Mutlak ve bağıl kırılma indisi arasındaki ilişki. Bir maddenin kırılma indisi neye bağlıdır?
Gelme açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranından başka bir şey yoktur.
Kırılma indisi, maddenin özelliklerine ve radyasyonun dalga boyuna bağlıdır, bazı maddeler için kırılma indisi, elektromanyetik dalgaların frekansı düşük frekanslardan optik ve ötesine değiştiğinde oldukça güçlü bir şekilde değişir ve ayrıca belirli durumlarda daha da keskin bir şekilde değişebilir. frekans ölçeğinin alanları. Varsayılan, genellikle optik aralık veya bağlam tarafından belirlenen aralıktır.
n'nin değeri, diğer şeyler eşit olduğunda, genellikle birden azışın daha yoğun bir ortamdan daha az yoğun bir ortama geçtiğinde ve ışın daha az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama geçtiğinde (örneğin, bir gazdan veya vakumdan sıvı veya katıya) birden fazla olduğunda. Bu kuralın istisnaları vardır ve bu nedenle bir ortamı optik olarak diğerinden daha fazla veya daha az yoğun olarak adlandırmak gelenekseldir (bir ortamın opaklığının ölçüsü olarak optik yoğunluk ile karıştırılmamalıdır).
Tablo, bazı ortamlar için bazı kırılma indeksi değerlerini göstermektedir:
Kırılma indisi daha yüksek olan bir ortama optik olarak daha yoğun denir. Kırılma indisi genellikle ölçülür çeşitli ortamlar havaya göre. Havanın mutlak kırılma indisi . Bu nedenle, herhangi bir ortamın mutlak kırılma indisi, aşağıdaki formülle havaya göre kırılma indisi ile ilgilidir:
Kırılma indisi ışığın dalga boyuna, yani rengine bağlıdır. Farklı renkler, farklı kırılma indekslerine karşılık gelir. Dağılma adı verilen bu fenomen optikte önemli bir rol oynar.
Optik, fiziğin en eski dallarından biridir. Antik Yunan'dan beri birçok filozof, su, cam, elmas ve hava gibi çeşitli saydam maddelerde ışığın hareket ve yayılım yasalarıyla ilgilendi. Bu makalede, ışığın kırılma olgusu ele alınır, dikkat havanın kırılma indisine odaklanır.
Işık demeti kırılma etkisi
Bir rezervuarın dibine veya içine bir nesne konmuş bir bardak suya baktığında, hayatındaki herkes bu etkiyle yüzlerce kez karşılaşmıştır. Aynı zamanda, rezervuar gerçekte olduğu kadar derin görünmüyordu ve bir bardak sudaki nesneler deforme olmuş veya kırılmış görünüyordu.
Kırılma olgusu, iki şeffaf malzeme arasındaki ara yüzeyden geçtiğinde doğrusal yörüngesinde bir kırılmadan oluşur. Özetleme çok sayıda Bu deneylerden 17. yüzyılın başında Hollandalı Willebrord Snell, bu fenomeni doğru bir şekilde tanımlayan matematiksel bir ifade elde etti. Bu ifade aşağıdaki biçimde yazılır:
n 1 *günah(θ 1) = n 2 *günah(θ 2) = sabit.
Burada n 1 , n 2 karşılık gelen malzemedeki ışığın mutlak kırılma indisleridir, θ 1 ve θ 2, gelen ve kırılan ışınlar arasındaki açılardır ve ışının kesişme noktasından çizilen arayüz düzlemine diktir. ve bu uçak.
Bu formüle Snell veya Snell-Descartes yasası denir (bunu sunulan biçimde yazan Fransızdı, Hollandalı sinüsleri değil, uzunluk birimlerini kullandı).
Bu formüle ek olarak, kırılma fenomeni, doğası gereği geometrik olan başka bir yasa ile tanımlanır. Bu, düzleme dik olarak işaretlenen ve iki ışının (kırılan ve gelen) aynı düzlemde yer alması gerçeğinde yatmaktadır.
Mutlak kırılma indisi
Bu değer Snell formülünde yer alır ve değeri önemli bir rol oynar. Matematiksel olarak, kırılma indisi n şu formüle karşılık gelir:
Sembol c, elektromanyetik dalgaların boşluktaki hızıdır. Yaklaşık 3*10 8 m/s'dir. v değeri ışığın ortamdaki hızıdır. Böylece, kırılma indisi, bir ortamdaki ışığın havasız alana göre yavaşlama miktarını yansıtır.
Yukarıdaki formülden iki önemli sonuç çıkar:
- n'nin değeri her zaman 1'den büyüktür (vakum için bire eşittir);
- boyutsuz bir niceliktir.
Örneğin, havanın kırılma indisi 1.00029 iken su için 1.33'tür.
Kırılma indisi, belirli bir ortam için sabit bir değer değildir. Sıcaklığa bağlıdır. Ayrıca, bir elektromanyetik dalganın her frekansı için kendi anlamı vardır. Bu nedenle, yukarıdaki rakamlar 20 o C sıcaklığa ve görünür spektrumun sarı kısmına (dalga boyu - yaklaşık 580-590 nm) karşılık gelir.
n değerinin ışığın frekansına bağımlılığı, genişlemede kendini gösterir. Beyaz ışık bir dizi renk üzerinde bir prizmanın yanı sıra şiddetli yağmur sırasında gökyüzünde bir gökkuşağı oluşumunda.
Havadaki ışığın kırılma indeksi
Değeri (1.00029) yukarıda zaten verilmiş. Havanın kırılma indisi sıfırdan yalnızca dördüncü ondalık basamakta farklı olduğundan, pratik problemleri çözmek için bire eşit olarak kabul edilebilir. Hava için birlikten küçük bir n farkı, ışığın nispeten düşük yoğunluğu ile ilişkili olan hava molekülleri tarafından pratik olarak yavaşlatılmadığını gösterir. Böylece havanın ortalama yoğunluğu 1.225 kg/m3'tür, yani tatlı sudan 800 kat daha hafiftir.
Hava, optik olarak ince bir ortamdır. Bir malzemede ışığın hızını yavaşlatma sürecinin kendisi kuantum niteliktedir ve maddenin atomları tarafından fotonların emilmesi ve yayılması eylemleriyle ilişkilidir.
Havanın bileşimindeki değişiklikler (örneğin, içindeki su buharı içeriğindeki bir artış) ve sıcaklıktaki değişiklikler, kırılma indisinde önemli değişikliklere yol açar. En iyi örnek hava katmanlarının kırılma indislerinin farklı olması nedeniyle çölde meydana gelen bir serap etkisidir. farklı sıcaklıklar.
cam hava arayüzü
Cam havadan çok daha yoğun bir ortamdır. Mutlak kırılma indisi, camın tipine bağlı olarak 1,5 ile 1,66 arasında değişmektedir. 1.55 ortalama değerini alırsak, ışının hava-cam ara yüzeyindeki kırılması aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:
günah (θ 1) / günah (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1.55.
n 21 değerine denir göreceli gösterge kırılma havası - cam. Işın camdan havaya çıkarsa, aşağıdaki formül kullanılmalıdır:
günah (θ 1) / günah (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1 / 1.55 \u003d 0.645.
İkinci durumda kırılan ışının açısı 90 o 'ye eşitse, o zaman karşılık gelene kritik denir. Cam-hava sınırı için şuna eşittir:
θ 1 \u003d arksin (0.645) \u003d 40.17 o.
Işın cam-hava sınırına 40.17 o 'den daha büyük açılarla düşerse, tamamen cama geri yansır. Bu fenomene "toplam iç yansıma" denir.
Kritik açı, yalnızca ışın yoğun bir ortamdan (camdan havaya, ancak tersi değil) hareket ettiğinde mevcuttur.
Işık, doğası gereği farklı ortamlarda farklı hızlarda yayılır. Ortam ne kadar yoğunsa, içindeki ışığın yayılma hızı o kadar düşük olur. Hem bir malzemenin yoğunluğuna hem de ışığın o malzemede yayılma hızına ilişkin uygun bir ölçü oluşturulmuştur. Bu ölçüye kırılma indisi denir. Herhangi bir malzeme için kırılma indisi, bir vakumdaki ışığın hızına göre ölçülür (vakum genellikle boş alan olarak adlandırılır). Aşağıdaki formül bu ilişkiyi açıklar.
Bir malzemenin kırılma indisi ne kadar yüksekse, o kadar yoğundur. Bir ışık demeti bir malzemeden diğerine (farklı bir kırılma indisine sahip) geçtiğinde, kırılma açısı gelme açısından farklı olacaktır. Daha düşük kırılma indisine sahip bir ortama giren bir ışık demeti, gelme açısından daha büyük bir açıyla çıkacaktır. Yüksek kırılma indisine sahip bir ortama giren bir ışık demeti, gelme açısından daha küçük bir açıyla çıkacaktır. Bu, şekilde gösterilmiştir. 3.5.
Pirinç. 3.5.a. Yüksek N 1'li bir ortamdan düşük N 2'li bir ortama geçen bir ışın
Pirinç. 3.5.b. Düşük N 1'li bir ortamdan yüksek N 2'li bir ortama geçen bir ışın
Bu durumda θ 1 gelme açısı ve θ 2 kırılma açısıdır. Bazı tipik kırılma indeksleri aşağıda listelenmiştir.
için şunu belirtmek ilginçtir: röntgen camın kırılma indisi her zaman havadan daha düşüktür, bu nedenle havadan cama geçerken, ışık ışınları gibi dikeyden değil dikeyden saparlar.
Refraktometrinin uygulama alanları.
IRF-22 refraktometrenin cihazı ve çalışma prensibi.
Kırılma indisi kavramı.
Plan
Refraktometri. Yöntemin özellikleri ve özü.
Maddeleri tanımlamak ve saflıklarını kontrol etmek için
refrakter.
Bir maddenin kırılma indisi- ışığın (elektromanyetik dalgalar) boşluktaki ve görülen ortamdaki faz hızlarının oranına eşit bir değer.
Kırılma indisi, maddenin özelliklerine ve dalga boyuna bağlıdır.
Elektromanyetik radyasyon. Gelme açısının sinüsünün göreli oranı
ışının kırılma düzlemine (α) çizilen normal, kırılma açısının sinüsüne
Işının A ortamından B ortamına geçişi sırasındaki kırılmaya (β), bu ortam çifti için bağıl kırılma indisi denir.
n değeri, B ortamının göreli kırılma indisidir.
A ortamı ile ilgili olarak ve
A ortamının göreli kırılma indisi
Havasız bir ortamdan bir ortama gelen bir ışının kırılma indisi
uzaya mutlak kırılma indisi denir veya
sadece belirli bir ortamın kırılma indisi (Tablo 1).
Tablo 1 - Çeşitli ortamların kırılma indeksleri
Sıvıların kırılma indeksi 1.2-1.9 aralığındadır. Sağlam
maddeler 1.3-4.0. Bazı mineraller, göstergenin kesin bir değerine sahip değildir.
kırılma için. Değeri belirli bir "çatal" içindedir ve
rengi belirleyen kristal yapıdaki safsızlıkların varlığı nedeniyle
kristal.
Mineralin "renk" ile tanımlanması zordur. Bu nedenle, mineral korundum, farklı şekillerde yakut, safir, lökosafir şeklinde bulunur.
kırılma indisi ve renk. Kırmızı korindonlara yakut denir
(krom katkısı), renksiz mavi, açık mavi, pembe, sarı, yeşil,
menekşe - safirler (kobalt, titanyum vb. safsızlıkları). Açık renkli
nye safir veya renksiz korundum, lökosafir olarak adlandırılır (yaygın olarak
optikte ışık filtresi olarak kullanılır). Bu kristallerin kırılma indisi
duraklama 1.757-1.778 aralığındadır ve tanımlamanın temelidir
Şekil 3.1 - Yakut Şekil 3.2 - Safir mavisi
Organik ve inorganik sıvılar da karakteristik değerler onları kimyasal olarak karakterize eden kırılma indeksleri
nye bileşikleri ve sentezlerinin kalitesi (tablo 2):
Tablo 2 - 20 °C'de bazı sıvıların kırılma indisleri
4.2. Refraktometri: kavram, ilke.
Göstergenin belirlenmesine dayalı maddelerin incelenmesi için yöntem
(kırılma katsayısı) kırılma (kırılma) denir refraktometri (dan
en. kırılma - kırılmış ve Yunanca. metreo - ölçüyorum). refraktometri
(refraktometrik yöntem) kimyasalları tanımlamak için kullanılır.
bileşikler, nicel ve yapısal analiz, fiziko-
maddelerin kimyasal parametreleri. Uygulanan refraktometri prensibi
Şekil 1'de gösterilen Abbe refraktometrelerinde.
Şekil 1 - Refraktometri prensibi
Abbe prizma bloğu iki dikdörtgen prizmadan oluşur: aydınlatıcı
vücut ve ölçüm, hipotenüs yüzleriyle katlanmış. Aydınlatıcı-
prizmanın kaba (mat) bir hipotenüs yüzü vardır ve
prizmalar arasına yerleştirilmiş sıvı bir numuneyi aydınlatmak için chena.
Saçılan ışık, incelenen sıvının düzlem paralel tabakasından geçer ve sıvı içinde kırılarak ölçüm prizmasının üzerine düşer. Ölçüm prizması, optik olarak yoğun camdan (ağır çakmaktaşı) yapılmıştır ve 1,7'den büyük bir kırılma indisine sahiptir. Bu nedenle Abbe refraktometre, 1,7'den küçük n değerleri ölçer. Kırılma indisinin ölçüm aralığında bir artış ancak ölçüm prizmasını değiştirerek sağlanabilir.
Test numunesi, ölçüm prizmasının hipotenüs yüzüne dökülür ve aydınlatıcı prizmaya karşı bastırılır. Bu durumda, numunenin bulunduğu prizmalar arasında 0,1-0,2 mm'lik bir boşluk kalır ve içinden
ışığı kırarak geçer. Kırılma indisini ölçmek için
tam fenomenini kullan iç yansıma. Şunlardan oluşur:
sonraki.
1, 2, 3 ışınları iki ortam arasındaki arayüze düşerse, o zaman
kırılma ortamında onları gözlemlerken gelme açısı olacaktır
farklı aydınlatma alanlarının geçişinin varlığı gözlenir. bağlı
ışığın bir kısmının kırılma sınırında yaklaşık bir açıyla insidansı ile.
Kim'i normale göre 90°'ye ayarlayın (ışın 3). (Şekil 2).
Şekil 2 - Kırılan ışınların görüntüsü
Işınların bu kısmı yansımaz ve bu nedenle daha hafif bir nesne oluşturur.
refraksiyon. Daha küçük açılara sahip ışınlar deneyimler ve yansıtır
ve kırılma. Bu nedenle daha az aydınlatmalı bir alan oluşur. hacim olarak
toplam iç yansımanın sınır çizgisi lenste görülebilir, konum
bu, numunenin kırılma özelliklerine bağlıdır.
Dağılma olgusunun ortadan kaldırılması (Abbe refraktometrelerinde karmaşık beyaz ışığın kullanılması nedeniyle gökkuşağının renklerinde iki aydınlatma alanı arasındaki arayüzün renklendirilmesi), kompansatörde bulunan iki Amici prizması kullanılarak sağlanır. teleskop. Aynı zamanda merceğe bir ölçek yansıtılır (Şekil 3). 0,05 ml sıvı analiz için yeterlidir.
Şekil 3 - Refraktometrenin göz merceğinden görünüm. (Doğru ölçek yansıtır
ppm cinsinden ölçülen bileşenin konsantrasyonu)
Tek bileşenli numunelerin analizine ek olarak, yaygın olarak analiz edilen
iki bileşenli sistemler (sulu çözeltiler, içinde bulunduğu maddelerin çözeltileri)
veya çözücü). İdeal iki bileşenli sistemlerde (şekillendirme-
bileşenlerin hacmini ve polarize edilebilirliğini değiştirmeden), bağımlılık gösterilir
Bileşim cinsinden ifade edilirse, bileşim üzerindeki kırılma indisi doğrusala yakındır.
hacim kesirleri (yüzde)
burada: n, n1, n2 - karışımın ve bileşenlerin kırılma indeksleri,
V1 ve V2, bileşenlerin hacim kesirleridir (V1 + V2 = 1).
Sıcaklığın kırılma indisi üzerindeki etkisi iki faktör tarafından belirlenir.
faktörler: birim hacim başına sıvı partikül sayısındaki değişiklik ve
Moleküllerin polarize edilebilirliğinin sıcaklığa bağımlılığı. İkinci faktör oldu
sadece çok büyük sıcaklık değişimlerinde önemli hale gelir.
Sıcaklık katsayısı kırılma indisi, sıcaklık yoğunluk katsayısı ile orantılıdır. Tüm sıvılar ısıtıldığında genleştiğinden, sıcaklık arttıkça kırılma indisleri azalır. Sıcaklık katsayısı sıvının sıcaklığına bağlıdır, ancak küçük sıcaklık aralıklarında sabit kabul edilebilir. Bu yüzden çoğu Refraktometrelerin sıcaklık kontrolü yoktur, ancak bazı tasarımlar şunları sağlar:
su sıcaklığı kontrolü.
Sıcaklık değişiklikleriyle kırılma indisinin doğrusal ekstrapolasyonu, küçük sıcaklık farkları (10 - 20°C) için kabul edilebilir.
Kesin tanım geniş sıcaklık aralıklarında kırılma indisi, formun ampirik formüllerine göre üretilir:
nt=n0+at+bt2+…
Geniş konsantrasyon aralıklarında çözelti refraktometrisi için
tablolar veya ampirik formüller kullanın. Ekran bağımlılığı-
kırıcı cisim sulu çözeltiler konsantrasyondan bazı maddeler
doğrusala yakındır ve bu maddelerin konsantrasyonlarını belirlemeyi mümkün kılar.
kırılma kullanarak çok çeşitli konsantrasyonlarda su (Şekil 4)
tometreler.
Şekil 4 - Bazı sulu çözeltilerin kırılma indeksi
Genellikle n sıvı ve katılar refraktometreler hassas bir şekilde belirler
0.0001'e kadar. En yaygın olanı, bir ölçekte veya dijital göstergede "beyaz" ışıkta nD'yi belirlemeyi mümkün kılan prizma blokları ve dağılım kompansatörleri olan Abbe refraktometreleridir (Şekil 5).
Şekil 5 - Abbe refraktometresi (IRF-454; IRF-22)