Բացարձակ և հարաբերական բեկման ցուցիչի կապը: Ինչի՞ց է կախված նյութի բեկման ինդեքսը:

Չկա այլ բան, քան անկման անկյան սինուսի հարաբերակցությունը բեկման անկյան սինուսին

բեկման ինդեքսը կախված է նյութի հատկություններից և ճառագայթման ալիքի երկարությունից, որոշ նյութերի համար բեկման ինդեքսը բավականին ուժեղ է փոխվում, երբ էլեկտրամագնիսական ալիքների հաճախականությունը փոխվում է ցածր հաճախականությունից դեպի օպտիկական և հետագա, և կարող է նաև ավելի կտրուկ փոխվել որոշ դեպքերում։ հաճախականության սանդղակի տարածքները: Լռելյայն սովորաբար օպտիկական տիրույթն է կամ համատեքստով որոշվող տիրույթը:

n-ի արժեքը, մյուսները հավասար են, սովորաբար մեկից պակասերբ ճառագայթն ավելի խիտ միջավայրից անցնում է ավելի քիչ խիտ միջավայրի, և ավելին, քան միասնությունը, երբ ճառագայթն ավելի քիչ խիտ միջավայրից անցնում է ավելի խիտ միջավայրի (օրինակ՝ գազից կամ վակուումից հեղուկ կամ պինդ միջավայրի): Կան բացառություններ այս կանոնից, և, հետևաբար, ընդունված է օպտիկական միջավայրը անվանել ավելի կամ պակաս խիտ, քան մյուսը (չշփոթել օպտիկական խտության հետ՝ որպես միջավայրի անթափանցիկության չափում)։

Աղյուսակը ցույց է տալիս բեկման ինդեքսի որոշ արժեքներ որոշ լրատվամիջոցների համար.

Ավելի բարձր բեկման ինդեքս ունեցող միջավայրը համարվում է օպտիկական ավելի խիտ: Սովորաբար չափվում է բեկման ինդեքսը տարբեր միջավայրերօդի համեմատ: Օդի բացարձակ բեկման ինդեքսն է. Այսպիսով, ցանկացած միջավայրի բացարձակ բեկման ինդեքսը կապված է օդի նկատմամբ նրա բեկման ցուցիչի հետ բանաձևով.

բեկման ինդեքսը կախված է լույսի ալիքի երկարությունից, այսինքն՝ նրա գույնից։ Տարբեր գույները համապատասխանում են տարբեր բեկման ինդեքսների: Այս երեւույթը, որը կոչվում է դիսպերսիա, կարեւոր դեր է խաղում օպտիկայի մեջ։

Օպտիկան ֆիզիկայի հնագույն ճյուղերից է։ Հին Հունաստանից ի վեր շատ փիլիսոփաներ հետաքրքրված են եղել լույսի շարժման և տարածման օրենքներով տարբեր թափանցիկ նյութերում, ինչպիսիք են ջուրը, ապակին, ադամանդը և օդը: Այս հոդվածում դիտարկվում է լույսի բեկման ֆենոմենը, ուշադրությունը կենտրոնացված է օդի բեկման ինդեքսին։

Լույսի ճառագայթի բեկման էֆեկտ

Յուրաքանչյուր ոք իր կյանքում հարյուրավոր անգամներ նման էֆեկտի է հանդիպել, երբ նա նայել է ջրամբարի հատակին կամ ջրի բաժակին, որի մեջ դրված է ինչ-որ առարկա: Միևնույն ժամանակ, ջրամբարն այնքան խորը չէր թվում, որքան իրականում էր, և մեկ բաժակ ջրի մեջ գտնվող առարկաները դեֆորմացված կամ կոտրված տեսք ունեին:

Ռեֆրակցիայի երևույթը բաղկացած է իր ուղղագիծ հետագծի ճեղքվածքից, երբ այն անցնում է երկու թափանցիկ նյութերի միջերեսը: Ամփոփելով մեծ թվովԱյս փորձերից 17-րդ դարի սկզբին հոլանդացի Վիլլեբրորդ Սնելը ստացավ մաթեմատիկական արտահայտություն, որը ճշգրիտ նկարագրում էր այս երևույթը: Այս արտահայտությունը գրված է հետևյալ ձևով.

n 1 *sin(θ 1) = n 2 *sin(θ 2) = const.

Այստեղ n 1 , n 2-ը լույսի բեկման բացարձակ ինդեքսներն են համապատասխան նյութում, θ 1 և θ 2 անկյուններն են անկման և բեկված ճառագայթների միջև և ինտերֆեյսի հարթությանը ուղղահայացը, որը գծված է ճառագայթի հատման կետով։ և այս ինքնաթիռը:

Այս բանաձևը կոչվում է Սնելի կամ Սնել-Դեկարտի օրենք (ֆրանսիացին է այն գրել ներկայացված ձևով, մինչդեռ հոլանդացին օգտագործում էր ոչ թե սինուսներ, այլ երկարության միավորներ):

Բացի այս բանաձեւից, բեկման երեւույթը նկարագրվում է մեկ այլ օրենքով, որն իր բնույթով երկրաչափական է։ Դա կայանում է նրանում, որ նշված հարթությանը ուղղահայացը և երկու ճառագայթները (բեկված և ընկնող) գտնվում են նույն հարթության վրա:

Բացարձակ բեկման ինդեքս

Այս արժեքը ներառված է Snell բանաձեւում, եւ դրա արժեքը կարեւոր դեր է խաղում: Մաթեմատիկորեն n բեկման ինդեքսը համապատասխանում է բանաձևին.

c նշանը էլեկտրամագնիսական ալիքների արագությունն է վակուումում։ Այն մոտավորապես 3*10 8 մ/վ է։ v արժեքը լույսի արագությունն է միջավայրում։ Այսպիսով, բեկման ինդեքսը արտացոլում է միջավայրում լույսի դանդաղեցման չափը օդային տարածության նկատմամբ:

Վերոհիշյալ բանաձևից բխում են երկու կարևոր եզրակացություն.

• n-ի արժեքը միշտ 1-ից մեծ է (վակուումի համար այն հավասար է մեկի);
• դա անչափ մեծություն է։

Օրինակ՝ օդի բեկման ինդեքսը 1,00029 է, իսկ ջրի համար՝ 1,33։

բեկման ինդեքսը որոշակի միջավայրի համար հաստատուն արժեք չէ: Դա կախված է ջերմաստիճանից: Ավելին, էլեկտրամագնիսական ալիքի յուրաքանչյուր հաճախականության համար այն ունի իր նշանակությունը։ Այսպիսով, վերը նշված թվերը համապատասխանում են 20 o C ջերմաստիճանին և տեսանելի սպեկտրի դեղին հատվածին (ալիքի երկարությունը՝ մոտ 580-590 նմ):

n-ի արժեքի կախվածությունը լույսի հաճախականությունից դրսևորվում է ընդարձակման մեջ սպիտակ լույսպրիզմա մի շարք գույների վրա, ինչպես նաև հորդառատ անձրևի ժամանակ երկնքում ծիածանի ձևավորման մեջ։

Օդի մեջ լույսի բեկման ինդեքսը

Դրա արժեքը (1.00029) արդեն տրված է վերևում: Քանի որ օդի բեկման ինդեքսը զրոյից տարբերվում է միայն չորրորդ տասնորդական տեղում, ապա գործնական խնդիրներ լուծելու համար այն կարելի է հավասար համարել մեկի։ Օդի համար n-ի մի փոքր տարբերությունը միասնությունից ցույց է տալիս, որ լույսը գործնականում չի դանդաղեցնում օդի մոլեկուլները, ինչը պայմանավորված է նրա համեմատաբար ցածր խտությամբ: Այսպիսով, օդի միջին խտությունը 1,225 կգ/մ 3 է, այսինքն՝ ավելի քան 800 անգամ թեթեւ է քաղցրահամ ջրից։

Օդը օպտիկապես բարակ միջավայր է: Նյութում լույսի արագության դանդաղեցման գործընթացը կրում է քվանտային բնույթ և կապված է նյութի ատոմների կողմից ֆոտոնների կլանման և արտանետման գործողությունների հետ:

Օդի բաղադրության փոփոխությունները (օրինակ՝ դրանում ջրի գոլորշու պարունակության ավելացում) և ջերմաստիճանի փոփոխությունները հանգեցնում են բեկման ինդեքսի զգալի փոփոխությունների։ Վառ օրինակմիրաժի ազդեցությունն է անապատում, որն առաջանում է օդային շերտերի բեկման ինդեքսների տարբերության պատճառով։ տարբեր ջերմաստիճաններ.

ապակի-օդ ինտերֆեյս

Ապակին օդից շատ ավելի խիտ միջավայր է: Նրա բեկման բացարձակ ինդեքսը տատանվում է 1,5-ից մինչև 1,66՝ կախված ապակու տեսակից։ Եթե ​​վերցնենք միջին արժեքը 1,55, ապա ճառագայթի բեկումը օդ-ապակի միջերեսում կարելի է հաշվարկել՝ օգտագործելով բանաձևը.

մեղք (θ 1) / մեղք (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1.55.

n 21 արժեքը կոչվում է հարաբերական ցուցանիշբեկման օդ - ապակի. Եթե ​​ճառագայթը ապակուց դուրս է գալիս օդ, ապա պետք է օգտագործվի հետևյալ բանաձևը.

մեղք (θ 1) / մեղք (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1 / 1.55 \u003d 0.645:

Եթե ​​բեկված փնջի անկյունը վերջին դեպքում հավասար է 90 o-ի, ապա համապատասխանը կոչվում է կրիտիկական։ Ապակի-օդ սահմանի համար այն հավասար է.

θ 1 \u003d աղեղ (0,645) \u003d 40,17 o.

Եթե ​​ճառագայթը ընկնում է ապակի-օդ սահմանի վրա 40,17 o ից ավելի մեծ անկյուններով, ապա այն ամբողջությամբ կանդրադառնա ապակու մեջ: Այս երեւույթը կոչվում է «ընդհանուր ներքին արտացոլում»։

Կրիտիկական անկյունը գոյություն ունի միայն այն ժամանակ, երբ ճառագայթը շարժվում է խիտ միջավայրից (ապակուց օդ, բայց ոչ հակառակը):

Լույսն իր բնույթով տարածվում է տարբեր միջավայրերում տարբեր արագություններով: Որքան խիտ է միջավայրը, այնքան ցածր է լույսի տարածման արագությունը նրանում։ Սահմանվել է համապատասխան միջոց՝ կապված ինչպես նյութի խտության, այնպես էլ այդ նյութում լույսի տարածման արագության հետ։ Այս չափումը կոչվում է բեկման ինդեքս։ Ցանկացած նյութի համար բեկման ինդեքսը չափվում է վակուումում լույսի արագության համեմատ (վակուումը հաճախ անվանում են ազատ տարածություն): Հետևյալ բանաձևը նկարագրում է այս հարաբերությունը.

Որքան բարձր է նյութի բեկման ինդեքսը, այնքան այն ավելի խիտ է: Երբ լույսի ճառագայթը անցնում է մի նյութից մյուսը (տարբեր բեկման ինդեքսով), բեկման անկյունը տարբերվում է անկման անկյունից։ Ավելի ցածր բեկման ինդեքսով միջավայր ներթափանցող լույսի ճառագայթը դուրս կգա անկման անկյունից ավելի մեծ անկյան տակ: Բարձր բեկման ինդեքսով միջավայր ներթափանցող լույսի ճառագայթը դուրս կգա անկման անկյունից փոքր անկյան տակ: Սա ցույց է տրված նկ. 3.5.

Բրինձ. 3.5.ա. Ճառագայթ, որն անցնում է բարձր N 1 միջավայրից դեպի ցածր N 2 ունեցող միջավայր

Բրինձ. 3.5.բ. Ճառագայթ, որն անցնում է ցածր N 1 ունեցող միջավայրից դեպի բարձր N 2 ունեցող միջավայր

Այս դեպքում θ 1-ը անկման անկյունն է, իսկ θ 2-ը բեկման անկյունն է: Որոշ տիպիկ բեկման ինդեքսներ թվարկված են ստորև:

Հետաքրքիր է նշել, որ համար ռենտգենյան ճառագայթներապակու բեկման ինդեքսը միշտ ավելի քիչ է, քան օդը, ուստի օդից ապակի անցնելիս նրանք շեղվում են ուղղահայացից, և ոչ թե ուղղահայացին, ինչպես լույսի ճառագայթները:

Ռեֆրակտոմետրիայի կիրառման ոլորտները.

IRF-22 ռեֆրակտոմետրի սարքը և աշխատանքի սկզբունքը.

բեկման ինդեքսի հայեցակարգը.

Պլանավորել

Ռեֆրակտոմետրիա. Մեթոդի առանձնահատկությունները և էությունը.

Նյութերը նույնականացնելու և դրանց մաքրությունը ստուգելու համար օգտագործեք

ռեֆրակտոր.

Նյութի բեկման ինդեքսը- արժեք, որը հավասար է լույսի (էլեկտրամագնիսական ալիքների) փուլային արագությունների հարաբերակցությանը վակուումում և տեսանելի միջավայրում:

բեկման ինդեքսը կախված է նյութի հատկություններից և ալիքի երկարությունից

էլեկտրամագնիսական ճառագայթում. Հարաբերական անկման անկյան սինուսի հարաբերակցությունը

ճառագայթի բեկման հարթության (α) դեպի բեկման անկյան սինուսի գծված նորմալը

բեկումը (β) ճառագայթի A միջավայրից B միջավայրի անցման ժամանակ կոչվում է հարաբերական բեկման ինդեքս այս զույգ միջավայրերի համար:

n արժեքը B միջավայրի հարաբերական բեկման ինդեքսն է ըստ

Ա միջավայրի առնչությամբ և

A միջավայրի հարաբերական բեկման ինդեքսը նկատմամբ

Ճառագայթի բեկման ինդեքսը, որը դիպչում է միջավայրի վրա առանց օդից

րդ տարածությունը կոչվում է նրա բացարձակ բեկման ինդեքս կամ

պարզապես տվյալ միջավայրի բեկման ինդեքսը (Աղյուսակ 1):

Աղյուսակ 1 - Տարբեր միջավայրերի բեկման ինդեքսներ

Հեղուկներն ունեն բեկման ինդեքսը 1,2-1,9 միջակայքում։ Պինդ

նյութեր 1.3-4.0. Որոշ օգտակար հանածոներ չունեն ցուցիչի ճշգրիտ արժեքը

բեկման համար։ Դրա արժեքը որոշակի «պատառաքաղի» մեջ է և որոշում է

բյուրեղային կառուցվածքում կեղտերի առկայության պատճառով, որը որոշում է գույնը

բյուրեղյա.

Հանքանյութի «գույնի» նույնականացումը դժվար է։ Այսպիսով, կորունդի հանքանյութը գոյություն ունի ռուբինի, շափյուղայի, լեյկոզապֆիրի տեսքով՝ տարբերվելով.

բեկման ինդեքսը և գույնը: Կարմիր կորունդները կոչվում են սուտակ

(քրոմի խառնուրդ), անգույն կապույտ, բաց կապույտ, վարդագույն, դեղին, կանաչ,

մանուշակ - շափյուղաներ (կոբալտի, տիտանի և այլնի կեղտեր): Բաց գույնի

nye sapphires կամ անգույն կորունդը կոչվում է լեյկոզապֆիր (լայնորեն

օգտագործվում է օպտիկայի մեջ որպես լույսի զտիչ): Այս բյուրեղների բեկման ինդեքսը

ախոռը գտնվում է 1,757-1,778 միջակայքում և հանդիսանում է նույնականացման հիմք

Նկար 3.1 - Ruby Նկար 3.2 - Sapphire կապույտ

Օրգանական և անօրգանական հեղուկներն ունեն նաև բնորոշ արժեքներբեկման ինդեքսները, որոնք դրանք բնութագրում են որպես քիմիական

nye միացություններ և դրանց սինթեզի որակը (աղյուսակ 2).

Աղյուսակ 2. Որոշ հեղուկների բեկման ինդեքսներ 20 °C ջերմաստիճանում

4.2. Ռեֆրակտոմետրիա՝ հայեցակարգ, սկզբունք։

Ցուցանիշի որոշման վրա հիմնված նյութերի ուսումնասիրության մեթոդ

Ռեֆրակցիայի (բեկման) գործակիցը կոչվում է ռեֆրակտոմետրիա (ից

լատ. refractus - բեկված և հուն. մետրեո - չափում եմ): Ռեֆրակտոմետրիա

(ռեֆրակտոմետրիկ մեթոդ) օգտագործվում է քիմ

միացություններ, քանակական և կառուցվածքային անալիզ, ֆիզիկա-

նյութերի քիմիական պարամետրերը. Իրականացվել է ռեֆրակտոմետրիայի սկզբունքը

Abbe ռեֆրակտոմետրերում, նկար 1-ով:

Նկար 1 - Ռեֆրակտոմետրիայի սկզբունքը

Abbe պրիզմայի բլոկը բաղկացած է երկու ուղղանկյուն պրիզմայից՝ լուսավորող

մարմինը և չափիչը՝ ծալված հիպոթենուսային դեմքերով։ Լուսավորիչ-

պրիզմա ունի կոպիտ (փայլատ) հիպոթենուզային դեմք և նախատեսված է

Չենա պրիզմաների միջև տեղադրված հեղուկ նմուշը լուսավորելու համար:

Ցրված լույսն անցնում է հետազոտվող հեղուկի հարթ զուգահեռ շերտով և, բեկվելով հեղուկի մեջ, ընկնում է չափիչ պրիզմայի վրա։ Չափիչ պրիզման պատրաստված է օպտիկականորեն խիտ ապակուց (ծանր կայծքար) և ունի բեկման ինդեքսը ավելի քան 1,7։ Այս պատճառով, Abbe ռեֆրակտոմետրը չափում է 1,7-ից պակաս n արժեք: բեկման ինդեքսի չափման տիրույթի աճը հնարավոր է միայն չափիչ պրիզմայի փոփոխությամբ:

Փորձարկման նմուշը լցվում է չափիչ պրիզմայի հիպոթենուսային երեսի վրա և սեղմվում լուսավորող պրիզմայի վրա: Այս դեպքում պրիզմաների միջև, որոնցում գտնվում է նմուշը, մնում է 0,1-0,2 մմ բացվածք և միջով.

որն անցնում է բեկող լույսով։ բեկման ինդեքսը չափելու համար

օգտագործել ամբողջականության ֆենոմենը ներքին արտացոլում. Այն բաղկացած է

հաջորդ.

Եթե ​​1, 2, 3 ճառագայթները ընկնում են երկու լրատվամիջոցների միջերեսի վրա, ապա կախված

անկման անկյունը բեկումային միջավայրում դրանք դիտարկելիս կլինի

նկատվում է տարբեր լուսավորության տարածքների անցում: Դա կապված է

բեկման սահմանի վրա լույսի որոշ մասի անկմամբ մոտ.

kim մինչև 90° նորմալի նկատմամբ (ճառագայթ 3): (Նկար 2):

Նկար 2 - բեկված ճառագայթների պատկեր

Ճառագայթների այս հատվածը չի արտացոլվում և, հետևաբար, ձևավորում է ավելի թեթև առարկա:

բեկում. Ավելի փոքր անկյուններով ճառագայթները ապրում և արտացոլվում են

և բեկում. Այսպիսով, ձևավորվում է ավելի քիչ լուսավորված տարածք: Ծավալով

ոսպնյակի վրա տեսանելի է ընդհանուր ներքին արտացոլման սահմանագիծը, դիրքը

որը կախված է նմուշի բեկող հատկություններից։

Դիսպերսիայի երևույթի վերացումը (լուսավորության երկու տարածքների միջերեսի գունավորում ծիածանի գույներով՝ բարդ սպիտակ լույսի օգտագործման շնորհիվ Abbe ռեֆրակտոմետրերում) ձեռք է բերվում փոխհատուցիչում երկու Amici պրիզմաների օգտագործմամբ, որոնք տեղադրված են աստղադիտակ. Միևնույն ժամանակ, ոսպնյակի մեջ նախագծվում է կշեռք (Նկար 3): Անալիզի համար բավարար է 0,05 մլ հեղուկ։

Նկար 3 - Դիտեք ռեֆրակտոմետրի ակնաչափի միջով: (Ճիշտ սանդղակը արտացոլում է

չափված բաղադրիչի կոնցենտրացիան ppm-ով)

Բացի մեկ բաղադրիչ նմուշների վերլուծությունից, լայնորեն վերլուծվում են

երկբաղադրիչ համակարգեր (ջրային լուծույթներ, նյութերի լուծույթներ, որոնցում

կամ լուծիչ): Իդեալական երկու բաղադրիչ համակարգերում (ձևավորում.

առանց բաղադրիչների ծավալի և բևեռացման փոփոխության), ցուցադրվում է կախվածությունը

Կազմի բեկման ինդեքսը մոտ է գծայինին, եթե բաղադրությունը արտահայտված է

ծավալային կոտորակներ (տոկոս)

որտեղ՝ n, n1, n2 - խառնուրդի և բաղադրիչների բեկման ինդեքսները,

V1 և V2 բաղադրիչների ծավալային բաժիններն են (V1 + V2 = 1):

Ջերմաստիճանի ազդեցությունը բեկման ինդեքսի վրա որոշվում է երկուով

գործոններ՝ միավոր ծավալով հեղուկ մասնիկների քանակի փոփոխություն և

մոլեկուլների բևեռացման կախվածությունը ջերմաստիճանից: Երկրորդ գործոնը դարձավ

նշանակալի է դառնում միայն շատ մեծ ջերմաստիճանի փոփոխությունների դեպքում:

Ջերմաստիճանի գործակիցըբեկման ինդեքսը համաչափ է ջերմաստիճանի խտության գործակցին: Քանի որ բոլոր հեղուկները մեծանում են, երբ տաքանում են, դրանց բեկման ինդեքսները նվազում են, երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է: Ջերմաստիճանի գործակիցը կախված է հեղուկի ջերմաստիճանից, սակայն փոքր ջերմաստիճանային ընդմիջումներով այն կարելի է համարել հաստատուն։ Այս պատճառով մեծ մասըՌեֆրակտոմետրերը չունեն ջերմաստիճանի հսկողություն, սակայն որոշ նմուշներ ապահովում են

ջրի ջերմաստիճանի վերահսկում.

Ջերմաստիճանի փոփոխություններով բեկման ինդեքսի գծային էքստրապոլյացիան ընդունելի է ջերմաստիճանի փոքր տարբերությունների դեպքում (10 - 20°C):

Ճշգրիտ սահմանումբեկման ինդեքսը լայն ջերմաստիճանային միջակայքերում արտադրվում է ձևի էմպիրիկ բանաձևերի համաձայն.

nt=n0+at+bt2+…

Լուծումների ռեֆրակտոմետրիայի համար կոնցենտրացիաների լայն տիրույթներում

օգտագործել աղյուսակներ կամ էմպիրիկ բանաձևեր: Ցուցադրել կախվածությունը-

բեկման մարմին ջրային լուծույթներորոշ նյութեր կոնցենտրացիայից

մոտ է գծային և հնարավորություն է տալիս որոշել այդ նյութերի կոնցենտրացիաները

ջուր կոնցենտրացիաների լայն շրջանակում (Նկար 4)՝ օգտագործելով բեկում

տոմետրեր։

Նկար 4 - Որոշ ջրային լուծույթների բեկման ինդեքսը

Սովորաբար n հեղուկ և պինդ նյութերռեֆրակտոմետրերը ճշգրտությամբ որոշում են

մինչև 0,0001: Ամենատարածվածը Abbe ռեֆրակտոմետրերն են (Նկար 5) պրիզմայի բլոկներով և ցրման փոխհատուցիչներով, որոնք հնարավորություն են տալիս սանդղակի կամ թվային ցուցիչի վրա որոշել nD-ն «սպիտակ» լույսի ներքո։

Նկար 5 - Abbe refractometer (IRF-454; IRF-22)