giữa các loại thủy tinh cũng như các loại đá quý khác nhau. Nó cũng quan trọng để xác định tốc độ ánh sáng trong các môi trường khác nhau.
Hãy chú ý! Tốc độ truyền ánh sáng cao nhất là trong chân không.
Khi di chuyển từ chất này sang chất khác, vận tốc của nó sẽ giảm đi. Ví dụ, kim cương có chiết suất cao nhất sẽ có tốc độ truyền photon cao hơn không khí 2,42 lần. Trong nước, chúng sẽ lây lan chậm hơn 1,33 lần. Đối với các loại kính khác nhau, thông số này dao động từ 1,4 đến 2,2.
Hãy chú ý! Một số loại kính có chiết suất 2,2, rất gần với kim cương (2,4). Vì vậy, không phải lúc nào cũng có thể phân biệt được một mảnh thủy tinh với một viên kim cương thật.
Mật độ quang học của chất
Ánh sáng có thể xuyên qua các chất khác nhau, được đặc trưng bởi mật độ quang học khác nhau. Như chúng tôi đã nói trước đó, sử dụng định luật này, bạn có thể xác định đặc tính mật độ của môi trường (cấu trúc). Nó càng dày đặc thì tốc độ ánh sáng truyền qua nó càng chậm. Ví dụ, thủy tinh hoặc nước sẽ đậm đặc hơn không khí.
Ngoài việc thông số này là một giá trị không đổi, nó còn phản ánh tỷ số tốc độ ánh sáng trong hai chất. Ý nghĩa vật lý có thể được biểu diễn dưới dạng công thức sau:
Chỉ báo này cho biết tốc độ truyền của các photon thay đổi như thế nào khi di chuyển từ chất này sang chất khác.
Một chỉ số quan trọng khác
Khi một luồng ánh sáng di chuyển qua các vật thể trong suốt, sự phân cực của nó có thể xảy ra. Nó được quan sát thấy trong quá trình truyền ánh sáng từ môi trường đẳng hướng điện môi. Sự phân cực xảy ra khi các photon đi qua thủy tinh.
Hiệu ứng phân cực
Sự phân cực một phần được quan sát thấy khi góc tới của luồng ánh sáng ở ranh giới của hai chất điện môi khác 0.
Mức độ phân cực phụ thuộc vào góc tới (định luật Brewster).
Phản ánh nội bộ đầy đủ
Kết thúc chuyến tham quan ngắn ngủi của chúng ta, vẫn cần phải coi hiệu ứng đó là sự phản ánh nội tâm đầy đủ.
Hiện tượng hiển thị đầy đủ Để hiệu ứng này xuất hiện, cần phải tăng góc tới của luồng ánh sáng tại thời điểm nó chuyển từ môi trường đậm đặc hơn sang môi trường ít đậm đặc hơn ở bề mặt tiếp xúc giữa các chất. Trong trường hợp tham số này vượt quá một giá trị giới hạn nhất định thì các photon tới trên ranh giới của phần này sẽ bị phản xạ hoàn toàn. Thực ra đây sẽ là hiện tượng chúng ta mong muốn.
Không có nó thì không thể chế tạo được cáp quang.
Phần kết luận
Ứng dụng thực tế của hoạt động của luồng ánh sáng đã mang lại rất nhiều lợi ích, tạo ra nhiều loại thiết bị kỹ thuật để cải thiện cuộc sống của chúng ta. Đồng thời, ánh sáng vẫn chưa bộc lộ hết khả năng của nó cho nhân loại và tiềm năng thực tiễn của nó cũng chưa được phát huy hết.
Cách làm đèn giấy bằng tay của chính bạn
Cách kiểm tra hiệu suất của dải đèn LED
Quang học là một trong những ngành vật lý lâu đời. Kể từ thời Hy Lạp cổ đại, nhiều nhà triết học đã quan tâm đến quy luật chuyển động và truyền ánh sáng trong các vật liệu trong suốt khác nhau như nước, thủy tinh, kim cương và không khí. Bài viết này bàn về hiện tượng khúc xạ ánh sáng, tập trung vào chiết suất của không khí.
Hiệu ứng khúc xạ chùm tia sáng
Hiện tượng khúc xạ bao gồm sự phá vỡ quỹ đạo thẳng của nó khi nó giao nhau với bề mặt tiếp xúc của hai vật liệu trong suốt. Tổng hợp một lượng lớn dữ liệu thực nghiệm, vào đầu thế kỷ 17, người Hà Lan Willebrord Snell đã thu được một biểu thức toán học mô tả chính xác hiện tượng này. Biểu thức này thường được viết dưới dạng sau:
n 1 *sin(θ 1) = n 2 *sin(θ 2) = const.
Ở đây n 1, n 2 là chiết suất tuyệt đối của ánh sáng trong vật liệu tương ứng, θ 1 và θ 2 là các góc giữa tia tới và tia khúc xạ và là đường vuông góc với mặt phẳng phân cách vẽ qua giao điểm của tia và chiếc máy bay này.
Công thức này được gọi là định luật Snell hay định luật Snell-Descartes (chính người Pháp đã viết nó dưới dạng trình bày, trong khi người Hà Lan sử dụng đơn vị độ dài thay vì sin).
Ngoài công thức này, hiện tượng khúc xạ còn được mô tả bằng một định luật khác có tính chất hình học. Nó nằm ở chỗ đường vuông góc được đánh dấu với mặt phẳng và hai tia (khúc xạ và tia tới) nằm trong cùng một mặt phẳng.
Chỉ số khúc xạ tuyệt đối
Đại lượng này được bao gồm trong công thức Snell và giá trị của nó đóng một vai trò quan trọng. Về mặt toán học, chiết suất n tương ứng với công thức:
Ký hiệu c là tốc độ truyền sóng điện từ trong chân không. Nó xấp xỉ 3*10 8 m/s. Giá trị v là tốc độ ánh sáng truyền qua môi trường. Do đó, chiết suất phản ánh mức độ chậm lại của ánh sáng trong môi trường so với không gian thiếu không khí.
Hai kết luận quan trọng rút ra từ công thức trên:
- giá trị của n luôn lớn hơn 1 (đối với chân không nó bằng đơn vị);
- nó là một đại lượng không thứ nguyên.
Ví dụ, chiết suất của không khí là 1,00029, trong khi của nước là 1,33.
Chỉ số khúc xạ không phải là một giá trị không đổi đối với một môi trường cụ thể. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ. Hơn nữa, đối với mỗi tần số của sóng điện từ, nó đều có ý nghĩa riêng. Do đó, các số liệu trên tương ứng với nhiệt độ 20 o C và phần màu vàng của quang phổ nhìn thấy được (bước sóng - khoảng 580-590 nm).
Sự phụ thuộc của n vào tần số ánh sáng được thể hiện ở sự phân hủy ánh sáng trắng bởi lăng kính thành một số màu, cũng như sự hình thành cầu vồng trên bầu trời khi mưa lớn.
Chiết suất của ánh sáng trong không khí
Giá trị của nó đã được đưa ra ở trên (1,00029). Vì chiết suất của không khí chỉ khác 0 ở chữ số thập phân thứ tư nên để giải các bài toán thực tế, nó có thể được coi bằng 1. Một sự khác biệt nhỏ giữa n đối với không khí và đơn vị cho thấy rằng ánh sáng trên thực tế không bị làm chậm lại bởi các phân tử không khí, đó là do mật độ tương đối thấp của nó. Như vậy, mật độ trung bình của không khí là 1,225 kg/m 3, nghĩa là nó nhẹ hơn nước ngọt hơn 800 lần.
Không khí là môi trường quang yếu. Quá trình làm chậm tốc độ ánh sáng trong vật liệu có tính chất lượng tử và gắn liền với hành vi hấp thụ và phát xạ photon của các nguyên tử của chất đó.
Những thay đổi trong thành phần của không khí (ví dụ, sự gia tăng hàm lượng hơi nước trong đó) và những thay đổi về nhiệt độ dẫn đến những thay đổi đáng kể về chiết suất. Một ví dụ nổi bật là hiệu ứng ảo ảnh trên sa mạc, xảy ra do sự khác biệt về chiết suất của các lớp không khí với nhiệt độ khác nhau.
Giao diện thủy tinh-không khí
Thủy tinh là môi trường đậm đặc hơn nhiều so với không khí. Chỉ số khúc xạ tuyệt đối của nó dao động từ 1,5 đến 1,66 tùy thuộc vào loại kính. Nếu chúng ta lấy giá trị trung bình là 1,55 thì độ khúc xạ của chùm tia tại giao diện thủy tinh-không khí có thể được tính bằng công thức:
sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1,55.
Giá trị n 21 được gọi là chiết suất tương đối của không khí - thủy tinh. Nếu chùm tia đi ra khỏi kính vào không khí thì nên sử dụng công thức sau:
sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1/1,55 = 0,645.
Nếu góc khúc xạ trong trường hợp sau bằng 90 o thì góc tương ứng được gọi là tới hạn. Đối với ranh giới thủy tinh-không khí, nó bằng:
θ 1 = arcsin(0,645) = 40,17 o.
Nếu chùm tia rơi vào mặt phân cách thủy tinh-không khí với góc lớn hơn 40,17 o thì nó sẽ bị phản xạ hoàn toàn trở lại thủy tinh. Hiện tượng này được gọi là “phản xạ toàn phần”.
Góc tới hạn chỉ tồn tại khi chùm tia di chuyển từ môi trường đậm đặc (từ thủy tinh sang không khí, chứ không phải ngược lại).
Trong môn vật lý lớp 8 các em đã học về hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Bây giờ bạn biết rằng ánh sáng là sóng điện từ có tần số nhất định. Dựa trên kiến thức về bản chất của ánh sáng, bạn có thể hiểu được nguyên nhân vật lý của hiện tượng khúc xạ và giải thích nhiều hiện tượng ánh sáng khác liên quan đến nó.
Cơm. 141. Khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác, tia sáng bị khúc xạ tức là làm thay đổi hướng truyền
Theo định luật khúc xạ ánh sáng (Hình 141):
- tia tới, tia khúc xạ và tia vuông góc vẽ tới mặt phân cách giữa hai môi trường tại điểm tới của tia nằm trong cùng một mặt phẳng; tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ không đổi đối với hai môi trường đó
trong đó n 21 là chiết suất tương đối của môi trường thứ hai so với môi trường thứ nhất.
Nếu chùm tia truyền từ chân không vào môi trường bất kỳ thì
trong đó n là chiết suất tuyệt đối (hay đơn giản là chiết suất) của môi trường thứ hai. Trong trường hợp này, “phương tiện” đầu tiên là chân không, giá trị tuyệt đối của nó được lấy làm đơn vị.
Định luật khúc xạ ánh sáng được nhà khoa học người Hà Lan Willebord Snellius phát hiện bằng thực nghiệm vào năm 1621. Định luật này được xây dựng trong một chuyên luận về quang học, được tìm thấy trong các bài báo của nhà khoa học này sau khi ông qua đời.
Sau phát hiện của Snell, một số nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng sự khúc xạ ánh sáng là do sự thay đổi tốc độ của nó khi đi qua ranh giới của hai môi trường. Tính đúng đắn của giả thuyết này được xác nhận bằng các chứng minh lý thuyết được thực hiện độc lập bởi nhà toán học người Pháp Pierre Fermat (năm 1662) và nhà vật lý người Hà Lan Christiaan Huygens (năm 1690). Họ đi đến cùng một kết quả theo những cách khác nhau, chứng minh rằng
- Tỷ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một giá trị không đổi đối với hai môi trường này, bằng tỷ số tốc độ ánh sáng trong các môi trường này:
(3)
Từ phương trình (3) suy ra rằng nếu góc khúc xạ β nhỏ hơn góc tới a thì ánh sáng có tần số cho trước trong môi trường thứ hai truyền chậm hơn trong môi trường thứ nhất, tức là V 2 Mối quan hệ giữa các đại lượng trong phương trình (3) là lý do thuyết phục cho sự xuất hiện một công thức khác để định nghĩa chiết suất tương đối: n 21 = v 1 / v 2 (4) Cho một chùm ánh sáng truyền từ chân không vào môi trường nào đó. Thay v1 trong phương trình (4) bằng tốc độ ánh sáng trong chân không c và v 2 bằng tốc độ ánh sáng trong môi trường v, chúng ta thu được phương trình (5), là định nghĩa của chiết suất tuyệt đối: Theo các phương trình (4) và (5), n 21 cho biết tốc độ ánh sáng thay đổi bao nhiêu lần khi nó truyền từ môi trường này sang môi trường khác, và n - khi truyền từ chân không sang môi trường khác. Đây là ý nghĩa vật lý của chỉ số khúc xạ. Giá trị chiết suất tuyệt đối n của bất kỳ chất nào lớn hơn một (điều này được xác nhận bằng dữ liệu có trong bảng sách tham khảo vật lý). Khi đó, theo phương trình (5), c/v > 1 và c > v, tức là tốc độ ánh sáng trong bất kỳ chất nào đều nhỏ hơn tốc độ ánh sáng trong chân không. Không đưa ra những lời biện minh chặt chẽ (chúng phức tạp và cồng kềnh), chúng tôi lưu ý rằng lý do khiến tốc độ ánh sáng giảm trong quá trình chuyển từ chân không sang vật chất là do sự tương tác của sóng ánh sáng với các nguyên tử và phân tử của vật chất. Mật độ quang của một chất càng lớn thì tương tác này càng mạnh, tốc độ ánh sáng càng thấp và chiết suất càng cao. Như vậy, tốc độ ánh sáng trong môi trường và chiết suất tuyệt đối được xác định bởi tính chất của môi trường này. Dựa trên các giá trị số của chiết suất của các chất, có thể so sánh mật độ quang học của chúng. Ví dụ, chiết suất của các loại thủy tinh khác nhau nằm trong khoảng từ 1,470 đến 2,040 và chiết suất của nước là 1,333. Điều này có nghĩa là thủy tinh là môi trường đậm đặc hơn nước. Chúng ta hãy quay lại Hình 142, nhờ đó chúng ta có thể giải thích tại sao tại ranh giới của hai môi trường, khi tốc độ thay đổi thì hướng truyền của sóng ánh sáng cũng thay đổi. Cơm. 142. Khi sóng ánh sáng truyền từ không khí sang nước, tốc độ ánh sáng giảm, mặt trước của sóng và cùng với đó là tốc độ của nó, thay đổi hướng Hình vẽ cho thấy một sóng ánh sáng truyền từ không khí vào nước và tới trên mặt phân cách giữa các môi trường này một góc a. Trong không khí, ánh sáng truyền với tốc độ v1 và trong nước với tốc độ thấp hơn v2. Điểm A của sóng tới biên trước. Trong khoảng thời gian Δt, điểm B chuyển động trong không khí với cùng tốc độ v1 sẽ đến điểm B." Trong cùng thời gian đó, điểm A chuyển động trong nước với tốc độ thấp hơn v2 sẽ đi được quãng đường ngắn hơn , chỉ đạt đến điểm A." Trong trường hợp này, cái gọi là mặt trước của sóng AB trong nước sẽ quay một góc nhất định so với mặt trước của sóng AB trong không khí. Và vectơ vận tốc (luôn vuông góc với mặt trước của sóng và trùng với hướng truyền của nó) quay, tiến đến đường thẳng OO”, vuông góc với mặt phân cách giữa các môi trường. Trong trường hợp này, góc khúc xạ β hóa ra nhỏ hơn góc tới α Đây là cách xảy ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Trên hình cũng cho thấy rõ rằng khi chuyển sang môi trường khác và làm quay mặt sóng thì bước sóng cũng thay đổi: khi chuyển sang môi trường chiết quang hơn thì tốc độ giảm, bước sóng cũng giảm (λ 2< λ 1). Это согласуется и с известной вам формулой λ = V/v, из которой следует, что при неизменной частоте v (которая не зависит от плотности среды и поэтому не меняется при переходе луча из одной среды в другую) уменьшение скорости распространения волны сопровождается пропорциональным уменьшением длины волны. Vé 75. Định luật phản xạ ánh sáng: tia tới và tia phản xạ, cũng như đường vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường, được tái tạo tại điểm tới của tia sáng, nằm trong cùng một mặt phẳng (mặt phẳng tới). Góc phản xạ γ bằng góc tới α. Định luật khúc xạ ánh sáng: tia tới và tia khúc xạ, cũng như đường vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường, tái hiện tại điểm tới của tia sáng, nằm trong cùng một mặt phẳng. Tỉ số giữa sin của góc tới α và sin của góc khúc xạ β là một giá trị không đổi đối với hai môi trường đã cho: Các định luật phản xạ và khúc xạ được giải thích trong vật lý sóng. Theo khái niệm sóng, khúc xạ là hệ quả của sự thay đổi tốc độ truyền sóng khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác. Ý nghĩa vật lý của chiết suất là tỷ số giữa tốc độ truyền sóng trong môi trường thứ nhất υ 1 với tốc độ truyền sóng trong môi trường thứ hai υ 2: Hình 3.1.1 minh họa các định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng. Môi trường có chiết suất tuyệt đối nhỏ hơn được gọi là môi trường chiết quang kém hơn. Khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém hơn n 2< n 1
(например, из стекла в воздух) можно
наблюдать hiện tượng phản xạ toàn phần, tức là sự biến mất của tia khúc xạ. Hiện tượng này được quan sát thấy khi góc tới vượt quá một góc tới hạn nhất định αpr, gọi là góc tới. góc giới hạn của phản xạ toàn phần(xem hình 3.1.2). Đối với góc tới α = α pr sin β = 1; giá trị sin α pr = n 2 / n 1< 1. Nếu môi trường thứ hai là không khí (n 2 ≈ 1), thì sẽ thuận tiện khi viết lại công thức dưới dạng Hiện tượng phản xạ toàn phần được sử dụng trong nhiều thiết bị quang học. Ứng dụng thú vị nhất và quan trọng nhất trong thực tế là tạo ra các sợi quang mỏng (từ vài micromet đến milimet) được uốn cong tùy ý làm bằng vật liệu quang học trong suốt (thủy tinh, thạch anh). Ánh sáng rơi vào đầu ống dẫn sáng có thể truyền dọc theo nó trên một khoảng cách dài do phản xạ toàn phần từ các bề mặt bên (Hình 3.1.3). Hướng khoa học và kỹ thuật liên quan đến việc phát triển và ứng dụng các hướng dẫn ánh sáng quang học được gọi là sợi quang. Sự phân tán ánh sáng (sự phân hủy ánh sáng)- đây là hiện tượng gây ra bởi sự phụ thuộc của chiết suất tuyệt đối của một chất vào tần số (hoặc bước sóng) của ánh sáng (tán sắc tần số), hay tương tự là sự phụ thuộc của tốc độ pha của ánh sáng trong một chất vào bước sóng (hoặc tần số). Nó được Newton phát hiện bằng thực nghiệm vào khoảng năm 1672, mặc dù về mặt lý thuyết nó được giải thích khá rõ ràng sau này. Phân tán không gianđược gọi là sự phụ thuộc của hằng số điện môi của môi trường vào vectơ sóng. Sự phụ thuộc này gây ra một số hiện tượng gọi là hiệu ứng phân cực không gian. Một trong những ví dụ rõ ràng nhất về sự phân tán - phân hủy ánh sáng trắng khi đi qua lăng kính (thí nghiệm của Newton). Bản chất của hiện tượng tán sắc là sự khác biệt về tốc độ truyền của các tia sáng có bước sóng khác nhau trong một chất trong suốt - môi trường quang học (trong khi trong chân không, tốc độ ánh sáng luôn như nhau, bất kể bước sóng và do đó có màu sắc). Thông thường, tần số của sóng ánh sáng càng cao thì chiết suất của môi trường đối với nó càng cao và tốc độ truyền sóng trong môi trường càng thấp: Các thí nghiệm của Newton Thí nghiệm về sự phân hủy ánh sáng trắng thành quang phổ: Kết luận:- lăng kính phân hủy ánh sáng - ánh sáng trắng là phức (tổ hợp) - tia tím khúc xạ mạnh hơn tia đỏ. Màu sắc của chùm ánh sáng được xác định bởi tần số rung động của nó. Khi di chuyển từ môi trường này sang môi trường khác, tốc độ ánh sáng và bước sóng thay đổi nhưng tần số quyết định màu sắc vẫn không đổi. Ranh giới của phạm vi ánh sáng trắng và các thành phần của nó thường được đặc trưng bởi bước sóng của chúng trong chân không. Ánh sáng trắng là tập hợp các sóng có bước sóng từ 380 đến 760 nm. Vé 77. Sự hấp thụ ánh sáng. định luật Bouguer Sự hấp thụ ánh sáng trong một chất gắn liền với sự chuyển đổi năng lượng của trường điện từ của sóng thành năng lượng nhiệt của chất đó (hoặc thành năng lượng của bức xạ phát quang thứ cấp). Định luật hấp thụ ánh sáng (định luật Bouguer) có dạng: Tôi = tôi 0
điểm kinh nghiệm(-
x),(1) Ở đâu TÔI 0
,
TÔI-cường độ ánh sáng ở đầu vào (x=0) và để lại lớp có độ dày trung bình X,
-
hệ số hấp thụ phụ thuộc vào .
Đối với chất điện môi =10
-1
10
-5
tôi -1
, đối với kim loại =10
5
10
7
tôi -1
,
Vì vậy kim loại mờ đục trước ánh sáng. Sự phụ thuộc (
)
giải thích màu sắc của vật hấp thụ. Ví dụ, thủy tinh hấp thụ ánh sáng đỏ kém sẽ có màu đỏ khi được chiếu sáng bằng ánh sáng trắng. Sự tán xạ ánh sáng. định luật Rayleigh Nhiễu xạ ánh sáng có thể xảy ra trong môi trường không đồng nhất về mặt quang học, ví dụ như trong môi trường đục (khói, sương mù, không khí bụi bặm, v.v.). Bằng cách nhiễu xạ trên tính không đồng nhất của môi trường, sóng ánh sáng tạo ra một kiểu nhiễu xạ đặc trưng bởi sự phân bố cường độ khá đồng đều theo mọi hướng. Sự nhiễu xạ do sự không đồng nhất nhỏ này được gọi là sự tán xạ ánh sáng. Hiện tượng này được quan sát thấy khi một chùm ánh sáng mặt trời hẹp xuyên qua không khí bụi bặm, phân tán thành các hạt bụi và trở nên nhìn thấy được. Nếu kích thước của điểm không đồng nhất nhỏ so với bước sóng (không lớn hơn 0,1
), khi đó cường độ của ánh sáng tán xạ tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng, tức là TÔI phản đối ~
1/
4
,
(2) sự phụ thuộc này được gọi là định luật Rayleigh. Sự tán xạ ánh sáng cũng được quan sát thấy trong môi trường sạch không chứa các hạt lạ. Ví dụ, nó có thể xảy ra khi có sự dao động (độ lệch ngẫu nhiên) về mật độ, tính dị hướng hoặc nồng độ. Loại tán xạ này được gọi là tán xạ phân tử. Ví dụ, nó giải thích màu xanh của bầu trời. Thật vậy, theo (2) tia xanh và tia xanh bị tán xạ mạnh hơn tia đỏ và vàng vì có bước sóng ngắn hơn, do đó gây ra màu xanh của bầu trời. Vé 78. Sự phân cực của ánh sáng- tập hợp các hiện tượng quang học sóng trong đó thể hiện bản chất ngang của sóng ánh sáng điện từ. Sóng ngang- Các phần tử của môi trường dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng ( Hình 1). Hình 1
Sóng ngang Sóng ánh sáng điện từ mặt phẳng phân cực(phân cực tuyến tính), nếu hướng dao động của vectơ E và B cố định chặt chẽ và nằm trong một số mặt phẳng nhất định ( Hình 1). Sóng ánh sáng phân cực phẳng được gọi là mặt phẳng phân cựcánh sáng (phân cực tuyến tính). Không phân cực Sóng (tự nhiên) - sóng ánh sáng điện từ trong đó hướng dao động của vectơ E và B trong sóng này có thể nằm trong bất kỳ mặt phẳng nào vuông góc với vectơ vận tốc v. Ánh sáng không phân cực- sóng ánh sáng trong đó phương dao động của vectơ E và B thay đổi hỗn loạn sao cho mọi phương dao động trong mặt phẳng vuông góc với tia truyền sóng đều có xác suất như nhau ( Hình 2). Hình 2
Ánh sáng không phân cực Sóng phân cực- trong đó hướng của các vectơ E và B không thay đổi trong không gian hoặc thay đổi theo một quy luật nào đó. Bức xạ trong đó phương của vectơ E thay đổi hỗn loạn - không phân cực. Một ví dụ về bức xạ như vậy là bức xạ nhiệt (các nguyên tử và electron phân bố hỗn loạn). Mặt phẳng phân cực- đây là mặt phẳng vuông góc với phương dao động của vectơ E. Cơ chế chính gây ra bức xạ phân cực là sự tán xạ bức xạ bởi các electron, nguyên tử, phân tử và các hạt bụi. 1.2. Các loại phân cực Có ba loại phân cực. Hãy cho họ định nghĩa. 1. Tuyến tính
Xảy ra nếu vectơ điện E duy trì vị trí của nó trong không gian. Nó dường như làm nổi bật mặt phẳng trong đó vectơ E dao động. 2. Thông tư
Đây là sự phân cực xảy ra khi vectơ điện E quay quanh hướng truyền sóng với vận tốc góc bằng tần số góc của sóng, trong khi vẫn giữ nguyên giá trị tuyệt đối của nó. Sự phân cực này đặc trưng cho hướng quay của vectơ E trong mặt phẳng vuông góc với đường ngắm. Một ví dụ là bức xạ cyclotron (một hệ thống các electron quay trong từ trường). 3. Hình elip
Nó xảy ra khi độ lớn của vectơ điện E thay đổi sao cho nó mô tả một hình elip (sự quay của vectơ E). Phân cực hình elip và tròn có thể thuận tay phải (vectơ E quay theo chiều kim đồng hồ khi nhìn về phía sóng truyền) và thuận tay trái (vectơ E quay ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn về phía sóng truyền). Trong thực tế, nó xảy ra thường xuyên nhất phân cực một phần
(sóng điện từ phân cực một phần). Về mặt định lượng, nó được đặc trưng bởi một đại lượng nhất định gọi là mức độ phân cực
R, được định nghĩa là: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin)Ở đâu Imax,Immin- mật độ dòng năng lượng điện từ cao nhất và thấp nhất qua máy phân tích (Polaroid, lăng kính Nicolas...). Trong thực tế, sự phân cực bức xạ thường được mô tả bằng các thông số Stokes (chúng xác định dòng bức xạ có hướng phân cực nhất định). Vé 79. Nếu ánh sáng tự nhiên chiếu vào bề mặt phân cách giữa hai chất điện môi (ví dụ: không khí và thủy tinh), thì một phần của nó sẽ bị phản xạ, một phần của nó bị khúc xạ và lan truyền trong môi trường thứ hai. Bằng cách lắp đặt máy phân tích (ví dụ: tourmaline) trong đường đi của tia phản xạ và khúc xạ, chúng tôi đảm bảo rằng tia phản xạ và khúc xạ bị phân cực một phần: khi máy phân tích quay quanh tia, cường độ ánh sáng tăng và yếu theo chu kỳ ( việc dập tắt hoàn toàn không được quan sát thấy!). Các nghiên cứu sâu hơn cho thấy rằng trong chùm tia phản xạ, các dao động vuông góc với mặt phẳng tới chiếm ưu thế (chúng được biểu thị bằng các chấm trong Hình 275), trong khi ở chùm tia khúc xạ, các dao động song song với mặt phẳng tới (được biểu thị bằng các mũi tên) chiếm ưu thế. Mức độ phân cực (mức độ mà sóng ánh sáng bị phân tách theo một hướng nhất định của vectơ điện (và từ)) phụ thuộc vào góc tới của tia sáng và chiết suất. nhà vật lý người Scotland D. Brewster(1781-1868) thành lập pháp luật, theo đó tại góc tới Tôi B (góc Brewster), được xác định bởi quan hệ (N 21 - chiết suất của môi trường thứ hai so với môi trường thứ nhất), chùm tia phản xạ bị phân cực phẳng(chỉ chứa các dao động vuông góc với mặt phẳng tới) (Hình 276). Tia khúc xạ ở góc tớiTôi B phân cực đến mức tối đa, nhưng không hoàn toàn. Nếu ánh sáng chiếu vào một mặt phân cách ở góc Brewster thì tia phản xạ và tia khúc xạ vuông góc với nhau(tg Tôi B = tội lỗi Tôi B/cos Tôi B, N 21 =
tội lỗi Tôi B /
tội lỗi Tôi 2
(Tôi 2
-
góc khúc xạ), từ đó cos Tôi B=tội lỗi Tôi 2). Kể từ đây, Tôi B +
Tôi 2
=
/2, nhưng Tôi’
B= Tôi B (định luật phản xạ), do đó Tôi’
B+ Tôi 2
=
/2. Mức độ phân cực của ánh sáng phản xạ và khúc xạ ở các góc tới khác nhau có thể được tính từ các phương trình Maxwell, nếu chúng ta tính đến các điều kiện biên của trường điện từ tại giao diện giữa hai chất điện môi đẳng hướng (gọi là công thức Fresnel). Mức độ phân cực của ánh sáng khúc xạ có thể tăng lên đáng kể (bằng khúc xạ bội, với điều kiện là ánh sáng mỗi lần tới trên mặt phân cách ở góc Brewster). Ví dụ: nếu đối với kính ( n= 1.53) độ phân cực của chùm tia khúc xạ là 15% thì sau khi khúc xạ vào 8-10 tấm thủy tinh xếp chồng lên nhau, ánh sáng phát ra từ hệ đó sẽ bị phân cực gần như hoàn toàn. Một tập hợp các tấm như vậy được gọi là chân. Bàn chân có thể được sử dụng để phân tích ánh sáng phân cực cả trong quá trình phản xạ và khúc xạ của nó. Vé 79 (đi Spur) Kinh nghiệm cho thấy, trong quá trình khúc xạ và phản xạ ánh sáng, ánh sáng khúc xạ và phản xạ bị phân cực và phản xạ. ánh sáng có thể bị phân cực hoàn toàn ở một góc tới nhất định, nhưng ngẫu nhiên thôi. ánh sáng luôn bị phân cực một phần Dựa trên công thức Frinell, có thể chứng minh được sự phản xạ đó. Ánh sáng bị phân cực trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng tới và bị khúc xạ. ánh sáng bị phân cực trong mặt phẳng song song với mặt phẳng tới. Góc tới tại đó sự phản xạ ánh sáng bị phân cực hoàn toàn gọi là góc Brewster được xác định từ định luật Brewster: - Định luật Brewster. và khúc xạ. Các tia sẽ bằng nhau. Đối với hệ thủy tinh không khí, góc Brewster bằng nhau. Để có được sự phân cực tốt, tức là. , khi khúc xạ ánh sáng, nhiều bề mặt ăn được được sử dụng, được gọi là Điểm dừng của Stoletov. Vé 80. Kinh nghiệm cho thấy rằng khi ánh sáng tương tác với vật chất, hiệu ứng chính (sinh lý, quang hóa, quang điện, v.v.) là do sự dao động của vectơ gây ra, về mặt này đôi khi được gọi là vectơ ánh sáng. Do đó, để mô tả các kiểu phân cực ánh sáng, hành vi của vectơ được theo dõi. Mặt phẳng tạo bởi các vectơ và được gọi là mặt phẳng phân cực. Nếu các dao động vectơ xảy ra trong một mặt phẳng cố định thì ánh sáng (tia) đó được gọi là phân cực tuyến tính. Nó được chỉ định theo quy ước như sau. Nếu chùm tia bị phân cực trong mặt phẳng vuông góc (trong mặt phẳng xoz, xem hình. 2 trong bài giảng thứ hai), sau đó nó được chỉ định. Ánh sáng tự nhiên (từ các nguồn thông thường, mặt trời) bao gồm các sóng có các mặt phẳng phân cực phân bố hỗn loạn, khác nhau (xem Hình 3). Nếu, khi sóng truyền, vectơ quay và phần cuối của vectơ mô tả một vòng tròn, thì ánh sáng đó được gọi là phân cực tròn, và sự phân cực được gọi là tròn hoặc tròn (phải hoặc trái). Ngoài ra còn có sự phân cực hình elip. Có các thiết bị quang học (phim, tấm, v.v.) - máy phân cực, trích xuất ánh sáng phân cực tuyến tính hoặc ánh sáng phân cực một phần từ ánh sáng tự nhiên. Mặt phẳng của bản phân cực (hoặc máy phân tích) là mặt phẳng phân cực của ánh sáng được truyền bởi bản phân cực (hoặc máy phân tích). Để ánh sáng phân cực tuyến tính có biên độ rơi vào máy phân cực (hoặc máy phân tích) E 0 . Biên độ của ánh sáng truyền qua sẽ bằng E=E 0 cos j, và cường độ Tôi = tôi 0 cos 2 j. Công thức này thể hiện định luật Malus: Cường độ ánh sáng phân cực tuyến tính truyền qua máy phân tích tỷ lệ với bình phương cosin của góc j giữa mặt phẳng dao động của ánh sáng tới và mặt phẳng của máy phân tích. Vé 80 (đối với spur) Máy phân cực là thiết bị giúp thu được ánh sáng phân cực. Máy phân tích là thiết bị có thể được sử dụng để phân tích xem ánh sáng có bị phân cực hay không Về mặt cấu trúc, máy phân cực và máy phân tích là một và giống nhau. bản phân cực, nếu ánh sáng là tự nhiên thì mọi hướng của vectơ E đều có thể xảy ra như nhau. Mỗi vectơ có thể bị phân tách thành hai thành phần vuông góc với nhau: một thành phần song song với mặt phẳng phân cực của bản phân cực, và thành phần kia vuông góc. đến nó. Rõ ràng, cường độ ánh sáng phát ra từ bản phân cực sẽ bằng nhau. Chúng ta hãy biểu thị cường độ ánh sáng phát ra từ bản phân cực bằng (). một góc với mặt phẳng chính của bản phân cực thì cường độ ánh sáng phát ra từ máy phân tích được xác định theo định luật. Vé 81. Khi nghiên cứu sự phát sáng của dung dịch muối uranium dưới tác dụng của tia radium, nhà vật lý Liên Xô P. A. Cherenkov đã chú ý đến thực tế là bản thân nước cũng phát sáng, trong đó không có muối uranium. Hóa ra là khi các tia (xem Bức xạ Gamma) truyền qua chất lỏng nguyên chất, tất cả chúng đều bắt đầu phát sáng. S. I. Vavilov, dưới sự lãnh đạo của P. A. Cherenkov, đã đưa ra giả thuyết rằng ánh sáng rực rỡ có liên quan đến sự chuyển động của các electron bị đánh bật ra khỏi nguyên tử bởi lượng tử radium. Thật vậy, sự phát sáng phụ thuộc rất nhiều vào hướng của từ trường trong chất lỏng (điều này cho thấy rằng nó là do chuyển động của các electron gây ra). Nhưng tại sao các electron chuyển động trong chất lỏng lại phát ra ánh sáng? Câu trả lời chính xác cho câu hỏi này được đưa ra vào năm 1937 bởi các nhà vật lý Liên Xô I. E. Tamm và I. M. Frank. Một electron chuyển động trong một chất sẽ tương tác với các nguyên tử xung quanh nó. Dưới tác dụng của điện trường, các electron và hạt nhân nguyên tử bị dịch chuyển ngược chiều nhau - môi trường bị phân cực. Bị phân cực rồi trở lại trạng thái ban đầu, các nguyên tử của môi trường nằm dọc theo quỹ đạo của electron phát ra sóng ánh sáng điện từ. Nếu tốc độ của electron v nhỏ hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường (chiết suất), thì trường điện từ sẽ vượt qua electron và chất đó sẽ có thời gian phân cực trong không gian phía trước electron. Sự phân cực của môi trường phía trước và phía sau electron ngược chiều nhau, còn bức xạ của các nguyên tử phân cực trái dấu được “thêm vào”, “dập tắt” lẫn nhau. Khi các nguyên tử chưa được electron chạm tới không có thời gian để phân cực và bức xạ xuất hiện hướng dọc theo một lớp hình nón hẹp có đỉnh trùng với electron chuyển động và một góc ở đỉnh c. Sự xuất hiện của "hình nón" ánh sáng và điều kiện bức xạ có thể thu được từ các nguyên lý chung về truyền sóng. Cơm. 1. Cơ chế hình thành mặt sóng Cho electron chuyển động dọc theo trục OE (xem Hình 1) của một kênh trống rất hẹp trong một chất trong suốt đồng nhất có chiết suất (cần có kênh trống để không tính đến va chạm của electron với các nguyên tử trong xem xét lý thuyết). Bất kỳ điểm nào trên đường OE liên tiếp có electron chiếm giữ sẽ là tâm phát xạ ánh sáng. Các sóng phát ra từ các điểm O, D, E liên tiếp giao thoa với nhau và được khuếch đại nếu độ lệch pha giữa chúng bằng 0 (xem Giao thoa). Điều kiện này được thỏa mãn đối với hướng tạo một góc bằng 0 với quỹ đạo của electron. Góc 0 được xác định bởi quan hệ:. Thật vậy, chúng ta hãy xét hai sóng phát ra theo hướng hợp với một góc bằng 0 với vận tốc electron từ hai điểm trên quỹ đạo - điểm O và điểm D, cách nhau một khoảng . Tại điểm B, nằm trên đường thẳng BE, vuông góc với OB, sóng đầu tiên tại - sau thời gian Đến điểm F, nằm trên đường thẳng BE, sóng phát ra từ điểm đó sẽ tới thời điểm sau khi sóng phát ra từ điểm O Hai sóng này sẽ cùng pha, tức là đường thẳng sẽ là mặt sóng nếu các thời gian này bằng nhau:. Điều đó mang lại điều kiện bình đẳng về thời gian. Theo mọi hướng, ánh sáng sẽ bị tắt do sự giao thoa của các sóng phát ra từ các phần của quỹ đạo cách nhau một khoảng D. Giá trị của D được xác định bởi phương trình hiển nhiên, trong đó T là chu kỳ dao động của ánh sáng. Phương trình này luôn có nghiệm nếu. Nếu , thì hướng mà sóng phát ra khi giao thoa được khuếch đại không tồn tại và không thể lớn hơn 1. Cơm. 2. Phân bố sóng âm và hình thành sóng xung kích khi cơ thể chuyển động Bức xạ chỉ được quan sát thấy nếu. Về mặt thực nghiệm, các electron bay theo một góc rắn hữu hạn, với một chút tốc độ lan truyền, và kết quả là bức xạ lan truyền trong một lớp hình nón gần hướng chính được xác định bởi góc. Khi xem xét, chúng tôi đã bỏ qua sự chậm lại của điện tử. Điều này hoàn toàn có thể chấp nhận được, vì tổn thất do bức xạ Vavilov-Cerenkov là nhỏ và, theo phép tính gần đúng đầu tiên, chúng ta có thể giả sử rằng năng lượng bị mất bởi electron không ảnh hưởng đến tốc độ của nó và nó chuyển động đều. Đây là điểm khác biệt cơ bản và bất thường của bức xạ Vavilov-Cherenkov. Thông thường, điện tích phát ra khi tăng tốc đáng kể. Một electron vượt xa ánh sáng của nó tương tự như một chiếc máy bay bay với tốc độ lớn hơn tốc độ âm thanh. Trong trường hợp này, sóng âm xung kích hình nón cũng lan truyền phía trước máy bay (xem Hình 2).
Câu hỏi
Bài tập
Newton hướng một chùm ánh sáng mặt trời xuyên qua một lỗ nhỏ vào lăng kính thủy tinh. Khi chạm vào lăng kính, chùm tia bị khúc xạ và trên bức tường đối diện tạo ra một hình ảnh thon dài với sự thay đổi màu sắc cầu vồng - quang phổ. Thí nghiệm về sự truyền ánh sáng đơn sắc qua lăng kính:
Newton đặt tấm kính màu đỏ trên đường đi của tia sáng mặt trời, sau đó ông nhận được ánh sáng đơn sắc (màu đỏ), sau đó là một lăng kính và chỉ quan sát thấy trên màn hình vết đỏ của tia sáng. Kinh nghiệm tổng hợp (sản xuất) ánh sáng trắng:Đầu tiên, Newton chiếu một tia sáng mặt trời vào lăng kính. Sau đó, khi thu thập các tia màu phát ra từ lăng kính bằng thấu kính hội tụ, Newton nhận được hình ảnh màu trắng của một cái lỗ trên bức tường trắng thay vì một sọc màu. Kết luận của Newton:- lăng kính không làm thay đổi ánh sáng mà chỉ phân hủy nó thành các thành phần của nó - các tia sáng có màu khác nhau thì có độ khúc xạ khác nhau; Tia tím khúc xạ mạnh nhất, tia đỏ kém mạnh hơn - ánh sáng đỏ khúc xạ ít hơn, có tốc độ cao nhất và tia tím có tốc độ nhỏ nhất, đó là lý do tại sao lăng kính phân hủy ánh sáng. Sự phụ thuộc của chiết suất ánh sáng vào màu sắc của nó được gọi là sự tán sắc.
Ánh sáng tự nhiên đôi khi được quy ước như vậy. Nó còn được gọi là không phân cực.
Các bộ phân cực dùng để phân tích sự phân cực của ánh sáng được gọi là máy phân tích.
