Samband mellan absolut och relativ brytningsindex. Vad beror ett ämnes brytningsindex på?
Det finns inget annat än förhållandet mellan sinus för infallsvinkeln och sinus för brytningsvinkeln
Brytningsindex beror på ämnets egenskaper och strålningens våglängd, för vissa ämnen ändras brytningsindex ganska kraftigt när frekvensen av elektromagnetiska vågor ändras från lågfrekvens till optisk och vidare, och kan även ändras ännu kraftigare i vissa områden på frekvensskalan. Standard är vanligtvis det optiska intervallet, eller intervallet som bestäms av sammanhanget.
Värdet på n, allt annat lika, är vanligtvis mindre än en när strålen övergår från ett tätare medium till ett mindre tätt, och mer än enhet när strålen går från ett mindre tätt medium till ett tätare medium (till exempel från en gas eller från vakuum till en vätska eller fast substans). Det finns undantag från denna regel, och därför är det vanligt att kalla ett medium optiskt mer eller mindre tätt än ett annat (inte att förväxla med optisk densitet som ett mått på opaciteten hos ett medium).
Tabellen visar några brytningsindexvärden för vissa media:
Ett medium med ett högre brytningsindex sägs vara optiskt tätare. Brytningsindex mäts vanligtvis olika miljöer i förhållande till luft. Luftens absoluta brytningsindex är . Således är det absoluta brytningsindexet för vilket medium som helst relaterat till dess brytningsindex i förhållande till luft med formeln:
Brytningsindex beror på ljusets våglängd, det vill säga på dess färg. Olika färger motsvarar olika brytningsindex. Detta fenomen, som kallas dispersion, spelar en viktig roll inom optik.
Optik är en av fysikens äldsta grenar. Sedan antikens Grekland har många filosofer varit intresserade av lagarna för rörelse och ljusets utbredning i olika genomskinliga material som vatten, glas, diamant och luft. I den här artikeln övervägs fenomenet ljusbrytning, uppmärksamheten fokuseras på luftens brytningsindex.
Ljusstrålebrytningseffekt
Alla i hans liv har mött hundratals gånger denna effekt när han tittade på botten av en reservoar eller på ett glas vatten med något föremål placerat i det. Samtidigt verkade reservoaren inte så djup som den faktiskt var, och föremål i ett glas vatten såg deformerade eller trasiga ut.
Fenomenet brytning består i ett brott i dess rätlinjiga bana när den korsar gränsytan mellan två transparenta material. Sammanfattande Ett stort antal av dessa experiment fick holländaren Willebrord Snell i början av 1600-talet ett matematiskt uttryck som korrekt beskrev detta fenomen. Detta uttryck är skrivet i följande form:
n 1 *sin(θ 1) = n 2 *sin(θ 2) = konst.
Här är n 1 , n 2 de absoluta brytningsindexen för ljus i motsvarande material, θ 1 och θ 2 är vinklarna mellan de infallande och brutna strålarna och den vinkelräta mot gränssnittsplanet, som dras genom skärningspunkten för strålen och det här planet.
Denna formel kallas Snells lag eller Snell-Descartes (det var fransmannen som skrev ner den i den presenterade formen, medan holländaren inte använde sinus, utan längdenheter).
Förutom denna formel beskrivs brytningsfenomenet av en annan lag, som är geometrisk till sin natur. Det ligger i det faktum att de markerade vinkelräta mot planet och två strålar (bryts och infallande) ligger i samma plan.
Absolut brytningsindex
Detta värde ingår i Snell-formeln och dess värde spelar en viktig roll. Matematiskt motsvarar brytningsindex n formeln:
Symbolen c är hastigheten för elektromagnetiska vågor i vakuum. Det är ungefär 3*10 8 m/s. Värdet v är ljusets hastighet i mediet. Sålunda reflekterar brytningsindex mängden av långsammare ljus i ett medium med avseende på luftlöst utrymme.
Två viktiga slutsatser följer av formeln ovan:
- värdet på n är alltid större än 1 (för vakuum är det lika med ett);
- det är en dimensionslös mängd.
Till exempel är luftens brytningsindex 1,00029, medan det för vatten är 1,33.
Brytningsindex är inte ett konstant värde för ett visst medium. Det beror på temperaturen. Dessutom, för varje frekvens av en elektromagnetisk våg har den sin egen betydelse. Så ovanstående siffror motsvarar en temperatur på 20 o C och den gula delen av det synliga spektrumet (våglängd - cirka 580-590 nm).
Beroendet av värdet på n på ljusets frekvens visar sig i expansionen vitt ljus ett prisma på ett antal färger, samt i bildandet av en regnbåge på himlen under kraftigt regn.
Brytningsindex för ljus i luft
Dess värde (1,00029) har redan angivits ovan. Eftersom luftens brytningsindex endast skiljer sig på fjärde decimalen från noll, kan det för att lösa praktiska problem anses vara lika med ett. En liten skillnad på n för luft från enhet indikerar att ljus praktiskt taget inte bromsas av luftmolekyler, vilket beror på dess relativt låga densitet. Således är luftens medeldensitet 1,225 kg/m 3 , det vill säga den är mer än 800 gånger lättare än sötvatten.
Luft är ett optiskt tunt medium. Själva processen att sakta ner ljusets hastighet i ett material är av kvantnatur och är förknippad med handlingar av absorption och emission av fotoner från materiens atomer.
Förändringar i luftens sammansättning (till exempel en ökning av innehållet av vattenånga i den) och förändringar i temperatur leder till betydande förändringar i brytningsindex. Ett utmärkt exempelär effekten av en hägring i öknen, som uppstår på grund av skillnaden i brytningsindex för luftlagren med olika temperaturer.
glas-luft-gränssnitt
Glas är ett mycket tätare medium än luft. Dess absoluta brytningsindex varierar från 1,5 till 1,66, beroende på typen av glas. Om vi tar medelvärdet på 1,55, kan strålens brytning vid luft-glasgränssnittet beräknas med formeln:
sin (θ 1) / sin (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1,55.
Värdet n 21 kallas relativ indikator refraktionsluft - glas. Om strålen lämnar glaset i luften, bör följande formel användas:
sin (θ 1) / sin (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1 / 1,55 \u003d 0,645.
Om vinkeln för den brutna strålen i det senare fallet är lika med 90 o kallas motsvarande kritisk. För glas-luft-gränsen är det lika med:
θ 1 \u003d arcsin (0,645) \u003d 40,17 o.
Om strålen faller på glas-luft-gränsen med större vinklar än 40,17 o , kommer den att reflekteras helt tillbaka in i glaset. Detta fenomen kallas "total intern reflektion".
Den kritiska vinkeln existerar endast när strålen rör sig från ett tätt medium (från glas till luft, men inte vice versa).
Ljus, till sin natur, fortplantar sig i olika medier med olika hastigheter. Ju tätare mediet är, desto lägre blir ljusets utbredningshastighet i det. En lämplig åtgärd har fastställts avseende både densiteten hos ett material och hastigheten för ljusets utbredning i det materialet. Detta mått kallas för brytningsindex. För vilket material som helst mäts brytningsindexet i förhållande till ljusets hastighet i ett vakuum (vakuum kallas ofta för fritt utrymme). Följande formel beskriver detta förhållande.
Ju högre brytningsindex för ett material, desto tätare är det. När en ljusstråle passerar från ett material till ett annat (med ett annat brytningsindex), kommer brytningsvinkeln att skilja sig från infallsvinkeln. En ljusstråle som penetrerar ett medium med ett lägre brytningsindex kommer att gå ut i en vinkel som är större än infallsvinkeln. En ljusstråle som penetrerar ett medium med högt brytningsindex kommer att gå ut i en vinkel som är mindre än infallsvinkeln. Detta visas i fig. 3.5.
Ris. 3.5.a. En stråle som går från ett medium med högt N 1 till ett medium med lågt N 2
Ris. 3.5.b. En stråle som går från ett medium med lågt N 1 till ett medium med högt N 2
I detta fall är θ 1 infallsvinkeln och θ 2 är brytningsvinkeln. Några typiska brytningsindex listas nedan.
Det är intressant att notera att för röntgenstrålar glasets brytningsindex är alltid mindre än för luft, så när de passerar från luft till glas avviker de bort från vinkelrät, och inte mot vinkelrät, som ljusstrålar.
Användningsområden för refraktometri.
Enheten och funktionsprincipen för IRF-22 refraktometer.
Begreppet brytningsindex.
Planen
Refraktometri. Metodens egenskaper och essens.
För att identifiera ämnen och kontrollera deras renhet, använd
refraktor.
Brytningsindex för ett ämne- ett värde lika med förhållandet mellan ljusets fashastigheter (elektromagnetiska vågor) i vakuum och det sedda mediet.
Brytningsindex beror på ämnets egenskaper och våglängden
elektromagnetisk strålning. Förhållandet mellan sinus för infallsvinkeln i förhållande till
normalen dragen till strålens brytningsplan (α) till sinus för brytningsvinkeln
brytning (β) under strålens övergång från medium A till medium B kallas det relativa brytningsindexet för detta mediapar.
Värdet n är det relativa brytningsindexet för mediet B enligt
i förhållande till miljö A, och
Det relativa brytningsindexet för mediet A med avseende på
Brytningsindex för en stråle som infaller på ett medium från en airless
utrymmet kallas dess absoluta brytningsindex eller
helt enkelt brytningsindex för ett givet medium (tabell 1).
Tabell 1 - Brytningsindex för olika medier
Vätskor har ett brytningsindex i intervallet 1,2-1,9. Fast
ämnen 1,3-4,0. Vissa mineraler har inte ett exakt värde på indikatorn
för brytning. Dess värde ligger i en viss "gaffel" och bestämmer
på grund av närvaron av föroreningar i kristallstrukturen, vilket bestämmer färgen
kristall.
Identifiering av mineralet med "färg" är svårt. Så mineralet korund finns i form av rubin, safir, leukosafir, som skiljer sig i
brytningsindex och färg. Röda korund kallas rubiner
(kromblandning), färglös blå, ljusblå, rosa, gul, grön,
violett - safirer (föroreningar av kobolt, titan, etc.). Ljusfärgad
nye safirer eller färglös korund kallas leukosafir (i stor utsträckning
används i optik som ett ljusfilter). Brytningsindex för dessa kristaller
stall ligger i intervallet 1,757-1,778 och är grunden för identifiering
Figur 3.1 - Ruby Figur 3.2 - Safirblå
Organiska och oorganiska vätskor har också karakteristiska värden brytningsindex, som karakteriserar dem som kemiska
nya föreningar och kvaliteten på deras syntes (tabell 2):
Tabell 2 - Brytningsindex för vissa vätskor vid 20 °C
4.2. Refraktometri: koncept, princip.
Metod för studie av ämnen baserad på bestämning av indikatorn
(brytningskoefficient) (brytning) kallas refraktometri (från
lat. refractus - bruten och grekisk. metero - jag mäter). Refraktometri
(refraktometrisk metod) används för att identifiera kemikalie
föreningar, kvantitativ och strukturell analys, bestämning av fysikalisk-
kemiska parametrar för ämnen. Refraktometriprincipen implementerad
i Abbe refraktometrar, illustrerad av figur 1.
Figur 1 - Principen för refraktometri
Abbe prismablocket består av två rektangulära prismor: lysande
kropp och mätning, vikta av hypotenusansikten. Illuminator-
Prisma har en grov (matt) hypotenusyta och är avsedd
chena för att belysa ett vätskeprov placerat mellan prismorna.
Spritt ljus passerar genom ett planparallellt skikt av den undersökta vätskan och, när det bryts i vätskan, faller det på mätprismat. Mätprismat är tillverkat av optiskt tätt glas (tung flinta) och har ett brytningsindex större än 1,7. Av denna anledning mäter Abbe refraktometer n värden mindre än 1,7. En ökning av brytningsindexets mätområde kan endast uppnås genom att ändra mätprismat.
Testprovet hälls på hypotenusytan på mätprismat och pressas mot det lysande prismat. I detta fall kvarstår ett gap på 0,1-0,2 mm mellan prismorna där provet är beläget, och genom
som passerar genom brytande ljus. För att mäta brytningsindex
använda fenomenet komplett inre reflektion. Den består i
Nästa.
Om strålarna 1, 2, 3 faller på gränssnittet mellan två media, då beroende på
infallsvinkeln när man observerar dem i ett brytningsmedium blir
närvaron av en övergång av områden med olika belysning observeras. Det är uppkopplat
med infallande av någon del av ljuset på brytningsgränsen i en vinkel av ca.
kim till 90° med avseende på normalen (stråle 3). (Figur 2).
Figur 2 - Bild av brutna strålar
Denna del av strålarna reflekteras inte och bildar därför ett lättare föremål.
refraktion. Strålar med mindre vinklar upplever och reflekterar
och brytning. Därför bildas ett område med mindre belysning. I volym
gränslinjen för total inre reflektion är synlig på linsen, positionen
vilket beror på provets brytningsegenskaper.
Elimineringen av dispersionsfenomenet (färgning av gränssnittet mellan två belysningsområden i regnbågens färger på grund av användningen av komplext vitt ljus i Abbe refraktometrar) uppnås genom att använda två Amici-prismor i kompensatorn, som är monterade i teleskop. Samtidigt projiceras en skala in i linsen (Figur 3). 0,05 ml vätska räcker för analys.
Figur 3 - Se genom okularet på refraktometern. (Rätt skala återspeglar
koncentrationen av den uppmätta komponenten i ppm)
Utöver analysen av enkomponentprover finns det mycket analyserade
tvåkomponentsystem (vattenlösningar, lösningar av ämnen i vilka
eller lösningsmedel). I idealiska tvåkomponentsystem (bildande-
utan att ändra komponenternas volym och polariserbarhet), visas beroendet
brytningsindex på kompositionen är nära linjär om kompositionen uttrycks i termer av
volymfraktioner (procent)
där: n, n1, n2 - brytningsindex för blandningen och komponenterna,
V1 och V2 är volymfraktionerna av komponenterna (V1 + V2 = 1).
Temperaturens inverkan på brytningsindexet bestäms av två
faktorer: en förändring av antalet vätskepartiklar per volymenhet och
beroende av molekylers polariserbarhet på temperatur. Den andra faktorn blev
blir signifikant endast vid mycket stora temperaturförändringar.
Temperatur koefficient brytningsindexet är proportionellt mot. Eftersom alla vätskor expanderar när de värms upp, minskar deras brytningsindex när temperaturen stiger. Temperaturkoefficienten beror på vätskans temperatur, men i små temperaturintervall kan den anses vara konstant. Av denna anledning mest av refraktometrar har ingen temperaturkontroll, men vissa konstruktioner tillhandahåller
vattentemperaturkontroll.
Linjär extrapolering av brytningsindex med temperaturförändringar är acceptabel för små temperaturskillnader (10 - 20°C).
Exakt definition brytningsindexet i vida temperaturintervall produceras enligt empiriska formler av formen:
nt=n0+at+bt2+…
För lösningsrefraktometri över breda koncentrationsintervall
använda tabeller eller empiriska formler. Displayberoende-
brytningskropp vattenlösningar vissa ämnen från koncentration
är nära linjär och gör det möjligt att bestämma koncentrationerna av dessa ämnen i
vatten i ett brett spektrum av koncentrationer (Figur 4) med användning av refraktion
tometer.
Figur 4 - Brytningsindex för vissa vattenlösningar
Vanligtvis n flytande och fasta ämnen refraktometrar bestämmer med precision
upp till 0,0001. De vanligaste är Abbe refraktometrar (Figur 5) med prismablock och dispersionskompensatorer, som gör det möjligt att bestämma nD i "vitt" ljus på en skala eller digital indikator.
Figur 5 - Abbe refraktometer (IRF-454; IRF-22)