Passiamo ad una considerazione più dettagliata dell'indice di rifrazione da noi introdotto nel § 81 nel formulare la legge di rifrazione.

L'indice di rifrazione dipende dalle proprietà ottiche e dal mezzo da cui cade il raggio e dal mezzo in cui penetra. L'indice di rifrazione ottenuto quando la luce del vuoto cade su un mezzo è chiamato indice di rifrazione assoluto di questo mezzo.

Riso. 184. Indice di rifrazione relativo di due mezzi:

Sia l'indice di rifrazione assoluto del primo mezzo e il secondo mezzo - . Considerando la rifrazione al confine del primo e del secondo mezzo, ci assicuriamo che l'indice di rifrazione durante il passaggio dal primo mezzo al secondo, il cosiddetto indice di rifrazione relativo, sia uguale al rapporto tra gli indici di rifrazione assoluti del secondo e primo mezzo:

(Fig. 184). Al contrario, passando dal secondo mezzo al primo, si ha un indice di rifrazione relativo

La connessione stabilita tra l'indice di rifrazione relativo di due mezzi e i loro indici di rifrazione assoluti potrebbe essere derivata anche teoricamente, senza nuove sperimentazioni, così come si può fare per la legge di reversibilità (§ 82),

Un mezzo con un indice di rifrazione più elevato è detto otticamente più denso. Di solito viene misurato l'indice di rifrazione di vari mezzi rispetto all'aria. L'indice di rifrazione assoluto dell'aria è . Pertanto, l'indice di rifrazione assoluto di qualsiasi mezzo è correlato al suo indice di rifrazione rispetto all'aria dalla formula

Tabella 6. Indice di rifrazione di varie sostanze rispetto all'aria

L'indice di rifrazione dipende dalla lunghezza d'onda della luce, cioè dal suo colore. Diversi colori corrispondono a diversi indici di rifrazione. Questo fenomeno, chiamato dispersione, gioca un ruolo importante in ottica. Ci occuperemo ripetutamente di questo fenomeno nei capitoli successivi. I dati riportati in tabella. 6, fare riferimento alla luce gialla.

È interessante notare che la legge di riflessione può essere formalmente scritta nella stessa forma della legge di rifrazione. Ricordiamo che abbiamo convenuto di misurare sempre gli angoli dalla perpendicolare al raggio corrispondente. Pertanto, dobbiamo considerare che l'angolo di incidenza e l'angolo di riflessione hanno segni opposti, cioè la legge della riflessione può essere scritta come

Confrontando la (83.4) con la legge di rifrazione, vediamo che la legge di riflessione può essere considerata come un caso speciale della legge di rifrazione a . Questa somiglianza formale tra le leggi della riflessione e della rifrazione è di grande utilità nella risoluzione di problemi pratici.

Nella presentazione precedente, l'indice di rifrazione aveva il significato di una costante del mezzo, indipendente dall'intensità della luce che lo attraversa. Una tale interpretazione dell'indice di rifrazione è del tutto naturale, tuttavia, nel caso di elevate intensità di radiazione che possono essere raggiunte utilizzando i moderni laser, non è giustificata. Le proprietà del mezzo attraverso il quale passa una forte radiazione luminosa, in questo caso, dipendono dalla sua intensità. Come si suol dire, il mezzo diventa non lineare. La non linearità del mezzo si manifesta, in particolare, nel fatto che un'onda luminosa di elevata intensità modifica l'indice di rifrazione. La dipendenza dell'indice di rifrazione dall'intensità della radiazione ha la forma

Qui, è il solito indice di rifrazione, a è l'indice di rifrazione non lineare ed è il fattore di proporzionalità. Il termine aggiuntivo in questa formula può essere positivo o negativo.

I cambiamenti relativi nell'indice di rifrazione sono relativamente piccoli. Per un indice di rifrazione non lineare. Tuttavia, anche tali piccoli cambiamenti nell'indice di rifrazione sono evidenti: si manifestano in un peculiare fenomeno di autofocalizzazione della luce.

Si consideri un mezzo con un indice di rifrazione non lineare positivo. In questo caso, le aree di maggiore intensità luminosa sono aree simultanee di maggiore indice di rifrazione. Solitamente, nella radiazione laser reale, la distribuzione dell'intensità sulla sezione trasversale del raggio non è uniforme: l'intensità è massima lungo l'asse e diminuisce gradualmente verso i bordi del raggio, come mostrato in Fig. 185 curve solide. Una distribuzione simile descrive anche la variazione dell'indice di rifrazione sulla sezione trasversale di una cella con un mezzo non lineare, lungo l'asse del quale si propaga il raggio laser. L'indice di rifrazione, che è massimo lungo l'asse cellulare, diminuisce gradualmente verso le sue pareti (curve tratteggiate in Fig. 185).

Un fascio di raggi che esce dal laser parallelo all'asse, cadendo in un mezzo con indice di rifrazione variabile, viene deviato nella direzione in cui è maggiore. Pertanto, una maggiore intensità in prossimità della cella OSP porta ad una concentrazione di raggi luminosi in questa regione, che è mostrata schematicamente in sezioni trasversali e in Fig. 185, e questo porta ad un ulteriore aumento di . In definitiva, la sezione trasversale effettiva di un raggio di luce che passa attraverso un mezzo non lineare diminuisce significativamente. La luce passa come se attraverso un canale stretto con un indice di rifrazione aumentato. Pertanto, il raggio laser si restringe e il mezzo non lineare funge da lente convergente sotto l'azione di radiazioni intense. Questo fenomeno è chiamato autofocus. Si può osservare, ad esempio, nel nitrobenzene liquido.

Riso. 185. Distribuzione dell'intensità della radiazione e dell'indice di rifrazione sulla sezione trasversale del raggio laser all'ingresso della cuvetta (a), vicino all'estremità di ingresso (), al centro (), vicino all'estremità di uscita della cuvetta ()

Determinazione dell'indice di rifrazione dei solidi trasparenti

E liquidi

Strumenti e accessori: un microscopio con filtro per la luce, una lastra piano-parallela con un segno AB a forma di croce; rifrattometro marca "RL"; set di liquidi.

Obbiettivo: determinare gli indici di rifrazione del vetro e dei liquidi.

Determinazione dell'indice di rifrazione del vetro al microscopio

Per determinare l'indice di rifrazione di un solido trasparente, viene utilizzata una lastra parallela al piano in questo materiale con un segno.

Il segno è costituito da due graffi reciprocamente perpendicolari, uno dei quali (A) è applicato sul fondo e il secondo (B) - sulla superficie superiore della lastra. La lastra viene illuminata con luce monocromatica ed esaminata al microscopio. Sul
Riso. 4.7 mostra una sezione della lastra investigata secondo un piano verticale.

I raggi AD e AE dopo la rifrazione all'interfaccia vetro-aria vanno nelle direzioni DD1 e EE1 e cadono nell'obiettivo del microscopio.

Un osservatore che guarda la lastra dall'alto vede il punto A all'intersezione della continuazione dei raggi DD1 ed EE1, cioè al punto C.

Pertanto, il punto A sembra all'osservatore situato nel punto C. Troviamo la relazione tra l'indice di rifrazione n del materiale della lastra, lo spessore d e lo spessore apparente d1 della lastra.

4.7 si può vedere che VD \u003d BCtgi, BD \u003d ABtgr, da dove

tgi/tgr = AB/BC,

dove AB = d è lo spessore della piastra; BC = d1 spessore apparente della lastra.

Se gli angoli i e r sono piccoli, allora

Sin/Sinr = tgi/tgr, (4.5)

quelli. Sin/Sinr = d/d1.

Tenendo conto della legge di rifrazione della luce, otteniamo

La misurazione di d/d1 viene effettuata utilizzando un microscopio.

Lo schema ottico del microscopio è costituito da due sistemi: un sistema di osservazione, che comprende un obiettivo e un oculare montati in un tubo, e un sistema di illuminazione, costituito da uno specchio e un filtro luminoso rimovibile. La messa a fuoco dell'immagine viene effettuata ruotando le maniglie poste su entrambi i lati del tubo.

Sull'asse dell'impugnatura destra c'è un disco con una scala dell'arto.

La lettura b sull'arto relativa al puntatore fisso determina la distanza h dall'obiettivo al tavolino del microscopio:

Il coefficiente k indica a quale altezza si sposta il tubo del microscopio quando l'impugnatura viene ruotata di 1°.

Il diametro dell'obiettivo in questa configurazione è piccolo rispetto alla distanza h, quindi il raggio più esterno che entra nell'obiettivo forma un piccolo angolo i con l'asse ottico del microscopio.

L'angolo di rifrazione r della luce nella lastra è minore dell'angolo i, cioè è anche piccolo, che corrisponde alla condizione (4.5).

Ordine di lavoro

1. Posizionare la lastra sul tavolino del microscopio in modo che il punto di intersezione dei tratti A e B (vedi Fig.

Indice di rifrazione

4.7) era nel campo visivo.

2. Ruotare la maniglia del meccanismo di sollevamento per sollevare il tubo nella posizione superiore.

3. Guardando nell'oculare, abbassare lentamente il tubo del microscopio ruotando l'impugnatura fino a ottenere un'immagine nitida del graffio B, applicato sulla superficie superiore della lastra, nel campo visivo. Registrare l'indicazione b1 dell'arto, che è proporzionale alla distanza h1 dall'obiettivo del microscopio al bordo superiore della lastra: h1 = kb1 (Fig.

4. Continuare ad abbassare il tubo dolcemente fino ad ottenere un'immagine nitida del graffio A, che all'osservatore sembra situato nel punto C. Registrare una nuova indicazione b2 del limbus. La distanza h1 dall'obiettivo alla superficie superiore della lastra è proporzionale a b2:
h2 = kb2 (Fig. 4.8, b).

Le distanze dai punti B e C alla lente sono uguali, poiché l'osservatore le vede ugualmente chiaramente.

Lo spostamento del tubo h1-h2 è pari allo spessore apparente della piastra (Fig.

d1 = h1-h2 = (b1-b2)k. (4.8)

5. Misurare lo spessore della lastra d all'intersezione dei tratti. A tal fine, posizionare una lastra di vetro ausiliaria 2 sotto la piastra di test 1 (Fig. 4.9) e abbassare il tubo del microscopio fino a quando la lente tocca (leggermente) la piastra di test. Notare l'indicazione dell'arto a1. Rimuovere la piastra in studio e abbassare il tubo del microscopio fino a quando l'obiettivo tocca la piastra 2.

Nota indicazione a2.

Allo stesso tempo, l'obiettivo del microscopio scenderà ad un'altezza pari allo spessore della lastra in studio, cioè

d = (a1-a2)k. (4.9)

6. Calcolare l'indice di rifrazione del materiale della lastra utilizzando la formula

n = d/d1 = (a1-a2)/(b1-b2). (4.10)

7. Ripetere tutte le misurazioni precedenti 3-5 volte, calcolare il valore medio n, gli errori assoluti e relativi rn e rn/n.

Determinazione dell'indice di rifrazione dei liquidi mediante rifrattometro

Gli strumenti utilizzati per determinare gli indici di rifrazione sono chiamati rifrattometri.

La vista generale e lo schema ottico del rifrattometro RL sono mostrati in fig. 4.10 e 4.11.

La misura dell'indice di rifrazione dei liquidi mediante un rifrattometro RL si basa sul fenomeno della rifrazione della luce che è passata attraverso l'interfaccia tra due mezzi con differenti indici di rifrazione.

Fascio di luce (fig.

4.11) da una sorgente 1 (una lampada a incandescenza o luce diurna diffusa) con l'aiuto di uno specchio 2 viene diretta attraverso una finestra nella custodia dello strumento su un doppio prisma costituito da prismi 3 e 4, che sono realizzati in vetro con un indice di rifrazione di 1.540.

La superficie AA del prisma di illuminazione superiore 3 (Fig.

4.12, a) è opaco e serve ad illuminare il liquido con luce diffusa depositata in uno strato sottile nello spazio tra i prismi 3 e 4. La luce diffusa dalla superficie opaca 3 passa attraverso uno strato piano-parallelo del liquido in studio e cade sulla faccia diagonale dell'esplosivo del prisma inferiore 4 sotto diversi
angoli i compresi tra zero e 90°.

Per evitare il fenomeno della riflessione interna totale della luce sulla superficie esplosiva, l'indice di rifrazione del liquido in studio dovrebbe essere inferiore all'indice di rifrazione del vetro del prisma 4, cioè

meno di 1.540.

Un raggio di luce con un angolo di incidenza di 90° è chiamato raggio scorrevole.

Il raggio scorrevole, rifratto all'interfaccia liquido-vetro, andrà nel prisma 4 all'angolo di rifrazione limite r eccetera< 90о.

La rifrazione di una trave scorrevole nel punto D (vedi Figura 4.12, a) obbedisce alla legge

nst / nzh \u003d sinipr / sinrpr (4.11)

o nzh = nstsinrpr, (4.12)

poiché sinpr = 1.

Sulla superficie BC del prisma 4, i raggi luminosi vengono rifratti e quindi

Sin¢pr/sinr¢pr = 1/ nst, (4.13)

r¢pr+i¢pr = i¢pr =a , (4.14)

dove a è il raggio rifrangente del prisma 4.

Risolvendo insieme il sistema di equazioni (4.12), (4.13), (4.14), si ottiene una formula che mette in relazione l'indice di rifrazione nzh del liquido in studio con l'angolo limite di rifrazione r'pr del fascio emerso dal prisma 4:

Se un cannocchiale viene posizionato nel percorso dei raggi che emergono dal prisma 4, la parte inferiore del suo campo visivo sarà illuminata e la parte superiore oscura. L'interfaccia tra campo chiaro e campo scuro è formata da raggi con angolo di rifrazione limitante r¢pr. Non ci sono raggi con un angolo di rifrazione minore di r¢pr in questo sistema (Fig.

Il valore di r¢pr, quindi, e la posizione del confine del chiaroscuro dipendono solo dall'indice di rifrazione nzh del liquido in esame, poiché nst e a sono valori costanti in questo dispositivo.

Conoscendo nst, a e r¢pr, è possibile calcolare nzh usando la formula (4.15). In pratica si utilizza la formula (4.15) per calibrare la scala rifrattometrica.

Sulla scala 9 (vedi

Riso. 4.11), a sinistra sono riportati i valori dell'indice di rifrazione per ld = 5893 Å. Davanti all'oculare 10 - 11 c'è una piastrina 8 con un segno (--).

Spostando l'oculare insieme alla piastrina 8 lungo la scala, è possibile ottenere l'allineamento del segno con la linea di demarcazione tra il campo visivo scuro e quello chiaro.

La divisione della scala graduata 9, coincidente con il segno, dà il valore dell'indice di rifrazione nzh del liquido in esame. L'obiettivo 6 e l'oculare 10-11 formano un telescopio.

Il prisma rotante 7 cambia il percorso del raggio, dirigendolo nell'oculare.

A causa della dispersione del vetro e del liquido in esame, invece di una netta linea di demarcazione tra campi scuri e luminosi, se osservata alla luce bianca, si ottiene una striscia iridescente. Per eliminare questo effetto, il compensatore di dispersione 5 è installato davanti alla lente del telescopio. La parte principale del compensatore è un prisma, che è incollato da tre prismi e può ruotare rispetto all'asse del telescopio.

Gli angoli di rifrazione del prisma e del loro materiale sono scelti in modo che la luce gialla con una lunghezza d'onda ld = 5893 Å li attraversi senza rifrazione. Se un prisma compensatore è installato sul percorso dei raggi colorati in modo che la sua dispersione sia uguale in grandezza, ma di segno opposto alla dispersione del prisma di misurazione e del liquido, la dispersione totale sarà uguale a zero. In questo caso, il raggio di luce si raccoglierà in un raggio bianco, la cui direzione coincide con la direzione del raggio giallo limite.

Pertanto, quando il prisma di compensazione ruota, il colore della sfumatura viene eliminato. Insieme al prisma 5, il lembo di dispersione 12 ruota rispetto al puntatore fisso (vedi Fig. 4.10). L'angolo di rotazione Z dell'arto permette di valutare il valore della dispersione media del liquido indagato.

La scala del quadrante deve essere graduata. Il programma è allegato all'installazione.

Ordine di lavoro

1. Sollevare il prisma 3, mettere 2-3 gocce del liquido di prova sulla superficie del prisma 4 e abbassare il prisma 3 (vedi Fig. 4.10).

3. Utilizzando la mira oculare, ottenere un'immagine nitida della scala e dell'interfaccia tra i campi visivi.

4. Ruotando la maniglia 12 del compensatore 5, distruggere la colorazione colorata dell'interfaccia tra i campi visivi.

Spostando l'oculare lungo la scala, allineare il segno (—-) con il bordo dei campi scuro e chiaro e registrare il valore dell'indice del liquido.

6. Esaminare l'insieme di liquidi proposto e valutare l'errore di misurazione.

7. Dopo ogni misurazione, pulire la superficie dei prismi con carta da filtro imbevuta di acqua distillata.

domande di prova

opzione 1

Definire gli indici di rifrazione assoluti e relativi di un mezzo.

2. Disegna il percorso dei raggi attraverso l'interfaccia di due supporti (n2> n1 e n2< n1).

3. Ottenere una relazione che mette in relazione l'indice di rifrazione n con lo spessore d e lo spessore apparente d¢ della lastra.

4. Compito. L'angolo limite della riflessione interna totale per alcune sostanze è di 30°.

Trova l'indice di rifrazione di questa sostanza.

Risposta: n=2.

opzione 2

1. Qual è il fenomeno della riflessione interna totale?

2. Descrivere il progetto e il principio di funzionamento del rifrattometro RL-2.

3. Spiegare il ruolo del compensatore in un rifrattometro.

4. Compito. Una lampadina viene abbassata dal centro di una zattera rotonda a una profondità di 10 m. Trova il raggio minimo della zattera, mentre nessun raggio della lampadina dovrebbe raggiungere la superficie.

Risposta: R = 11,3 m.

INDICE DI RIFRAZIONE, o COEFFICIENTE RIFRATTIVO, è un numero astratto che caratterizza il potere rifrattivo di un mezzo trasparente. L'indice di rifrazione è indicato dalla lettera latina π ed è definito come il rapporto tra il seno dell'angolo di incidenza e il seno dell'angolo di rifrazione di un raggio che entra da un vuoto in un dato mezzo trasparente:

n = sin α/sin β = const o come rapporto tra la velocità della luce in un vuoto e la velocità della luce in un dato mezzo trasparente: n = c/νλ dal vuoto al dato mezzo trasparente.

L'indice di rifrazione è considerato una misura della densità ottica di un mezzo

L'indice di rifrazione determinato in questo modo è chiamato indice di rifrazione assoluto, in contrasto con l'indice di rifrazione relativo.

e. mostra quante volte la velocità di propagazione della luce rallenta quando passa il suo indice di rifrazione, che è determinato dal rapporto tra il seno dell'angolo di incidenza e il seno dell'angolo di rifrazione quando il raggio passa da un mezzo di uno densità a un mezzo di un'altra densità. L'indice di rifrazione relativo è uguale al rapporto degli indici di rifrazione assoluti: n = n2/n1, dove n1 e n2 sono gli indici di rifrazione assoluti del primo e del secondo mezzo.

L'indice di rifrazione assoluto di tutti i corpi - solidi, liquidi e gassosi - è maggiore di uno e varia da 1 a 2, superando il valore di 2 solo in rari casi.

L'indice di rifrazione dipende sia dalle proprietà del mezzo che dalla lunghezza d'onda della luce e aumenta al diminuire della lunghezza d'onda.

Pertanto, alla lettera p viene assegnato un indice, che indica a quale lunghezza d'onda si riferisce l'indicatore.

INDICE DI RIFRAZIONE

Ad esempio, per il vetro TF-1, l'indice di rifrazione nella parte rossa dello spettro è nC=1,64210 e nella parte viola nG'=1,67298.

Indici di rifrazione di alcuni corpi trasparenti

Aria - 1.000292

Acqua - 1.334

Etere - 1.358

Alcool etilico - 1.363

Glicerina - 1, 473

Vetro organico (plexiglass) - 1, 49

Benzene - 1.503

(Corona di vetro - 1.5163

Abete (canadese), balsamo 1,54

Vetro a corona pesante - 1, 61 26

Vetro selce - 1.6164

Disolfuro di carbonio - 1.629

Pietra focaia pesante di vetro - 1, 64 75

Monobromonaftalene - 1.66

Il vetro è la selce più pesante - 1,92

Diamante - 2.42

La differenza nell'indice di rifrazione per le diverse parti dello spettro è la causa del cromatismo, cioè

decomposizione della luce bianca quando passa attraverso parti rifrangenti - lenti, prismi, ecc.

Laboratorio n. 41

Determinazione dell'indice di rifrazione dei liquidi mediante rifrattometro

Lo scopo del lavoro: determinazione dell'indice di rifrazione dei liquidi con il metodo della riflessione interna totale utilizzando un rifrattometro IRF-454B; studio della dipendenza dell'indice di rifrazione della soluzione dalla sua concentrazione.

Descrizione dell'installazione

Quando la luce non monocromatica viene rifratta, viene scomposta in colori componenti in uno spettro.

Questo fenomeno è dovuto alla dipendenza dell'indice di rifrazione di una sostanza dalla frequenza (lunghezza d'onda) della luce ed è chiamato dispersione della luce.

È consuetudine caratterizzare il potere di rifrazione di un mezzo mediante l'indice di rifrazione a una lunghezza d'onda λ \u003d 589,3 nm (media delle lunghezze d'onda di due linee gialle vicine nello spettro dei vapori di sodio).

60. Quali metodi per determinare la concentrazione di sostanze nella soluzione vengono utilizzati nell'analisi dell'assorbimento atomico?

Questo indice di rifrazione è indicato nD.

La misura della varianza è la varianza media, definita come la differenza ( nF-nC), dove nFè l'indice di rifrazione di una sostanza a una lunghezza d'onda λ = 486,1 nm (linea blu nello spettro dell'idrogeno), nCè l'indice di rifrazione di una sostanza λ - 656,3 nm (linea rossa nello spettro dell'idrogeno).

La rifrazione di una sostanza è caratterizzata dal valore della relativa dispersione: Nei libri di consultazione si dà solitamente il reciproco della relativa dispersione, cioè

e., dove è il coefficiente di dispersione, o il numero di Abbe.

Un apparato per determinare l'indice di rifrazione dei liquidi è costituito da un rifrattometro IRF-454B con i limiti di misurazione dell'indicatore; rifrazione nD nell'intervallo da 1,2 a 1,7; liquido di prova, salviette per pulire le superfici dei prismi.

Rifrattometro IRF-454Bè uno strumento di prova progettato per misurare direttamente l'indice di rifrazione dei liquidi, nonché per determinare la dispersione media dei liquidi in laboratorio.

Il principio di funzionamento del dispositivo IRF-454B basato sul fenomeno della riflessione interna totale della luce.

Lo schema schematico del dispositivo è mostrato in fig. uno.

Il liquido indagato viene posto tra le due facce del prisma 1 e 2. Prisma 2 con faccia ben levigata AB sta misurando e il prisma 1 ha una faccia opaca MA1 A1 - illuminazione. I raggi di una sorgente luminosa cadono sul bordo MA1 Insieme a1 , rifrangono, cadono su una superficie opaca MA1 A1 e dispersi da questa superficie.

Quindi attraversano lo strato del liquido indagato e cadono in superficie. AB prismi 2.

Secondo la legge di rifrazione, dove e sono gli angoli di rifrazione dei raggi rispettivamente nel liquido e nel prisma.

All'aumentare dell'angolo di incidenza, aumenta anche l'angolo di rifrazione e raggiunge il suo valore massimo quando, ad es.

e.quando un raggio in un liquido scivola su una superficie AB. Quindi, . Pertanto, i raggi che emergono dal prisma 2 sono limitati ad un certo angolo.

I raggi provenienti dal liquido nel prisma 2 ad angoli ampi subiscono una riflessione interna totale all'interfaccia AB e non passare attraverso un prisma.

Sul dispositivo in esame vengono studiati liquidi il cui indice di rifrazione è inferiore all'indice di rifrazione del prisma 2, pertanto i raggi di tutte le direzioni rifratti all'interfaccia del liquido e del vetro entreranno nel prisma.

Ovviamente la parte del prisma corrispondente ai raggi non trasmessi sarà oscurata. Nel cannocchiale 4, posto sul percorso dei raggi uscenti dal prisma, si può osservare la divisione del campo visivo in parti chiare e scure.

Ruotando il sistema di prismi 1-2, il confine tra il campo chiaro e quello scuro viene unito alla croce dei fili dell'oculare del telescopio. Al sistema dei prismi 1-2 è associata una scala calibrata nei valori dell'indice di rifrazione.

La scala si trova nella parte inferiore del campo visivo del tubo e, quando la sezione del campo visivo è abbinata alla croce dei fili, fornisce il valore corrispondente dell'indice di rifrazione del liquido.

A causa della dispersione, l'interfaccia del campo visivo in luce bianca sarà colorata. Per eliminare la colorazione, oltre che per determinare la dispersione media della sostanza in esame, viene utilizzato il compensatore 3, costituito da due sistemi di prismi a visione diretta incollati (prismi Amici).

I prismi possono essere ruotati contemporaneamente in diverse direzioni tramite un preciso dispositivo meccanico rotativo, modificando così la dispersione intrinseca del compensatore ed eliminando la colorazione del campo visivo osservata attraverso il sistema ottico 4. Al compensatore è collegato un tamburo con una scala , che determina il parametro di dispersione, che permette di calcolare le sostanze di dispersione medie.

Ordine di lavoro

Regolare il dispositivo in modo che la luce della sorgente (lampada a incandescenza) entri nel prisma illuminante e illumini il campo visivo in modo uniforme.

2. Aprire il prisma di misurazione.

Applicare alcune gocce d'acqua sulla sua superficie con una bacchetta di vetro e chiudere accuratamente il prisma. Lo spazio tra i prismi deve essere riempito uniformemente con un sottile strato d'acqua (prestare particolare attenzione a questo).

Utilizzando la vite del dispositivo con scala, eliminare la colorazione del campo visivo e ottenere un confine netto tra luce e ombra. Allineare, aiutandosi con un'altra vite, alla croce di riferimento dell'oculare del dispositivo. Determinare l'indice di rifrazione dell'acqua sulla scala dell'oculare al millesimo più vicino.

Confronta i risultati ottenuti con i dati di riferimento per l'acqua. Se la differenza tra l'indice di rifrazione misurato e tabulato non supera ± 0,001, la misurazione è stata eseguita correttamente.

Esercizio 1

1. Preparare una soluzione di sale da cucina ( NaCl) con una concentrazione prossima al limite di solubilità (ad esempio C = 200 g/litro).

Misurare l'indice di rifrazione della soluzione risultante.

3. Diluendo la soluzione per un numero intero di volte, ottenere la dipendenza dell'indicatore; rifrazione dalla concentrazione della soluzione e compilare la tabella. uno.

Tabella 1

Un esercizio. Come ottenere solo per diluizione la concentrazione della soluzione, pari a 3/4 del massimo (iniziale)?

Grafico delle dipendenze della trama n=n(C). L'ulteriore elaborazione dei dati sperimentali dovrebbe essere effettuata come indicato dall'insegnante.

Elaborazione di dati sperimentali

a) Metodo grafico

Dal grafico determinare la pendenza A, che nelle condizioni dell'esperimento caratterizzerà il soluto e il solvente.

2. Determinare la concentrazione della soluzione utilizzando il grafico NaCl data dall'assistente di laboratorio.

b) Metodo analitico

Calcola con i minimi quadrati MA, A e SB.

Secondo i valori trovati MA e A determinare il valore medio della concentrazione della soluzione NaCl data dall'assistente di laboratorio

domande di prova

dispersione della luce. Qual è la differenza tra dispersione normale e anormale?

2. Qual è il fenomeno della riflessione interna totale?

3. Perché è impossibile misurare l'indice di rifrazione di un liquido maggiore dell'indice di rifrazione di un prisma utilizzando questa configurazione?

4. Perché la faccia di un prisma MA1 A1 rendere opaco?

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A CONFERENZA №24

"METODI DI ANALISI STRUMENTALI"

RIFRATTOMETRIA.

Letteratura:

1. V.D. Ponomarev "Chimica analitica" 1983 246-251

2. AA. Ishchenko "Chimica analitica" 2004 pp 181-184

RIFRATTOMETRIA.

La rifrattometria è uno dei metodi fisici di analisi più semplici, richiede una quantità minima di analita e viene eseguita in un tempo molto breve.

Rifrattometria- un metodo basato sul fenomeno della rifrazione o rifrazione cioè

cambiare la direzione di propagazione della luce quando si passa da un mezzo all'altro.

La rifrazione, così come l'assorbimento della luce, è una conseguenza della sua interazione con il mezzo.

La parola rifrattometria significa dimensione rifrazione della luce, che è stimata dal valore dell'indice di rifrazione.

Valore dell'indice di rifrazione n dipende

1) sulla composizione di sostanze e sistemi,

2) da a quale concentrazione e quali molecole incontra il raggio di luce nel suo cammino, perché

Sotto l'azione della luce, le molecole di diverse sostanze sono polarizzate in modi diversi. È su questa dipendenza che si basa il metodo rifrattometrico.

Questo metodo presenta una serie di vantaggi, per cui ha trovato ampia applicazione sia nella ricerca chimica che nel controllo dei processi tecnologici.

1) La misurazione degli indici di rifrazione è un processo molto semplice che viene eseguito in modo accurato e con un investimento minimo di tempo e quantità di sostanza.

2) Tipicamente, i rifrattometri forniscono una precisione fino al 10% nel determinare l'indice di rifrazione della luce e il contenuto dell'analita

Il metodo della rifrattometria viene utilizzato per controllare l'autenticità e la purezza, per identificare le singole sostanze, per determinare la struttura dei composti organici e inorganici nello studio delle soluzioni.

La rifrattometria viene utilizzata per determinare la composizione di soluzioni bicomponenti e per i sistemi ternari.

Base fisica del metodo

INDICATORE RIFRATTIVO.

La deviazione di un raggio di luce dalla sua direzione originale durante il suo passaggio da un mezzo all'altro è maggiore, maggiore è la differenza nelle velocità di propagazione della luce in due

questi ambienti.

Si consideri la rifrazione di un raggio di luce al confine di due mezzi trasparenti I e II qualsiasi (vedi Fig.

Riso.). Concordiamo sul fatto che il mezzo II ha un potere rifrattivo maggiore e, quindi, n1 e n2- mostra la rifrazione del mezzo corrispondente. Se il mezzo I non è né il vuoto né l'aria, allora il rapporto sin dell'angolo di incidenza del raggio luminoso rispetto a sin dell'angolo di rifrazione darà il valore dell'indice di rifrazione relativo n rel. Il valore di n rel.

Qual è l'indice di rifrazione del vetro? E quando è necessario saperlo?

può anche essere definito come il rapporto tra gli indici di rifrazione dei mezzi in esame.

nrel. = —— = —

Il valore dell'indice di rifrazione dipende da

1) la natura delle sostanze

La natura di una sostanza in questo caso è determinata dal grado di deformabilità delle sue molecole sotto l'azione della luce: il grado di polarizzabilità.

Più intensa è la polarizzabilità, più forte è la rifrazione della luce.

2)lunghezza d'onda della luce incidente

La misura dell'indice di rifrazione viene effettuata ad una lunghezza d'onda della luce di 589,3 nm (linea D dello spettro del sodio).

La dipendenza dell'indice di rifrazione dalla lunghezza d'onda della luce è chiamata dispersione.

Più corta è la lunghezza d'onda, maggiore è la rifrazione. Pertanto, i raggi di diverse lunghezze d'onda vengono rifratti in modo diverso.

3)temperatura in cui viene effettuata la misurazione. Un prerequisito per determinare l'indice di rifrazione è il rispetto del regime di temperatura. Tipicamente, la determinazione viene eseguita a 20±0,30°C.

All'aumentare della temperatura, l'indice di rifrazione diminuisce e al diminuire della temperatura, aumenta..

La correzione della temperatura viene calcolata utilizzando la seguente formula:

nt=n20+ (20-t) 0,0002, dove

nt- Ciao indice di rifrazione a una data temperatura,

n20 - indice di rifrazione a 200°C

L'effetto della temperatura sui valori degli indici di rifrazione di gas e liquidi è correlato ai valori dei loro coefficienti di espansione volumetrica.

Il volume di tutti i gas e liquidi aumenta quando viene riscaldato, la densità diminuisce e, di conseguenza, l'indicatore diminuisce

L'indice di rifrazione, misurato a 200°C e una lunghezza d'onda della luce di 589,3 nm, è indicato dall'indice nD20

La dipendenza dell'indice di rifrazione di un sistema omogeneo a due componenti dal suo stato viene stabilita sperimentalmente determinando l'indice di rifrazione per un certo numero di sistemi standard (ad esempio soluzioni), il cui contenuto di componenti è noto.

4) la concentrazione di una sostanza in una soluzione.

Per molte soluzioni acquose di sostanze, gli indici di rifrazione a diverse concentrazioni e temperature sono stati misurati in modo affidabile e in questi casi possono essere utilizzati dati di riferimento. tavole rifrattometriche.

La pratica dimostra che quando il contenuto della sostanza disciolta non supera il 10-20%, insieme al metodo grafico, in moltissimi casi è possibile utilizzare equazione lineare come:

n=no+FC,

n- indice di rifrazione della soluzione,

Noè l'indice di rifrazione del solvente puro,

C— concentrazione della sostanza disciolta,%

F-coefficiente empirico, di cui si trova il valore

determinando gli indici di rifrazione di soluzioni di concentrazione nota.

RIFRATTOMETRI.

I rifrattometri sono dispositivi utilizzati per misurare l'indice di rifrazione.

Esistono 2 tipi di questi strumenti: rifrattometro tipo Abbe e tipo Pulfrich. Sia in quelli che in altri, le misurazioni si basano sulla determinazione dell'ampiezza dell'angolo limite di rifrazione. In pratica si utilizzano rifrattometri di vari sistemi: laboratorio-RL, universal RLU, ecc.

L'indice di rifrazione dell'acqua distillata n0 = 1,33299, in pratica questo indicatore prende come riferimento n0 =1,333.

Il principio di funzionamento dei rifrattometri si basa sulla determinazione dell'indice di rifrazione mediante il metodo dell'angolo limite (l'angolo di riflessione totale della luce).

Rifrattometro manuale

Rifrattometro Abbe

Biglietto 75.

Legge della riflessione della luce: il raggio incidente e riflesso, nonché la perpendicolare all'interfaccia tra due mezzi, ripristinata nel punto di incidenza del raggio, giacciono sullo stesso piano (piano di incidenza). L'angolo di riflessione γ è uguale all'angolo di incidenza α.

Legge di rifrazione della luce: i fasci incidenti e rifratti, nonché la perpendicolare all'interfaccia tra due mezzi, ripristinati nel punto di incidenza del fascio, giacciono sullo stesso piano. Il rapporto tra il seno dell'angolo di incidenza α e il seno dell'angolo di rifrazione β è un valore costante per due dati mezzi:

Le leggi della riflessione e della rifrazione sono spiegate nella fisica delle onde. Secondo i concetti dell'onda, la rifrazione è una conseguenza di un cambiamento nella velocità di propagazione dell'onda durante il passaggio da un mezzo all'altro. Il significato fisico dell'indice di rifrazioneè il rapporto tra la velocità di propagazione delle onde nel primo mezzo υ 1 e la velocità della loro propagazione nel secondo mezzo υ 2:

La Figura 3.1.1 illustra le leggi di riflessione e rifrazione della luce.

Un mezzo con un indice di rifrazione assoluto più basso è chiamato otticamente meno denso.

Quando la luce passa da un mezzo otticamente più denso a uno otticamente meno denso n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать fenomeno di riflessione totale, cioè la scomparsa del raggio rifratto. Questo fenomeno si osserva ad angoli di incidenza superiori a un certo angolo critico α pr, che viene chiamato angolo limite della riflessione interna totale(vedi fig. 3.1.2).

Per l'angolo di incidenza α = α pr sin β = 1; valore sin α pr \u003d n 2 / n 1< 1.

Se il secondo mezzo è l'aria (n 2 ≈ 1), allora è conveniente riscrivere la formula come

Il fenomeno della riflessione interna totale trova applicazione in molti dispositivi ottici. L'applicazione più interessante e praticamente importante è la creazione di guide di luce in fibra, che sono filamenti sottili (da diversi micrometri a millimetri) piegati arbitrariamente da un materiale otticamente trasparente (vetro, quarzo). La luce che cade all'estremità della fibra può propagarsi lungo di essa per lunghe distanze a causa della riflessione interna totale dalle superfici laterali (Fig. 3.1.3). La direzione scientifica e tecnica coinvolta nello sviluppo e nell'applicazione delle guide ottiche ottiche è chiamata fibra ottica.

Dispe "rsiya light" that (decomposizione della luce)- si tratta di un fenomeno dovuto alla dipendenza dell'indice di rifrazione assoluto di una sostanza dalla frequenza (o lunghezza d'onda) della luce (dispersione di frequenza), o, la stessa cosa, alla dipendenza della velocità di fase della luce in una sostanza dalla lunghezza d'onda (o frequenza). Scoperto sperimentalmente da Newton intorno al 1672, anche se teoricamente ben spiegato molto più tardi.

Dispersione spazialeè la dipendenza del tensore della permittività del mezzo dal vettore d'onda. Questa dipendenza provoca una serie di fenomeni chiamati effetti di polarizzazione spaziale.

Uno degli esempi più chiari di dispersione - decomposizione della luce bianca quando lo si passa attraverso un prisma (esperimento di Newton). L'essenza del fenomeno della dispersione è la differenza nelle velocità di propagazione dei raggi luminosi con diverse lunghezze d'onda in una sostanza trasparente - un mezzo ottico (mentre nel vuoto la velocità della luce è sempre la stessa, indipendentemente dalla lunghezza d'onda e quindi dal colore) . Di solito, maggiore è la frequenza di un'onda luminosa, maggiore è l'indice di rifrazione del mezzo e minore è la velocità dell'onda nel mezzo:

Esperimenti di Newton Esperimento sulla scomposizione della luce bianca in uno spettro: Newton diresse un raggio di luce solare attraverso un piccolo foro su un prisma di vetro. Salendo sul prisma, il raggio è stato rifratto e ha dato sulla parete opposta un'immagine allungata con alternanza iridescente di colori: lo spettro. Esperimento sul passaggio della luce monocromatica attraverso un prisma: Newton mise un vetro rosso nel percorso del raggio solare, dietro il quale ricevette luce monocromatica (rossa), quindi un prisma e osservò sullo schermo solo una macchia rossa del raggio di luce. Esperienza nella sintesi (ottenimento) della luce bianca: In primo luogo, Newton diresse il raggio del sole su un prisma. Quindi, dopo aver raccolto i raggi colorati che emergono dal prisma con l'aiuto di una lente convergente, Newton ricevette un'immagine bianca di un foro su una parete bianca invece di una striscia colorata. Conclusioni di Newton:- il prisma non cambia la luce, ma la decompone solo in componenti - i raggi luminosi che differiscono per colore differiscono per il grado di rifrazione; i raggi viola sono più fortemente rifratti, la luce rossa è meno fortemente rifratta - la luce rossa, che è meno rifratta, ha la velocità più alta e il viola ha la più bassa, quindi il prisma decompone la luce. La dipendenza dell'indice di rifrazione della luce dal suo colore è chiamata dispersione.

Risultati:- un prisma decompone la luce - la luce bianca è complessa (composita) - i raggi viola sono rifratti più di quelli rossi. Il colore di un raggio di luce è determinato dalla sua frequenza di oscillazione. Quando ci si sposta da un mezzo all'altro, la velocità della luce e la lunghezza d'onda cambiano, ma la frequenza che determina il colore rimane costante. I confini delle gamme della luce bianca e dei suoi componenti sono solitamente caratterizzati dalle loro lunghezze d'onda nel vuoto. La luce bianca è un insieme di lunghezze d'onda da 380 a 760 nm.

Biglietto 77.

Assorbimento della luce. Legge di Bouguer

L'assorbimento della luce in una sostanza è associato alla conversione dell'energia del campo elettromagnetico dell'onda nell'energia termica della sostanza (o nell'energia della radiazione fotoluminescente secondaria). La legge di assorbimento della luce (legge di Bouguer) ha la forma:

io=io 0 exp(- X),(1)

dove io 0 , io- inserire l'intensità della luce (x=0) ed uscire dallo strato di medio spessore X, - coefficiente di assorbimento, dipende da .

Per dielettrici  =10 -1  10 -5 m -1 , per i metalli =10 5  10 7 m -1 , quindi i metalli sono opachi alla luce.

Dipendenza  ( ) spiega la colorazione dei corpi assorbenti. Ad esempio, il vetro che assorbe poca luce rossa apparirà rosso se illuminato con luce bianca.

Dispersione della luce. La legge di Rayleigh

La diffrazione della luce può verificarsi in un mezzo otticamente disomogeneo, ad esempio in un mezzo torbido (fumo, nebbia, aria polverosa, ecc.). Diffrangendo sulle disomogeneità del mezzo, le onde luminose creano uno schema di diffrazione caratterizzato da una distribuzione dell'intensità abbastanza uniforme in tutte le direzioni.

Viene chiamata tale diffrazione da piccole disomogeneità dispersione della luce.

Questo fenomeno si osserva se uno stretto raggio di luce solare passa attraverso l'aria polverosa, si disperde sulle particelle di polvere e diventa visibile.

Se le dimensioni delle disomogeneità sono piccole rispetto alla lunghezza d'onda (non più di 0,1  ), quindi l'intensità della luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda, cioè

io rasso ~ 1/  4 , (2)

questa relazione è chiamata legge di Rayleigh.

La dispersione della luce si osserva anche in mezzi puri che non contengono particelle estranee. Ad esempio, può verificarsi su fluttuazioni (deviazioni casuali) di densità, anisotropia o concentrazione. Tale dispersione è chiamata molecolare. Spiega, ad esempio, il colore blu del cielo. Infatti, secondo (2), i raggi blu e blu sono diffusi più fortemente del rosso e del giallo, perché hanno una lunghezza d'onda più corta, causando così il colore blu del cielo.

Biglietto 78.

Polarizzazione della luce- un insieme di fenomeni dell'ottica ondulatoria, in cui si manifesta la natura trasversale delle onde luminose elettromagnetiche. Onda trasversale- le particelle del mezzo oscillano in direzioni perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda ( Fig. 1).

Fig. 1 Onda trasversale

onda di luce elettromagnetica piano polarizzato(polarizzazione lineare), se le direzioni di oscillazione dei vettori E e B sono strettamente fisse e giacciono su determinati piani ( Fig. 1). Viene chiamata un'onda di luce polarizzata piana piano polarizzato luce (linearmente polarizzata). non polarizzato onda (naturale) - un'onda di luce elettromagnetica in cui le direzioni di oscillazione dei vettori E e B in questa onda possono trovarsi su qualsiasi piano perpendicolare al vettore di velocità v. luce non polarizzata- onde luminose, in cui le direzioni di oscillazione dei vettori E e B cambiano casualmente in modo che tutte le direzioni di oscillazione nei piani perpendicolari al raggio di propagazione dell'onda siano ugualmente probabili ( fig.2).

Fig.2 luce non polarizzata

onde polarizzate- in cui le direzioni dei vettori E e B rimangono invariate nello spazio o cambiano secondo una certa legge. Radiazione, in cui la direzione del vettore E cambia in modo casuale - non polarizzato. Un esempio di tale radiazione può essere la radiazione termica (atomi ed elettroni distribuiti casualmente). Piano di polarizzazione- questo è un piano perpendicolare alla direzione di oscillazione del vettore E. Il meccanismo principale per il verificarsi della radiazione polarizzata è la dispersione della radiazione da parte di elettroni, atomi, molecole e particelle di polvere.

1.2. Tipi di polarizzazione Esistono tre tipi di polarizzazione. Definiamoli. 1. Lineare Si verifica se il vettore elettrico E mantiene la sua posizione nello spazio. Evidenzia il piano in cui oscilla il vettore E. 2. Circolare Questa è la polarizzazione che si verifica quando il vettore elettrico E ruota attorno alla direzione di propagazione dell'onda con una velocità angolare pari alla frequenza angolare dell'onda, pur mantenendo il suo valore assoluto. Questa polarizzazione caratterizza la direzione di rotazione del vettore E nel piano perpendicolare alla linea di vista. Un esempio è la radiazione di ciclotrone (un sistema di elettroni che ruotano in un campo magnetico). 3. Ellittico Si verifica quando l'ampiezza del vettore elettrico E cambia in modo da descrivere un'ellisse (rotazione del vettore E). La polarizzazione ellittica e circolare è destra (la rotazione del vettore E avviene in senso orario, se si guarda verso l'onda che si propaga) e sinistra (la rotazione del vettore E avviene in senso antiorario, se si guarda verso l'onda che si propaga).

In effetti, il più comune polarizzazione parziale (onde elettromagnetiche parzialmente polarizzate). Quantitativamente è caratterizzato da una certa quantità chiamata grado di polarizzazione R, che è definito come: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) dove Imax,sono dentro- la più alta e la più bassa densità di flusso di energia elettromagnetica attraverso l'analizzatore (Polaroid, prisma di Nicol…). In pratica, la polarizzazione della radiazione è spesso descritta dai parametri di Stokes (vengono determinati i flussi di radiazione con una data direzione di polarizzazione).

Biglietto 79.

Se la luce naturale cade sull'interfaccia tra due dielettrici (ad esempio aria e vetro), parte di essa viene riflessa e parte viene rifratta e si propaga nel secondo mezzo. Posizionando un analizzatore (ad esempio tormalina) nel percorso dei raggi riflessi e rifratti, ci assicuriamo che i raggi riflessi e rifratti siano parzialmente polarizzati: quando l'analizzatore viene ruotato attorno ai raggi, l'intensità della luce periodicamente aumenta e diminuisce ( non si osserva la completa estinzione!). Ulteriori studi hanno mostrato che nel raggio riflesso prevalgono le oscillazioni perpendicolari al piano di incidenza (in Fig. 275 sono indicate da punti), nel raggio rifratto - oscillazioni parallele al piano di incidenza (indicate dalle frecce).

Il grado di polarizzazione (il grado di separazione delle onde luminose con un certo orientamento del vettore elettrico (e magnetico)) dipende dall'angolo di incidenza dei raggi e dall'indice di rifrazione. fisico scozzese D. Brewster(1781-1868) stabilito legge, secondo cui all'angolo di incidenza io B (angolo di Brewster), definito dalla relazione

(n 21 - indice di rifrazione del secondo mezzo rispetto al primo), il raggio riflesso è polarizzato in piano(contiene solo oscillazioni perpendicolari al piano di incidenza) (Fig. 276). Il raggio rifratto all'angolo di incidenzaio B polarizzato al massimo, ma non completamente.

Se la luce è incidente sull'interfaccia all'angolo di Brewster, allora i raggi riflessi e rifratti reciprocamente perpendicolari(tg io B=peccato io B/cos io b, n 21 = peccato io B / peccato io 2 (io 2 - angolo di rifrazione), donde cos io B=peccato io 2). Quindi, io B + io 2 =  /2, ma io’ B= io B (legge della riflessione), quindi io’ B+ io 2 =  /2.

Il grado di polarizzazione della luce riflessa e rifratta a diversi angoli di incidenza può essere calcolato dalle equazioni di Maxwell, se prendiamo in considerazione le condizioni al contorno del campo elettromagnetico all'interfaccia tra due dielettrici isotropi (il cosiddetto formule di Fresnel).

Il grado di polarizzazione della luce rifratta può essere notevolmente aumentato (mediante rifrazione ripetuta, a condizione che la luce cada ogni volta sull'interfaccia all'angolo di Brewster). Se, ad esempio, per il vetro ( n= 1.53), il grado di polarizzazione del fascio rifratto è 15%, quindi dopo la rifrazione di 8-10 lastre di vetro sovrapposte, la luce che emerge da tale sistema sarà quasi completamente polarizzata. Questo set di piatti è chiamato piede. Il piede può essere utilizzato per analizzare la luce polarizzata sia nella sua riflessione che nella sua rifrazione.

Biglietto 79 (per sperone)

Come mostra l'esperienza, durante la rifrazione e la riflessione della luce, la luce rifratta e riflessa risulta polarizzata, e la riflessione. la luce può essere completamente polarizzata con un certo angolo di incidenza, ma la luce è sempre parzialmente polarizzata In base alle formule di Frinel, si può dimostrare che riflette. la luce è polarizzata in un piano perpendicolare al piano di incidenza e di rifrazione. la luce è polarizzata su un piano parallelo al piano di incidenza.

L'angolo di incidenza a cui la riflessione la luce è completamente polarizzata è chiamato angolo di Brewster.L'angolo di Brewster è determinato dalla legge di Brewster: -Legge di Brewster.In questo caso, l'angolo tra la riflessione. e rompere. i raggi saranno uguali Per un sistema air-glass, l'angolo di Brewster è uguale Per ottenere una buona polarizzazione, ad es. , quando la luce viene rifratta, vengono utilizzate molte superfici rotte, chiamate Piede di Stoletov.

Biglietto 80.

L'esperienza mostra che durante l'interazione della luce con la materia, l'azione principale (fisiologica, fotochimica, fotoelettrica, ecc.) è causata dalle oscillazioni del vettore, che a questo proposito è talvolta chiamato vettore di luce. Pertanto, per descrivere i modelli di polarizzazione della luce, viene monitorato il comportamento del vettore.

Il piano formato dai vettori ed è chiamato piano di polarizzazione.

Se le oscillazioni del vettore si verificano su un piano fisso, tale luce (fascio) viene chiamata polarizzata linearmente. È arbitrariamente designato come segue. Se il raggio è polarizzato su un piano perpendicolare (nel piano xz, vedi fig. 2 nella seconda lezione), quindi è indicato.

La luce naturale (proveniente da sorgenti ordinarie, il sole) è costituita da onde che hanno diversi piani di polarizzazione distribuiti casualmente (vedi Fig. 3).

La luce naturale a volte viene convenzionalmente chiamata così. Viene anche chiamato non polarizzato.

Se durante la propagazione dell'onda il vettore ruota e allo stesso tempo la fine del vettore descrive un cerchio, allora tale luce viene chiamata polarizzata circolarmente e la polarizzazione è circolare o circolare (destra o sinistra). C'è anche la polarizzazione ellittica.

Esistono dispositivi ottici (pellicole, lastre, ecc.) - polarizzatori, che emettono luce polarizzata linearmente o luce parzialmente polarizzata dalla luce naturale.

Si chiamano polarizzatori usati per analizzare la polarizzazione della luce analizzatori.

Il piano del polarizzatore (o analizzatore) è il piano di polarizzazione della luce trasmessa dal polarizzatore (o analizzatore).

Lascia che un polarizzatore (o analizzatore) sia incidente con luce polarizzata linearmente con un'ampiezza e 0. L'ampiezza della luce trasmessa sarà E=E 0 cos j, e l'intensità io=io 0 cos 2 j.

Questa formula esprime La legge di Malus:

L'intensità della luce polarizzata linearmente che passa attraverso l'analizzatore è proporzionale al quadrato del coseno dell'angolo j tra il piano di oscillazione della luce incidente e il piano dell'analizzatore.

Biglietto 80 (per speroni)

I polarizzatori sono dispositivi che consentono di ottenere luce polarizzata.Gli analizzatori sono dispositivi con cui è possibile analizzare se la luce è polarizzata o meno. Strutturalmente, un polarizzatore e un analizzatore sono la stessa cosa. quindi tutte le direzioni del vettore E sono probabili uguali. Ciascuno vettore può essere scomposto in due componenti reciprocamente perpendicolari: una delle quali è parallela al piano di polarizzazione del polarizzatore e l'altra è perpendicolare ad esso.

Ovviamente, l'intensità della luce in uscita dal polarizzatore sarà uguale. Indichiamo l'intensità della luce in uscita dal polarizzatore con (). Se sul percorso del polarizzatore è posizionato un analizzatore, il cui piano principale forma un angolo con il piano principale del polarizzatore, quindi l'intensità della luce in uscita dall'analizzatore è determinata dalla legge.

Biglietto 81.

Studiando la luminescenza di una soluzione di sali di uranio sotto l'azione dei raggi di radio, il fisico sovietico P. A. Cherenkov ha attirato l'attenzione sul fatto che l'acqua stessa brilla, in cui non ci sono sali di uranio. Si è scoperto che quando i raggi (vedi Radiazione gamma) passano attraverso liquidi puri, iniziano tutti a brillare. S. I. Vavilov, sotto la cui direzione ha lavorato P. A. Cherenkov, ha ipotizzato che il bagliore sia associato al movimento degli elettroni eliminati dai quanti di radio degli atomi. In effetti, il bagliore dipendeva fortemente dalla direzione del campo magnetico nel liquido (questo suggeriva che la sua causa fosse il movimento degli elettroni).

Ma perché gli elettroni che si muovono in un liquido emettono luce? La risposta corretta a questa domanda fu data nel 1937 dai fisici sovietici I. E. Tamm e I. M. Frank.

Un elettrone, muovendosi in una sostanza, interagisce con gli atomi circostanti. Sotto l'azione del suo campo elettrico, gli elettroni e i nuclei atomici vengono spostati in direzioni opposte: il mezzo è polarizzato. Polarizzandosi e poi tornando allo stato iniziale, gli atomi del mezzo, posti lungo la traiettoria dell'elettrone, emettono onde luminose elettromagnetiche. Se la velocità dell'elettrone v è inferiore alla velocità di propagazione della luce nel mezzo (- indice di rifrazione), il campo elettromagnetico supererà l'elettrone e la sostanza avrà il tempo di polarizzarsi nello spazio davanti all'elettrone. La polarizzazione del mezzo davanti all'elettrone e dietro di esso è in direzione opposta, e le radiazioni di atomi polarizzati in modo opposto, "sommando", si "spengono" a vicenda. Quando gli atomi, a cui l'elettrone non è ancora arrivato, non hanno il tempo di polarizzarsi e appare la radiazione, diretta lungo uno stretto strato conico con un vertice coincidente con l'elettrone in movimento e un angolo al vertice c. L'aspetto di un "cono" di luce e la condizione della radiazione possono essere ottenuti dai principi generali della propagazione delle onde.

Riso. 1. Meccanismo di formazione del fronte d'onda

Lascia che un elettrone si muova lungo l'asse OE (vedi Fig. 1) di un canale vuoto molto stretto in una sostanza trasparente omogenea con un indice di rifrazione (è necessario un canale vuoto per non tenere conto delle collisioni di un elettrone con atomi in un considerazione teorica). Qualsiasi punto sulla linea OE successivamente occupato da un elettrone sarà il centro di emissione della luce. Le onde emanate dai punti successivi O, D, E interferiscono tra loro e vengono amplificate se la differenza di fase tra loro è zero (vedi Interferenza). Questa condizione è soddisfatta per la direzione che forma un angolo pari a 0 con la traiettoria dell'elettrone. L'angolo 0 è determinato dal rapporto:.

Si considerino infatti due onde emesse nella direzione con un angolo pari a 0 rispetto alla velocità dell'elettrone da due punti della traiettoria - punto O e punto D, separati da una distanza. Al punto B, giacente sulla retta BE, perpendicolare a OB, la prima onda in - in tempo Al punto F, giacente sulla retta BE, l'onda emessa dal punto arriverà all'istante successivo all'emissione dell'onda onda dal punto O. Queste due onde saranno in fase, cioè la retta sarà un fronte d'onda se questi tempi sono uguali:. Che come condizione di uguaglianza dei tempi dà. In tutte le direzioni, per cui la luce si spegnerà per interferenza di onde emesse da tratti della traiettoria separati da una distanza D. Il valore di D è determinato da un'ovvia equazione, dove T è il periodo di oscillazione della luce. Questa equazione ha sempre una soluzione se.

Se , allora la direzione in cui le onde irradiate, interferendo, amplificano non esiste, non può essere maggiore di 1.

Riso. 2. Distribuzione delle onde sonore e formazione di un'onda d'urto durante il movimento del corpo

La radiazione si osserva solo se .

Sperimentalmente, gli elettroni volano in un angolo solido finito, con una certa diffusione delle velocità e, di conseguenza, la radiazione si propaga in uno strato conico vicino alla direzione principale determinata dall'angolo.

Nella nostra considerazione, abbiamo trascurato la decelerazione dell'elettrone. Questo è abbastanza accettabile, poiché le perdite dovute alla radiazione di Vavilov-Cherenkov sono piccole e, in prima approssimazione, possiamo supporre che l'energia persa dall'elettrone non influisca sulla sua velocità e si muova uniformemente. Questa è la differenza fondamentale e l'insolita della radiazione Vavilov-Cherenkov. Di solito le cariche si irradiano, subendo un'accelerazione significativa.

Un elettrone che supera la propria luce è come un aeroplano che vola a una velocità maggiore della velocità del suono. In questo caso, un'onda d'urto conica si propaga anche davanti all'aeromobile (vedi Fig. 2).

INDICATORE RIFRATTIVO(indice di rifrazione) - ottico. caratteristica ambientale associata rifrazione della luce all'interfaccia tra due mezzi trasparenti otticamente omogenei e isotropi durante la sua transizione da un mezzo all'altro ea causa della differenza nelle velocità di fase della propagazione della luce nel mezzo. Il valore di P. p., uguale al rapporto di queste velocità. parente

P. p. di questi ambienti. Se la luce cade sul secondo o sul primo mezzo da (dove la velocità di propagazione della luce insieme a), allora le quantità sono assoluto P. p. di questi ambienti. In questo caso, la legge di rifrazione può essere scritta nella forma in cui e sono gli angoli di incidenza e di rifrazione.

La grandezza del P. p. assoluto dipende dalla natura e dalla struttura della sostanza, dal suo stato di aggregazione, temperatura, pressione, ecc. Ad intensità elevate, il p. p. dipende dall'intensità della luce (vedi. ottica non lineare). In un certo numero di sostanze, P. p. cambia sotto l'influenza di esterni. elettrico campi ( Effetto Kerr- in liquidi e gas; elettro-ottico Effetto tasche- in cristalli).

Per un dato mezzo, la banda di assorbimento dipende dalla lunghezza d'onda l della luce, e nella regione delle bande di assorbimento questa dipendenza è anomala (vedi Fig. Dispersione della luce). Per quasi tutti i mezzi, la banda di assorbimento è vicina a 1, nella regione visibile per liquidi e solidi è di circa 1,5; nella regione IR per un certo numero di supporti trasparenti 4.0 (per Ge).

Illuminato.: Landsberg GS, Ottica, 5a ed., M., 1976; Sivukhin D.V., Corso generale, 2a ed., [vol. 4] - Ottica, M., 1985. V. I. Malyshev,

L'indice di rifrazione di un mezzo relativo al vuoto, cioè nel caso del passaggio dei raggi luminosi dal vuoto ad un mezzo, è detto assoluto ed è determinato dalla formula (27.10): n=c/v.

Nei calcoli, gli indici di rifrazione assoluti sono presi dalle tabelle, poiché il loro valore è determinato in modo abbastanza accurato utilizzando esperimenti. Poiché c è maggiore di v, allora l'indice di rifrazione assoluto è sempre maggiore dell'unità.

Se la radiazione luminosa passa dal vuoto a un mezzo, la formula per la seconda legge di rifrazione è scritta come:

sin i/sin β = n. (29.6)

La formula (29.6) è spesso usata in pratica anche quando i raggi passano dall'aria a un mezzo, poiché la velocità di propagazione della luce nell'aria differisce molto poco da c. Questo può essere visto dal fatto che l'indice di rifrazione assoluto dell'aria è 1,0029.

Quando il raggio passa dal mezzo al vuoto (all'aria), la formula per la seconda legge di rifrazione assume la forma:

sin i/sen β = 1/n. (29.7)

In questo caso, i raggi, quando lasciano il mezzo, si allontanano necessariamente dalla perpendicolare all'interfaccia tra il mezzo e il vuoto.

Scopriamo come trovare l'indice di rifrazione relativo n21 dagli indici di rifrazione assoluti. Lascia passare la luce dal mezzo con indice assoluto n1 al mezzo con indice assoluto n2. Allora n1 = c/V1 en2 = s/v2, da dove:

n2/n1=v1/v2=n21. (29.8)

La formula per la seconda legge di rifrazione per un caso del genere è spesso scritta come segue:

seno/senoβ = n2/n1. (29.9)

Ricordiamolo per L'esponente assoluto della teoria di Maxwell la rifrazione può essere trovata dalla relazione: n = √(με). Poiché per sostanze trasparenti alla radiazione luminosa, μ è praticamente uguale all'unità, possiamo supporre che:

n = √ε. (29.10)

Poiché la frequenza delle oscillazioni nella radiazione luminosa è dell'ordine di 10 14 Hz, né i dipoli né gli ioni in un dielettrico, che hanno una massa relativamente grande, hanno il tempo di cambiare la loro posizione con tale frequenza e le proprietà dielettriche di una sostanza in queste condizioni sono determinate solo dalla polarizzazione elettronica dei suoi atomi. Questo spiega la differenza tra il valore ε=n 2 da (29.10) e ε st in elettrostatica. Quindi, per l'acqua ε \u003d n 2 \u003d 1,77 e ε st \u003d 81; il dielettrico solido ionico NaCl ε=2,25 e ε st =5,6. Quando una sostanza è costituita da atomi omogenei o molecole non polari, cioè non ha né ioni né dipoli naturali, la sua polarizzazione può essere solo elettronica. Per sostanze simili, ε da (29.10) e ε st coincidono. Un esempio di tale sostanza è il diamante, che consiste solo di atomi di carbonio.

Si noti che il valore dell'indice di rifrazione assoluto, oltre al tipo di sostanza, dipende anche dalla frequenza di oscillazione, ovvero dalla lunghezza d'onda della radiazione . Al diminuire della lunghezza d'onda, di regola, l'indice di rifrazione aumenta.

La rifrazione è chiamata un certo numero astratto che caratterizza il potere rifrattivo di qualsiasi mezzo trasparente. È consuetudine designarlo n. Ci sono indice di rifrazione assoluto e coefficiente relativo.

Il primo viene calcolato utilizzando una delle due formule:

n = sin α / sin β = const (dove sin α è il seno dell'angolo di incidenza e sin β è il seno del raggio di luce che entra nel mezzo in esame dal vuoto)

n = c / υ λ (dove c è la velocità della luce nel vuoto, υ λ è la velocità della luce nel mezzo in studio).

Qui, il calcolo mostra quante volte la luce cambia la sua velocità di propagazione nel momento del passaggio dal vuoto a un mezzo trasparente. In questo modo si determina l'indice di rifrazione (assoluto). Per scoprire il parente, utilizzare la formula:

Si considerano cioè gli indici di rifrazione assoluti di sostanze di diversa densità, come aria e vetro.

In generale, i coefficienti assoluti di qualsiasi corpo, sia esso gassoso, liquido o solido, sono sempre maggiori di 1. Fondamentalmente, i loro valori vanno da 1 a 2. Al di sopra di 2, questo valore può essere solo in casi eccezionali. Il valore di questo parametro per alcuni ambienti:

Questo valore, se applicato alla sostanza naturale più dura del pianeta, il diamante, è 2,42. Molto spesso, quando si effettuano ricerche scientifiche, ecc., è necessario conoscere l'indice di rifrazione dell'acqua. Questo parametro è 1.334.

Poiché la lunghezza d'onda è un indicatore, ovviamente, non costante, alla lettera n viene assegnato un indice. Il suo valore aiuta a capire a quale onda dello spettro si riferisce questo coefficiente. Quando si considera la stessa sostanza, ma con l'aumentare della lunghezza d'onda della luce, l'indice di rifrazione diminuisce. Questa circostanza ha causato la scomposizione della luce in uno spettro quando passava attraverso una lente, un prisma, ecc.

In base al valore dell'indice di rifrazione, puoi determinare, ad esempio, quanta parte di una sostanza viene dissolta in un'altra. Questo è utile, ad esempio, nella preparazione della birra o quando è necessario conoscere la concentrazione di zucchero, frutta o bacche nel succo. Questo indicatore è importante anche per determinare la qualità dei prodotti petroliferi e in gioielleria, quando è necessario dimostrare l'autenticità di una pietra, ecc.

Senza l'uso di alcuna sostanza, la scala visibile nell'oculare dello strumento sarà completamente blu. Se si lascia cadere acqua distillata ordinaria su un prisma, con la corretta calibrazione dello strumento, il bordo dei colori blu e bianco passerà rigorosamente lungo la tacca dello zero. Quando si esamina un'altra sostanza, si sposterà lungo la scala in base all'indice di rifrazione che ha.