Absoluuttisen ja suhteellisen taitekertoimen välinen suhde. Mistä aineen taitekerroin riippuu?
Ei ole mitään muuta kuin tulokulman sinin suhde taitekulman siniin
Taitekerroin riippuu aineen ominaisuuksista ja säteilyn aallonpituudesta, joidenkin aineiden taitekerroin muuttuu varsin voimakkaasti sähkömagneettisten aaltojen taajuuden muuttuessa matalilta taajuuksilta optisiin ja yli, ja voi myös muuttua vielä jyrkemmin tietyillä taajuusasteikon alueet. Oletusarvo on yleensä optinen alue tai kontekstin määräämä alue.
n:n arvo muiden asioiden ollessa yhtä suuri on yleensä vähemmän kuin yksi kun säde siirtyy tiheämästä väliaineesta vähemmän tiheään, ja enemmän kuin yksikkö, kun säde siirtyy vähemmän tiheästä väliaineesta tiheämpään väliaineeseen (esimerkiksi kaasusta tai tyhjiöstä nestemäiseen tai kiinteään aineeseen). Tästä säännöstä on poikkeuksia, ja siksi on tapana kutsua väliainetta optisesti enemmän tai vähemmän tiheäksi kuin toista (ei pidä sekoittaa optiseen tiheyteen väliaineen opasiteetin mittana).
Taulukossa on joitain taitekerroinarvoja joillekin väliaineille:
Väliaineen, jolla on korkeampi taitekerroin, sanotaan olevan optisesti tiheämpi. Taitekerroin mitataan yleensä erilaisia ympäristöjä suhteessa ilmaan. Ilman absoluuttinen taitekerroin on. Siten minkä tahansa väliaineen absoluuttinen taitekerroin on suhteessa sen taitekerroin ilmaan kaavalla:
Taitekerroin riippuu valon aallonpituudesta eli sen väristä. Eri värit vastaavat erilaisia taitekertoimia. Tällä ilmiöllä, jota kutsutaan dispersioksi, on tärkeä rooli optiikassa.
Optiikka on yksi fysiikan vanhimmista aloista. Muinaisesta Kreikasta lähtien monet filosofit ovat olleet kiinnostuneita valon liikkeen ja etenemisen laeista erilaisissa läpinäkyvissä materiaaleissa, kuten vedessä, lasissa, timantissa ja ilmassa. Tässä artikkelissa tarkastellaan valon taittumisen ilmiötä, huomio kiinnitetään ilman taitekertoimeen.
Valosäteen taittovaikutus
Jokainen elämässään on kohdannut satoja kertoja tämän vaikutuksen katsoessaan säiliön pohjaa tai vesilasia, johon on asetettu esine. Samaan aikaan säiliö ei vaikuttanut niin syvältä kuin se todellisuudessa oli, ja vesilasissa olevat esineet näyttivät epämuodostuneilta tai rikkoutuneilta.
Taittumisilmiö koostuu katkeamisesta sen suoraviivaisessa liikeradassa, kun se ylittää kahden läpinäkyvän materiaalin rajapinnan. Yhteenveto suuri määrä Näistä kokeista 1600-luvun alussa hollantilainen Willebrord Snell sai matemaattisen lausekkeen, joka kuvasi tätä ilmiötä tarkasti. Tämä lauseke on kirjoitettu seuraavassa muodossa:
n 1 *sin(θ 1) = n 2 *sin(θ 2) = vakio.
Tässä n 1 , n 2 ovat valon absoluuttisia taitekertoimia vastaavassa materiaalissa, θ 1 ja θ 2 ovat kulmia tulevan ja taittuneen säteen ja säteen leikkauspisteen kautta piirrettyyn rajapintatasoon nähden kohtisuoraan. ja tämä lentokone.
Tätä kaavaa kutsutaan Snellin tai Snell-Descartesin laiksi (ranskalainen kirjoitti sen esitetyssä muodossa, hollantilainen ei käyttänyt sinejä, vaan pituusyksiköitä).
Tämän kaavan lisäksi taittumisilmiötä kuvaa toinen laki, joka on luonteeltaan geometrinen. Se johtuu siitä, että merkitty kohtisuorassa tasoon nähden ja kaksi sädettä (taittunut ja tuleva) ovat samassa tasossa.
Absoluuttinen taitekerroin
Tämä arvo sisältyy Snellin kaavaan, ja sen arvolla on tärkeä rooli. Matemaattisesti taitekerroin n vastaa kaavaa:
Symboli c on sähkömagneettisten aaltojen nopeus tyhjiössä. Se on noin 3*10 8 m/s. Arvo v on valon nopeus väliaineessa. Siten taitekerroin heijastaa valon hidastumisen määrää väliaineessa suhteessa ilmattomaan tilaan.
Yllä olevasta kaavasta seuraa kaksi tärkeää johtopäätöstä:
- n:n arvo on aina suurempi kuin 1 (tyhjiölle se on yksi);
- se on mittaamaton määrä.
Esimerkiksi ilman taitekerroin on 1,00029, kun taas veden taitekerroin on 1,33.
Taitekerroin ei ole vakioarvo tietylle väliaineelle. Se riippuu lämpötilasta. Lisäksi jokaiselle sähkömagneettisen aallon taajuudelle sillä on oma merkityksensä. Yllä olevat luvut vastaavat siis 20 o C:n lämpötilaa ja näkyvän spektrin keltaista osaa (aallonpituus - noin 580-590 nm).
n:n arvon riippuvuus valon taajuudesta ilmenee laajenemisessa valkoinen valo prisma useissa väreissä sekä sateenkaaren muodostumisessa taivaalle rankkasateen aikana.
Valon taitekerroin ilmassa
Sen arvo (1,00029) on jo annettu yllä. Koska ilman taitekerroin eroaa vain neljännellä desimaalilla nollasta, niin käytännön ongelmien ratkaisemiseksi sitä voidaan pitää yhtä suurena kuin yksi. Pieni n:n ero ilman yksiköstä osoittaa, että ilmamolekyylit eivät käytännössä hidasta valoa, mikä liittyy sen suhteellisen alhaiseen tiheyteen. Siten ilman keskimääräinen tiheys on 1,225 kg/m 3 eli se on yli 800 kertaa kevyempää kuin makea vesi.
Ilma on optisesti ohut väliaine. Valon nopeuden hidastaminen materiaalissa on luonteeltaan kvantti, ja se liittyy aineen atomien fotonien absorptio- ja emissiotoimiin.
Muutokset ilman koostumuksessa (esimerkiksi vesihöyryn pitoisuuden lisääntyminen siinä) ja lämpötilan muutokset johtavat merkittäviin taitekertoimen muutoksiin. Hyvä esimerkki on autiomaassa tehdyn miraasin vaikutus, joka johtuu ilmakerrosten taitekertoimien eroista. eri lämpötiloja.
lasi-ilma-liitäntä
Lasi on paljon tiheämpi väliaine kuin ilma. Sen absoluuttinen taitekerroin vaihtelee välillä 1,5 - 1,66 lasityypistä riippuen. Jos otamme keskiarvon 1,55, niin säteen taittuminen ilma-lasirajapinnassa voidaan laskea kaavalla:
sin (θ 1) / sin (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1,55.
Arvoa n 21 kutsutaan suhteellinen indikaattori taittoilma - lasi. Jos säde poistuu lasista ilmaan, on käytettävä seuraavaa kaavaa:
sin (θ 1) / sin (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1 / 1,55 \u003d 0,645.
Jos taittuneen säteen kulma jälkimmäisessä tapauksessa on 90 o, niin vastaavaa kutsutaan kriittiseksi. Lasi-ilmarajalle se on yhtä suuri kuin:
θ 1 \u003d arcsin (0,645) \u003d 40,17 o.
Jos säde putoaa lasi-ilmarajalle suuremmilla kulmilla kuin 40,17 o , se heijastuu kokonaan takaisin lasiin. Tätä ilmiötä kutsutaan "täydelliseksi sisäiseksi heijastukseksi".
Kriittinen kulma on olemassa vain, kun säde liikkuu tiheästä väliaineesta (lasista ilmaan, mutta ei päinvastoin).
Valo etenee luonteeltaan eri väliaineissa eri nopeuksilla. Mitä tiheämpi väliaine, sitä pienempi on valon etenemisnopeus siinä. Asianmukainen mitta on vahvistettu sekä materiaalin tiheydelle että valon etenemisnopeudelle kyseisessä materiaalissa. Tätä mittaa kutsutaan taitekertoimeksi. Minkä tahansa materiaalin taitekerroin mitataan suhteessa valon nopeuteen tyhjiössä (tyhjiötä kutsutaan usein vapaaksi tilaksi). Seuraava kaava kuvaa tätä suhdetta.
Mitä suurempi taitekerroin materiaalilla on, sitä tiheämpi se on. Kun valonsäde siirtyy materiaalista toiseen (jolla on eri taitekerroin), taitekulma on erilainen kuin tulokulma. Alhaisemman taitekertoimen omaavan väliaineen läpäisevä valonsäde poistuu kulmassa, joka on suurempi kuin tulokulma. Valonsäde, joka läpäisee väliaineen, jolla on korkea taitekerroin, poistuu kulmassa, joka on pienempi kuin tulokulma. Tämä on esitetty kuvassa. 3.5.
Riisi. 3.5.a. Säde, joka kulkee väliaineesta, jossa on korkea N 1 , väliaineeseen, jossa on alhainen N 2
Riisi. 3.5.b. Säde, joka kulkee väliaineesta, jossa on alhainen N1, keskiaineeseen, jossa on korkea N2
Tässä tapauksessa θ 1 on tulokulma ja θ 2 on taitekulma. Joitakin tyypillisiä taitekertoimia on lueteltu alla.
On mielenkiintoista huomata, että varten röntgenkuvat lasin taitekerroin on aina pienempi kuin ilman, joten kun ne siirtyvät ilmasta lasiin, ne poikkeavat kohtisuorasta, eivätkä kohti kohtisuoraa, kuten valonsäteet.
Refraktometrian käyttöalueet.
IRF-22 refraktometrin laite ja toimintaperiaate.
Taitekertoimen käsite.
Suunnitelma
Refraktometria. Menetelmän ominaisuudet ja ydin.
Käytä aineiden tunnistamiseen ja niiden puhtauden tarkistamiseen
refraktori.
Aineen taitekerroin- arvo, joka on yhtä suuri kuin valon (sähkömagneettisten aaltojen) vaihenopeuksien suhde tyhjiössä ja näkyvässä väliaineessa.
Taitekerroin riippuu aineen ominaisuuksista ja aallonpituudesta
elektromagneettinen säteily. Tulokulman sinin suhde suhteessa
säteen taittotasoon (α) piirretty normaali taitekulman siniin
refraktiota (β) säteen siirtymisen aikana väliaineesta A väliaineeseen B kutsutaan tämän väliaineparin suhteelliseksi taitekertoimeksi.
Arvo n on väliaineen B suhteellinen taitekerroin
suhteessa ympäristöön A ja
Väliaineen A suhteellinen taitekerroin suhteessa
Ilmattomasta väliaineesta tulevan säteen taitekerroin
avaruutta kutsutaan sen absoluuttiseksi taitekertoimeksi tai
yksinkertaisesti tietyn väliaineen taitekerroin (taulukko 1).
Taulukko 1 - Eri väliaineiden taitekertoimet
Nesteiden taitekerroin on 1,2-1,9. Kiinteä
aineet 1,3-4,0. Joillakin mineraaleilla ei ole tarkkaa indikaattorin arvoa
taittumista varten. Sen arvo on tietyssä "haarukassa" ja määrää
kiderakenteessa olevien epäpuhtauksien vuoksi, mikä määrää värin
kristalli.
Mineraalin tunnistaminen "värillä" on vaikeaa. Joten mineraalikorundi esiintyy rubiinin, safiirin, leukosafiirin muodossa, jotka eroavat toisistaan
taitekerroin ja väri. Punaisia korundeja kutsutaan rubiineiksi
(kromiseos), väritön sininen, vaaleansininen, vaaleanpunainen, keltainen, vihreä,
violetti - safiirit (koboltin, titaanin jne. epäpuhtaudet). Vaalean värinen
nye safiireja tai väritöntä korundia kutsutaan leukosafiiriksi (yleensä
käytetään optiikassa valonsuodattimena). Näiden kiteiden taitekerroin
keskeytys on välillä 1,757-1,778 ja se on tunnistamisen perusta
Kuva 3.1 - Rubiini Kuva 3.2 - Safiirinsininen
Orgaanisilla ja epäorgaanisilla nesteillä on myös ominaisarvot taitekertoimet, jotka luonnehtivat niitä kemiallisiksi
nye-yhdisteet ja niiden synteesin laatu (taulukko 2):
Taulukko 2 - Joidenkin nesteiden taitekertoimet 20 °C:ssa
4.2. Refraktometria: käsite, periaate.
Indikaattorin määritykseen perustuva menetelmä aineiden tutkimiseksi
(taittumiskerrointa) kutsutaan refraktometriksi (alkaen
lat. refractus - taitettu ja kreikkalainen. metreo - mittaan). Refraktometria
(refraktometrinen menetelmä) käytetään kemikaalien tunnistamiseen
yhdisteet, kvantitatiivinen ja rakenneanalyysi, fysikaalis-
aineiden kemialliset parametrit. Refraktometriaperiaate toteutettu
Abben refraktometreissä, havainnollistetaan kuvassa 1.
Kuva 1 - Refraktometrian periaate
Abbe-prismalohko koostuu kahdesta suorakaiteen muotoisesta prismasta: valaiseva
runko ja mittaus, hypotenuusan kasvojen taittama. Valaisin-
prismalla on karkea (matta) hypotenuusa pinta ja se on tarkoitettu
Chena prismojen väliin asetetun nestenäytteen valaisemiseen.
Sironnut valo kulkee tutkittavan nesteen tasosuuntaisen kerroksen läpi ja taittuessaan nesteeseen putoaa mittausprismaan. Mittausprisma on valmistettu optisesti tiheästä lasista (raskas piikivi) ja sen taitekerroin on suurempi kuin 1,7. Tästä syystä Abben refraktometri mittaa n arvoa alle 1,7. Taitekertoimen mittausalueen lisäys saadaan aikaan vain mittausprismaa vaihtamalla.
Testinäyte kaadetaan mittausprisman hypotenuusan pinnalle ja painetaan valaisevaa prismaa vasten. Tässä tapauksessa 0,1-0,2 mm:n rako jää niiden prismien väliin, joissa näyte sijaitsee, ja sen läpi.
joka kulkee valoa taittaen. Taitekertoimen mittaamiseen
käyttää ilmiötä täydellinen sisäinen heijastus. Se koostuu
Seuraava.
Jos säteet 1, 2, 3 putoavat kahden median väliselle rajapinnalle, niin riippuen
tulokulma, kun niitä tarkkaillaan taittavassa väliaineessa
havaitaan erilaisen valaistuksen alueiden siirtymä. Se on yhdistetty
jossa valon osa osuu taittumisrajalle kulmassa n.
kim 90°:een normaaliin nähden (palkki 3). (Kuva 2).
Kuva 2 - Kuva taittuneista säteistä
Tämä osa säteistä ei heijastu ja muodostaa siksi kevyemmän kohteen.
taittuminen. Pienemmillä kulmilla olevat säteet kokevat ja heijastavat
ja taittuminen. Siksi muodostuu vähemmän valaistu alue. Määrässä
täydellisen sisäisen heijastuksen rajaviiva näkyy linssissä, asento
joka riippuu näytteen taiteominaisuuksista.
Dispersioilmiön eliminointi (kahden valaistusalueen rajapinnan värjääminen sateenkaaren väreillä monimutkaisen valkoisen valon käytön vuoksi Abbe-refraktometreissä) saavutetaan käyttämällä kompensaattorissa kahta Amici-prismaa, jotka on asennettu teleskooppi. Samanaikaisesti linssiin projisoidaan asteikko (kuva 3). 0,05 ml nestettä riittää analyysiin.
Kuva 3 - Näkymä refraktometrin okulaarin läpi. (Oikea asteikko heijastaa
mitatun komponentin pitoisuus ppm)
Yksikomponenttisten näytteiden analysoinnin lisäksi analysoidaan laajasti
kaksikomponenttiset järjestelmät (vesiliuokset, aineiden liuokset, joissa
tai liuotin). Ihanteellisissa kaksikomponenttisissa järjestelmissä (muovaus-
muuttamatta komponenttien äänenvoimakkuutta ja polarisoituvuutta), riippuvuus näytetään
koostumuksen taitekerroin on lähellä lineaarista, jos koostumus ilmaistaan termeillä
tilavuusosuudet (prosentti)
jossa: n, n1, n2 - seoksen ja komponenttien taitekertoimet,
V1 ja V2 ovat komponenttien tilavuusosia (V1 + V2 = 1).
Lämpötilan vaikutus taitekertoimeen määräytyy kahdella
tekijät: nestehiukkasten lukumäärän muutos tilavuusyksikköä kohti ja
molekyylien polarisoituvuuden riippuvuus lämpötilasta. Toinen tekijä tuli
tulee merkitykselliseksi vain erittäin suurissa lämpötilanvaihteluissa.
Lämpötilakerroin taitekerroin on verrannollinen lämpötilan tiheyskertoimeen. Koska kaikki nesteet laajenevat kuumennettaessa, niiden taitekertoimet pienenevät lämpötilan noustessa. Lämpötilakerroin riippuu nesteen lämpötilasta, mutta pienillä lämpötilaväleillä sitä voidaan pitää vakiona. Tästä syystä suurin osa refraktometreissä ei ole lämpötilan säätöä, mutta jotkut mallit tarjoavat
veden lämpötilan säätö.
Taitekertoimen lineaarinen ekstrapolointi lämpötilan muutoksilla on hyväksyttävää pienillä lämpötilaeroilla (10 - 20°C).
Tarkka määritelmä taitekerroin laajoilla lämpötila-alueilla tuotetaan empiiristen kaavojen mukaisesti:
nt=n0+at+bt2+…
Liuosrefraktometriaan laajoilla pitoisuusalueilla
käytä taulukoita tai empiirisiä kaavoja. Näytön riippuvuus -
taittava runko vesiliuokset joitain aineita pitoisuudesta
on lähellä lineaarista ja mahdollistaa näiden aineiden pitoisuuksien määrittämisen
vettä useilla eri pitoisuuksilla (kuva 4) käyttämällä refraktiota
tometrit.
Kuva 4 - Joidenkin vesiliuosten taitekerroin
Yleensä n nestemäisiä ja kiinteät aineet refraktometrit määrittävät tarkasti
0,0001 asti. Yleisimmät ovat Abbe-refraktometrit (kuva 5), joissa on prismalohkot ja dispersiokompensaattorit, jotka mahdollistavat nD:n määrittämisen "valkoisessa" valossa asteikolla tai digitaalisella indikaattorilla.
Kuva 5 - Abbe-refraktometri (IRF-454; IRF-22)