Tiket 75.

Hukum Pemantulan Cahaya: sinar datang dan sinar pantul, serta garis tegak lurus antarmuka kedua media, direkonstruksi pada titik datang sinar, terletak pada bidang yang sama (bidang datang). Sudut pantul γ sama dengan sudut datang α.

Hukum pembiasan cahaya: sinar datang dan sinar bias, serta garis tegak lurus antarmuka antara dua media, yang direkonstruksi pada titik datang sinar, terletak pada bidang yang sama. Perbandingan sinus sudut datang α dengan sinus sudut bias β adalah nilai konstan untuk dua media tertentu:

Hukum pemantulan dan pembiasan dijelaskan dalam fisika gelombang. Menurut konsep gelombang, pembiasan merupakan akibat dari perubahan cepat rambat gelombang ketika berpindah dari satu medium ke medium lainnya. Arti fisis dari indeks bias adalah perbandingan cepat rambat gelombang pada medium pertama υ 1 dengan cepat rambat gelombang pada medium kedua υ 2:

Gambar 3.1.1 mengilustrasikan hukum pemantulan dan pembiasan cahaya.

Media dengan indeks bias absolut lebih rendah disebut kurang rapat secara optik.

Ketika cahaya merambat dari medium yang optiknya lebih rapat ke medium yang optiknya kurang rapat n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать fenomena refleksi total, yaitu hilangnya sinar bias. Fenomena ini diamati pada sudut datang yang melebihi sudut kritis tertentu α pr, yang disebut membatasi sudut refleksi internal total(lihat Gambar 3.1.2).

Untuk sudut datang α = α pr sin β = 1; nilai sin α pr = n 2 / n 1< 1.

Jika media kedua adalah udara (n 2 ≈ 1), maka rumusnya dapat ditulis ulang dalam bentuk

Fenomena refleksi internal total digunakan di banyak perangkat optik. Aplikasi yang paling menarik dan praktis penting adalah pembuatan serat optik, yang merupakan benang tipis (dari beberapa mikrometer hingga milimeter) melengkung sewenang-wenang yang terbuat dari bahan transparan optik (kaca, kuarsa). Cahaya yang datang pada ujung pemandu cahaya dapat merambat dalam jarak yang jauh karena pantulan internal total dari permukaan samping (Gambar 3.1.3). Arahan ilmiah dan teknis yang terlibat dalam pengembangan dan penerapan panduan cahaya optik disebut serat optik.

Dispersi cahaya (penguraian cahaya)- ini adalah fenomena yang disebabkan oleh ketergantungan indeks bias absolut suatu zat pada frekuensi (atau panjang gelombang) cahaya (dispersi frekuensi), atau, hal yang sama, ketergantungan kecepatan fase cahaya dalam suatu zat pada panjang gelombang (atau frekuensi). Ini ditemukan secara eksperimental oleh Newton sekitar tahun 1672, meskipun secara teoritis dijelaskan dengan cukup baik jauh kemudian.

Penyebaran spasial disebut ketergantungan tensor konstanta dielektrik medium pada vektor gelombang. Ketergantungan ini menimbulkan sejumlah fenomena yang disebut efek polarisasi spasial.

Salah satu contoh dispersi yang paling jelas - penguraian cahaya putih ketika melewati prisma (percobaan Newton). Inti dari fenomena dispersi adalah perbedaan kecepatan rambat sinar cahaya dengan panjang gelombang berbeda dalam zat transparan - media optik (sementara dalam ruang hampa kecepatan cahaya selalu sama, terlepas dari panjang gelombang dan warnanya). Biasanya, semakin tinggi frekuensi gelombang cahaya, semakin tinggi indeks bias mediumnya dan semakin rendah kecepatan gelombang dalam medium tersebut:

Eksperimen Newton Eksperimen penguraian cahaya putih menjadi spektrum: Newton mengarahkan seberkas sinar matahari melalui lubang kecil ke prisma kaca. Ketika mengenai prisma, sinar tersebut dibiaskan dan pada dinding seberangnya memberikan bayangan memanjang dengan pergantian warna pelangi - sebuah spektrum. Percobaan cahaya monokromatik melewati prisma: Newton menempatkan kaca merah pada jalur sinar matahari, di belakangnya ia menerima cahaya monokromatik (merah), kemudian sebuah prisma dan mengamati di layar hanya titik merah dari sinar cahaya tersebut. Pengalaman dalam sintesis (produksi) cahaya putih: Pertama, Newton mengarahkan sinar matahari ke sebuah prisma. Kemudian, setelah mengumpulkan sinar berwarna yang muncul dari prisma menggunakan lensa pengumpul, Newton menerima gambar putih berupa lubang di dinding putih, bukan garis berwarna. Kesimpulan Newton:- prisma tidak mengubah cahaya, tetapi hanya menguraikannya menjadi komponen-komponennya - sinar cahaya yang berbeda warnanya berbeda dalam derajat pembiasannya; Sinar ungu dibiaskan paling kuat, sinar merah kurang kuat - lampu merah, yang lebih sedikit dibiaskan, memiliki kecepatan tertinggi, dan sinar ungu memiliki kecepatan paling kecil, itulah sebabnya prisma menguraikan cahaya. Ketergantungan indeks bias cahaya pada warnanya disebut dispersi.

Kesimpulan:- prisma menguraikan cahaya - cahaya putih bersifat kompleks (komposit) - sinar ungu dibiaskan lebih kuat daripada sinar merah. Warna berkas cahaya ditentukan oleh frekuensi getarannya. Saat berpindah dari satu medium ke medium lainnya, kecepatan cahaya dan panjang gelombang berubah, namun frekuensi yang menentukan warna tetap konstan. Batas rentang cahaya putih dan komponennya biasanya dicirikan oleh panjang gelombangnya dalam ruang hampa. Cahaya putih merupakan kumpulan gelombang dengan panjang 380 hingga 760 nm.

Tiket 77.

Penyerapan cahaya. hukum Bouguer

Penyerapan cahaya dalam suatu zat dikaitkan dengan konversi energi medan elektromagnetik gelombang menjadi energi panas zat tersebut (atau menjadi energi radiasi fotoluminesen sekunder). Hukum penyerapan cahaya (hukum Bouguer) berbentuk:

saya = saya 0 pengalaman(- X),(1)

Di mana SAYA 0 , SAYA-intensitas cahaya pada masukan (x=0) dan menyisakan lapisan dengan ketebalan sedang X, - koefisien penyerapan, itu tergantung pada .

Untuk dielektrik  =10 -1  10 -5 M -1 , untuk logam =10 5  10 7 M -1 , Oleh karena itu, logam bersifat buram terhadap cahaya.

Ketergantungan  ( ) menjelaskan warna benda penyerap. Misalnya, kaca yang kurang menyerap cahaya merah akan tampak merah jika disinari dengan cahaya putih.

Hamburan cahaya. hukum Rayleigh

Difraksi cahaya dapat terjadi pada medium optik yang tidak homogen, misalnya pada lingkungan yang keruh (asap, kabut, udara berdebu, dan lain-lain). Dengan melakukan difraksi terhadap ketidakhomogenan medium, gelombang cahaya menciptakan pola difraksi yang ditandai dengan distribusi intensitas yang cukup seragam ke segala arah.

Difraksi oleh ketidakhomogenan kecil ini disebut hamburan cahaya.

Fenomena ini terjadi ketika seberkas sinar matahari melewati udara berdebu, berhamburan menjadi partikel debu dan menjadi terlihat.

Jika ukuran ketidakhomogenan kecil dibandingkan dengan panjang gelombang (tidak lebih dari 0,1  ), maka intensitas cahaya yang dihamburkan ternyata berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang, yaitu

SAYA dis ~ 1/  4 , (2)

ketergantungan ini disebut hukum Rayleigh.

Hamburan cahaya juga diamati pada media bersih yang tidak mengandung partikel asing. Misalnya, dapat terjadi pada fluktuasi (penyimpangan acak) kepadatan, anisotropi, atau konsentrasi. Jenis hamburan ini disebut hamburan molekuler. Ini menjelaskan, misalnya, warna biru pada langit. Memang menurut (2), sinar biru dan biru dihamburkan lebih kuat daripada sinar merah dan kuning, karena memiliki panjang gelombang yang lebih pendek sehingga menimbulkan warna biru pada langit.

Tiket 78.

Polarisasi cahaya- seperangkat fenomena optik gelombang di mana sifat transversal gelombang cahaya elektromagnetik dimanifestasikan. Gelombang transversal- partikel medium berosilasi dengan arah tegak lurus terhadap arah rambat gelombang ( Gambar.1).

Gambar.1 Gelombang transversal

Gelombang cahaya elektromagnetik bidang terpolarisasi(polarisasi linier), jika arah osilasi vektor E dan B tetap dan terletak pada bidang tertentu ( Gambar.1). Gelombang cahaya yang terpolarisasi bidang disebut bidang terpolarisasi cahaya (terpolarisasi linier). Tidak terpolarisasi gelombang (alami) - gelombang cahaya elektromagnetik yang arah osilasi vektor E dan B pada gelombang ini dapat terletak pada bidang apa pun yang tegak lurus terhadap vektor kecepatan v. Cahaya tidak terpolarisasi- gelombang cahaya yang arah osilasi vektor E dan B berubah secara kacau sehingga semua arah osilasi pada bidang yang tegak lurus sinar rambat gelombang mempunyai kemungkinan yang sama ( Gambar.2).

Gambar.2 Cahaya tidak terpolarisasi

Gelombang terpolarisasi- dimana arah vektor E dan B tetap tidak berubah dalam ruang atau berubah menurut hukum tertentu. Radiasi yang arah vektor E berubah secara kacau - tidak terpolarisasi. Contoh radiasi tersebut adalah radiasi termal (atom dan elektron yang terdistribusi secara kacau). Bidang polarisasi- ini adalah bidang yang tegak lurus terhadap arah osilasi vektor E. Mekanisme utama terjadinya radiasi terpolarisasi adalah hamburan radiasi oleh elektron, atom, molekul, dan partikel debu.

1.2. Jenis polarisasi Ada tiga jenis polarisasi. Mari kita beri mereka definisi. 1. Linier Terjadi jika vektor listrik E mempertahankan posisinya dalam ruang. Tampaknya menyoroti bidang di mana vektor E berosilasi. 2. Melingkar Ini adalah polarisasi yang terjadi ketika vektor listrik E berputar mengelilingi arah rambat gelombang dengan kecepatan sudut sama dengan frekuensi sudut gelombang, dengan tetap mempertahankan nilai absolutnya. Polarisasi ini mencirikan arah putaran vektor E pada bidang yang tegak lurus garis pandang. Contohnya adalah radiasi siklotron (sistem elektron yang berputar dalam medan magnet). 3. Elips Terjadi bila besar vektor listrik E berubah sehingga menggambarkan elips (rotasi vektor E). Polarisasi elips dan melingkar dapat dilakukan dengan tangan kanan (vektor E berputar searah jarum jam ketika melihat ke arah gelombang yang merambat) dan kidal (vektor E berputar berlawanan arah jarum jam ketika melihat ke arah gelombang yang merambat).

Kenyataannya, hal ini paling sering terjadi polarisasi parsial (gelombang elektromagnetik terpolarisasi sebagian). Secara kuantitatif dicirikan oleh besaran tertentu yang disebut derajat polarisasi R, yang didefinisikan sebagai: P = (Imaks - Imin) / (Imaks + Imin) Di mana maksimal,sebentar lagi- kerapatan fluks energi elektromagnetik tertinggi dan terendah melalui penganalisis (Polaroid, prisma Nicolas...). Dalam praktiknya, polarisasi radiasi sering digambarkan dengan parameter Stokes (parameter ini menentukan fluks radiasi dengan arah polarisasi tertentu).

Tiket 79.

Jika cahaya alami mengenai antarmuka antara dua dielektrik (misalnya udara dan kaca), maka sebagiannya dipantulkan, dan sebagian lagi dibiaskan dan merambat pada medium kedua. Dengan memasang alat analisa (misalnya turmalin) pada jalur sinar pantulan dan sinar bias, kami memastikan bahwa sinar pantulan dan sinar bias terpolarisasi sebagian: ketika alat analisa diputar mengelilingi sinar, intensitas cahaya meningkat dan melemah secara berkala ( pendinginan lengkap tidak diamati!). Penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa pada sinar pantul, getaran yang tegak lurus terhadap bidang datang (ditunjukkan dengan titik-titik pada Gambar 275), sedangkan pada sinar bias, getaran yang sejajar dengan bidang datang (ditunjukkan dengan panah) mendominasi.

Derajat polarisasi (derajat pemisahan gelombang cahaya dengan orientasi vektor listrik (dan magnet) tertentu) bergantung pada sudut datang sinar dan indeks bias. Fisikawan Skotlandia D.Brewster(1781-1868) terpasang hukum, yang menurutnya pada sudut datang Saya B (Sudut Brewster), ditentukan oleh relasi

(N 21 - indeks bias media kedua relatif terhadap media pertama), sinar pantulnya terpolarisasi bidang(hanya berisi getaran yang tegak lurus bidang datang) (Gbr. 276). Sinar bias pada sudut datangnyaSaya B terpolarisasi secara maksimal, tetapi tidak sepenuhnya.

Jika cahaya mengenai antarmuka pada sudut Brewster, maka sinar tersebut akan dipantulkan dan dibiaskan saling tegak lurus(tg Saya B = dosa Saya B/karena Saya B, N 21 = dosa Saya B / dosa Saya 2 (Saya 2 - sudut bias), dari mana cos Saya B= dosa Saya 2). Karena itu, Saya B + Saya 2 =  /2, tapi Saya’ B= Saya B (hukum refleksi), oleh karena itu Saya’ B+ Saya 2 =  /2.

Derajat polarisasi cahaya yang dipantulkan dan dibiaskan pada sudut datang yang berbeda dapat dihitung dari persamaan Maxwell, jika kita memperhitungkan kondisi batas medan elektromagnetik pada antarmuka antara dua dielektrik isotropik (yang disebut rumus Fresnel).

Derajat polarisasi cahaya yang dibiaskan dapat ditingkatkan secara signifikan (dengan pembiasan ganda, asalkan cahaya datang setiap kali pada antarmuka pada sudut Brewster). Jika, misalnya, untuk kaca ( n= 1.53) derajat polarisasi berkas bias adalah 15%, kemudian setelah dibiaskan menjadi 8-10 pelat kaca yang ditumpangkan satu sama lain, cahaya yang muncul dari sistem tersebut akan hampir terpolarisasi sempurna. Kumpulan piring yang demikian disebut kaki. Kaki dapat digunakan untuk menganalisis cahaya terpolarisasi baik selama pemantulan maupun pembiasannya.

Tiket 79 (untuk Spur)

Pengalaman menunjukkan bahwa ketika cahaya dibiaskan dan dipantulkan, cahaya yang dibiaskan dan dipantulkan ternyata terpolarisasi, dan dipantulkan. cahaya dapat terpolarisasi sempurna pada sudut datang tertentu, tetapi secara kebetulan. cahaya selalu terpolarisasi sebagian.Berdasarkan rumus Frinell dapat ditunjukkan pemantulan. Cahaya terpolarisasi pada bidang yang tegak lurus terhadap bidang datang dan dibiaskan. cahaya terpolarisasi pada bidang yang sejajar dengan bidang datang.

Sudut datang tempat pemantulan cahaya yang terpolarisasi sempurna disebut sudut Brewster.Sudut Brewster ditentukan dari hukum Brewster: - Hukum Brewster.Dalam hal ini, sudut antara pantulan. dan pembiasan. sinarnya akan sama. Untuk sistem air-glass, sudut Brewster adalah sama. Untuk mendapatkan polarisasi yang baik, mis. , ketika membiaskan cahaya, banyak permukaan yang dapat dimakan digunakan, yang disebut Stoletov's Stop.

Tiket 80.

Pengalaman menunjukkan bahwa ketika cahaya berinteraksi dengan materi, efek utama (fisiologis, fotokimia, fotolistrik, dll.) disebabkan oleh osilasi vektor, yang dalam hal ini kadang-kadang disebut vektor cahaya. Oleh karena itu, untuk menggambarkan pola polarisasi cahaya, perilaku vektor dipantau.

Bidang yang dibentuk oleh vektor-vektor disebut bidang polarisasi.

Jika osilasi vektor terjadi pada satu bidang tetap, maka cahaya (sinar) tersebut disebut terpolarisasi linier. Secara konvensional ditetapkan sebagai berikut. Jika berkas terpolarisasi pada bidang tegak lurus (dalam bidang xoz, lihat gambar. 2 pada kuliah kedua), maka ditetapkan.

Cahaya alami (dari sumber biasa, matahari) terdiri dari gelombang-gelombang yang memiliki bidang polarisasi berbeda dan terdistribusi secara kacau (lihat Gambar 3).

Cahaya alami terkadang secara konvensional disebut demikian. Ini juga disebut non-terpolarisasi.

Jika, ketika gelombang merambat, vektor berputar dan ujung vektor membentuk lingkaran, maka cahaya tersebut disebut terpolarisasi sirkular, dan polarisasi tersebut disebut sirkular atau sirkular (kanan atau kiri). Ada juga polarisasi elips.

Ada perangkat optik (film, pelat, dll.) - polarizer, yang mengekstraksi cahaya terpolarisasi linier atau cahaya terpolarisasi sebagian dari cahaya alami.

Polarizer yang digunakan untuk menganalisis polarisasi cahaya disebut analisa.

Bidang polarizer (atau penganalisis) adalah bidang polarisasi cahaya yang ditransmisikan oleh polarizer (atau penganalisis).

Biarkan cahaya terpolarisasi linier dengan amplitudo jatuh pada polarizer (atau analisa) E 0 . Amplitudo cahaya yang ditransmisikan akan sama dengan E=E 0 karena J, dan intensitas saya = saya 0 karena 2 J.

Rumus ini mengungkapkan hukum Malus:

Intensitas cahaya terpolarisasi linier yang melewati alat analisa sebanding dengan kuadrat kosinus sudut J antara bidang osilasi cahaya datang dan bidang penganalisis.

Tiket 80 (untuk pacuan)

Polarizer adalah alat yang memungkinkan diperolehnya cahaya yang terpolarisasi. Analyzer adalah alat yang dapat digunakan untuk menganalisis terpolarisasi atau tidaknya cahaya. Secara struktur, polarizer dan analisa adalah satu dan sama. Zn Malus. Biarkan intensitas cahaya jatuh pada polarizer, jika cahayanya alami - maka semua arah vektor E mempunyai peluang yang sama.Setiap vektor dapat diuraikan menjadi dua komponen yang saling tegak lurus: salah satunya sejajar dengan bidang polarisasi polarizer, dan yang lainnya tegak lurus terhadap dia.

Jelasnya, intensitas cahaya yang muncul dari polarizer akan sama. Mari kita nyatakan intensitas cahaya yang muncul dari polarizer dengan (). Jika sebuah analisa ditempatkan pada jalur cahaya terpolarisasi, bidang utamanya adalah sudut dengan bidang utama polarizer, maka intensitas cahaya yang muncul dari analisa ditentukan oleh hukum.

Tiket 81.

Saat mempelajari pancaran larutan garam uranium di bawah pengaruh sinar radium, fisikawan Soviet P. A. Cherenkov menarik perhatian pada fakta bahwa air itu sendiri, yang tidak mengandung garam uranium, juga bersinar. Ternyata ketika sinar (lihat radiasi Gamma) dilewatkan melalui cairan murni, semuanya mulai bersinar. S. I. Vavilov, di bawah kepemimpinan P. A. Cherenkov bekerja, berhipotesis bahwa cahaya dikaitkan dengan pergerakan elektron yang dikeluarkan dari atom oleh radium kuanta. Memang, pancaran cahaya sangat bergantung pada arah medan magnet dalam cairan (hal ini menunjukkan bahwa hal ini disebabkan oleh pergerakan elektron).

Tapi mengapa elektron yang bergerak dalam cairan memancarkan cahaya? Jawaban yang benar atas pertanyaan ini diberikan pada tahun 1937 oleh fisikawan Soviet I.E. Tamm dan I.M. Frank.

Sebuah elektron, yang bergerak dalam suatu zat, berinteraksi dengan atom-atom di sekitarnya. Di bawah pengaruh medan listriknya, elektron dan inti atom dipindahkan ke arah yang berlawanan - mediumnya terpolarisasi. Terpolarisasi dan kemudian kembali ke keadaan semula, atom-atom medium yang terletak di sepanjang lintasan elektron memancarkan gelombang cahaya elektromagnetik. Jika kecepatan elektron v lebih kecil dari kecepatan rambat cahaya dalam medium (indeks bias), maka medan elektromagnetik akan mengambil alih elektron, dan zat akan memiliki waktu untuk terpolarisasi di ruang depan elektron. Polarisasi medium di depan dan di belakang elektron berlawanan arah, dan radiasi atom-atom yang terpolarisasi berlawanan, “ditambahkan”, “memadamkan” satu sama lain. Ketika atom yang belum dijangkau oleh elektron tidak mempunyai waktu untuk terpolarisasi, dan radiasi tampak diarahkan sepanjang lapisan kerucut sempit dengan puncak bertepatan dengan elektron yang bergerak dan sudut di puncak c. Kemunculan "kerucut" cahaya dan kondisi radiasinya dapat diperoleh dari prinsip-prinsip umum perambatan gelombang.

Beras. 1. Mekanisme pembentukan muka gelombang

Biarkan elektron bergerak sepanjang sumbu OE (lihat Gambar 1) dari saluran kosong yang sangat sempit dalam zat transparan homogen dengan indeks bias (saluran kosong diperlukan agar tumbukan elektron dengan atom tidak diperhitungkan dalam pertimbangan teoritis). Setiap titik pada garis OE yang berturut-turut ditempati oleh sebuah elektron akan menjadi pusat emisi cahaya. Gelombang yang memancar dari titik-titik O, D, E yang berurutan saling berinterferensi dan diperkuat jika beda fasa di antara keduanya sama dengan nol (lihat Interferensi). Kondisi ini terpenuhi untuk arah yang membentuk sudut 0 dengan lintasan elektron. Sudut 0 ditentukan oleh relasi :.

Memang, mari kita perhatikan dua gelombang yang dipancarkan dengan arah sudut 0 terhadap kecepatan elektron dari dua titik lintasan - titik O dan titik D, dipisahkan oleh jarak. Di titik B yang terletak pada garis BE yang tegak lurus OB, gelombang pertama di - setelah waktu. Ke titik F yang terletak pada garis BE, gelombang yang dipancarkan dari titik tersebut akan tiba pada saat setelah gelombang dipancarkan dari titik O Kedua gelombang ini akan sefasa, yaitu garis lurus akan menjadi muka gelombang jika waktu-waktunya sama :. Itu memberikan kondisi kesetaraan waktu. Ke segala arah yang cahayanya akan padam karena interferensi gelombang yang dipancarkan dari bagian lintasan yang dipisahkan oleh jarak D. Nilai D ditentukan oleh persamaan yang jelas, dimana T adalah periode osilasi cahaya. Persamaan ini selalu mempunyai solusi jika.

Jika , maka arah gelombang yang dipancarkan, ketika berinterferensi, diperkuat, tidak ada dan tidak boleh lebih besar dari 1.

Beras. 2. Perambatan gelombang bunyi dan terbentuknya gelombang kejut pada saat tubuh bergerak

Radiasi diamati hanya jika .

Secara eksperimental, elektron terbang dalam sudut padat yang terbatas, dengan kecepatan penyebaran tertentu, dan sebagai hasilnya, radiasi merambat dalam lapisan kerucut di dekat arah utama yang ditentukan oleh sudut tersebut.

Dalam pertimbangan kami, kami mengabaikan perlambatan elektron. Hal ini cukup dapat diterima, karena kerugian akibat radiasi Vavilov-Cerenkov kecil dan, pada perkiraan pertama, kita dapat berasumsi bahwa energi yang hilang oleh elektron tidak mempengaruhi kecepatannya dan ia bergerak secara seragam. Inilah perbedaan mendasar dan keunikan radiasi Vavilov-Cherenkov. Biasanya, muatan memancar saat mengalami percepatan yang signifikan.

Elektron yang melampaui kecepatan cahayanya mirip dengan pesawat terbang yang terbang dengan kecepatan lebih besar dari kecepatan suara. Dalam hal ini, guncangan berbentuk kerucut juga merambat di depan pesawat. gelombang suara, (lihat Gambar 2).

Optik adalah salah satu cabang fisika yang lama. Sejak saat Yunani kuno, banyak filsuf yang tertarik pada hukum gerak dan perambatan cahaya pada berbagai bahan transparan, seperti air, kaca, berlian, dan udara. Artikel ini membahas tentang fenomena pembiasan cahaya dengan fokus pada indeks bias udara.

Efek pembiasan sinar cahaya

Setiap orang dalam hidupnya telah mengalami ratusan kali manifestasi dari efek ini ketika mereka melihat dasar reservoir atau segelas air dengan suatu benda ditempatkan di dalamnya. Pada saat yang sama, kolam tersebut tidak tampak sedalam yang sebenarnya, dan benda-benda di dalam gelas berisi air tampak berubah bentuk atau pecah.

Fenomena pembiasan berupa putusnya lintasan bujursangkar ketika melintasi antarmuka dua bahan transparan. Untuk meringkas sejumlah besar data dari percobaan, pada awal abad ke-17 diterima oleh orang Belanda Willebrord Snell ekspresi matematika, yang secara akurat menggambarkan fenomena ini. Ungkapan ini biasanya ditulis dalam bentuk berikut:

n 1 *dosa(θ 1) = n 2 *dosa(θ 2) = konstanta.

Di sini n 1, n 2 adalah indeks bias mutlak cahaya pada bahan yang bersesuaian, θ 1 dan θ 2 adalah sudut antara sinar datang dan sinar bias serta tegak lurus bidang antarmuka yang ditarik melalui titik potong sinar tersebut. dan pesawat ini.

Rumus ini disebut hukum Snell atau hukum Snell-Descartes (orang Prancislah yang menuliskannya dalam bentuk yang disajikan, sedangkan orang Belanda menggunakan satuan panjang, bukan sinus).

Selain rumus tersebut, fenomena pembiasan dijelaskan oleh hukum lain, yaitu bersifat geometris. Terdiri dari kenyataan bahwa garis tegak lurus terhadap bidang dan dua sinar (yang dibiaskan dan datang) terletak pada bidang yang sama.

Indeks bias mutlak

Besaran ini termasuk dalam rumus Snell, dan nilainya memegang peranan penting. Secara matematis, indeks bias n sesuai dengan rumus:

Simbol c adalah kecepatan gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa. Kecepatannya kira-kira 3*10 8 m/s. Nilai v adalah kecepatan cahaya yang bergerak melalui medium. Dengan demikian, indeks bias mencerminkan jumlah perlambatan cahaya dalam suatu medium dibandingkan dengan ruang tanpa udara.

Dua kesimpulan penting mengikuti rumus di atas:

• nilai n selalu lebih besar dari 1 (untuk vakum sama dengan satu);
• itu adalah besaran yang tidak berdimensi.

Misalnya indeks bias udara adalah 1,00029, sedangkan indeks bias air adalah 1,33.

Indeks bias bukanlah nilai konstan untuk suatu medium tertentu. Itu tergantung pada suhu. Apalagi untuk setiap frekuensi gelombang elektromagnetik memiliki arti tersendiri. Jadi, angka di atas sesuai dengan suhu 20 o C dan bagian kuning dari spektrum tampak (panjang gelombang - sekitar 580-590 nm).

Ketergantungan n pada frekuensi cahaya diwujudkan dalam penguraian cahaya putih oleh prisma menjadi beberapa warna, serta terbentuknya pelangi di langit saat hujan lebat.

Indeks bias cahaya di udara

Nilainya telah diberikan di atas (1,00029). Karena indeks bias udara hanya berbeda di tempat desimal keempat dari nol, maka penyelesaiannya masalah praktis itu bisa dianggap sama dengan kesatuan. Sedikit perbedaan antara n untuk udara dan kesatuan menunjukkan bahwa cahaya praktis tidak diperlambat oleh molekul udara, karena kepadatannya yang relatif rendah. Jadi, kepadatan udara rata-rata adalah 1,225 kg/m 3, yang berarti 800 kali lebih ringan dibandingkan air tawar.

Udara adalah media optik yang lemah. Proses perlambatan kecepatan cahaya dalam suatu material bersifat kuantum dan berhubungan dengan tindakan penyerapan dan emisi foton oleh atom-atom zat tersebut.

Perubahan komposisi udara (misalnya peningkatan kandungan uap air di dalamnya) dan perubahan suhu menyebabkan perubahan indeks bias yang signifikan. Sebuah contoh yang mencolok adalah efek fatamorgana di gurun pasir yang terjadi akibat perbedaan indeks bias lapisan udara dengan suhu yang berbeda-beda.

Antarmuka kaca-udara

Kaca adalah media yang jauh lebih padat daripada udara. Indeks bias absolutnya berkisar antara 1,5 hingga 1,66, tergantung pada jenis kacanya. Jika kita mengambil nilai rata-rata sebesar 1,55, maka pembiasan sinar pada antarmuka udara-kaca dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

dosa(θ 1)/dosa(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1,55.

Besaran n 21 disebut indikator relatif pembiasan udara - kaca. Jika sinar keluar dari kaca ke udara, maka rumus berikut harus digunakan:

sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1/1,55 ​​= 0,645.

Jika sudut sinar bias dalam kasus terakhir adalah 90 o, maka sudut yang bersesuaian disebut kritis. Untuk batas kaca-udara sama dengan:

θ 1 = arcsin(0,645) = 40,17 o.

Jika sinar jatuh pada batas kaca-udara dengan sudut lebih besar dari 40,17 o, maka sinar tersebut akan dipantulkan kembali seluruhnya ke dalam kaca. Fenomena ini disebut “refleksi internal total”.

Sudut kritis hanya ada ketika berkas bergerak dari medium padat (dari kaca ke udara, tetapi tidak sebaliknya).

Artikel ini mengungkap inti dari konsep optik seperti indeks bias. Rumus untuk memperoleh besaran ini diberikan, dan gambaran singkat penerapan fenomena pembiasan gelombang elektromagnetik diberikan.

Penglihatan dan indeks bias

Pada awal peradaban, orang bertanya-tanya: bagaimana mata melihat? Ada pendapat bahwa seseorang memancarkan sinar yang merasakan benda-benda di sekitarnya, atau, sebaliknya, segala sesuatu memancarkan sinar tersebut. Jawaban atas pertanyaan ini diberikan pada abad ketujuh belas. Hal ini ditemukan dalam optik dan terkait dengan indeks bias. Dipantulkan dari berbagai permukaan buram dan dibiaskan di perbatasan dengan permukaan transparan, cahaya memberi seseorang kesempatan untuk melihat.

Indeks cahaya dan bias

Planet kita diselimuti cahaya Matahari. Dan justru dengan sifat gelombang foton konsep seperti indeks bias absolut dikaitkan. Menyebar dalam ruang hampa, foton tidak menemui hambatan. Di planet ini, cahaya bertemu dengan banyak lingkungan berbeda yang lebih padat: atmosfer (campuran gas), air, kristal. Sebagai gelombang elektromagnetik, foton cahaya mempunyai kecepatan satu fasa dalam ruang hampa (dilambangkan dengan C), dan di lingkungan - yang lain (dilambangkan ay). Perbandingan yang pertama dan yang kedua inilah yang disebut dengan indeks bias mutlak. Rumusnya seperti ini: n = c/v.

Kecepatan fase

Penting untuk menentukan kecepatan fase media elektromagnetik. Jika tidak, pahami apa itu indeks bias N, itu dilarang. Foton cahaya adalah gelombang. Artinya, ia dapat direpresentasikan sebagai paket energi yang berosilasi (bayangkan segmen gelombang sinus). Fase adalah segmen sinusoida yang dilalui gelombang pada waktu tertentu (ingat bahwa ini penting untuk memahami besaran seperti indeks bias).

Misalnya, fase mungkin merupakan maksimum suatu sinusoida atau suatu segmen kemiringannya. Kecepatan fase gelombang adalah kecepatan pergerakan fase tertentu. Seperti yang dijelaskan oleh definisi indeks bias, nilai-nilai ini berbeda untuk ruang hampa dan media. Selain itu, setiap lingkungan memiliki nilai tersendiri untuk besaran ini. Setiap senyawa transparan, apapun komposisinya, memiliki indeks bias yang berbeda dari semua zat lainnya.

Indeks bias absolut dan relatif

Telah ditunjukkan di atas bahwa nilai absolut diukur relatif terhadap ruang hampa. Namun, hal ini sulit dilakukan di planet kita: cahaya lebih sering mengenai batas udara dan air atau kuarsa dan spinel. Untuk masing-masing media tersebut, sebagaimana disebutkan di atas, indeks biasnya berbeda-beda. Di udara, foton cahaya merambat dalam satu arah dan memiliki satu kecepatan fasa (v 1), tetapi ketika memasuki air, arah rambat dan kecepatan fasanya berubah (v 2). Namun kedua arah tersebut terletak pada bidang yang sama. Hal ini sangat penting untuk memahami bagaimana gambaran dunia sekitar terbentuk pada retina mata atau pada matriks kamera. Perbandingan kedua nilai absolut memberikan indeks bias relatif. Rumusnya seperti ini: n 12 = v 1 / v 2.

Namun bagaimana jika cahaya justru keluar dari air dan masuk ke udara? Maka nilai ini akan ditentukan dengan rumus n 21 = v 2 / v 1. Saat mengalikan indeks bias relatif, kita memperoleh n 21 * n 12 = (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) = 1. Hubungan ini berlaku untuk semua pasangan media. Indeks bias relatif dapat dicari dari sinus sudut datang dan bias n 12 = sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2. Jangan lupa bahwa sudut diukur dari garis normal ke permukaan. Garis normal adalah garis yang tegak lurus permukaan. Artinya, jika permasalahannya diberi sudut pandang α jatuh relatif terhadap permukaan itu sendiri, maka kita harus menghitung sinus (90 - α).

Keindahan indeks bias dan penerapannya

Pada hari yang cerah dan tenang, pantulan muncul di dasar danau. Es biru tua menutupi batu tersebut. Sebuah berlian menghamburkan ribuan bunga api di tangan seorang wanita. Fenomena ini merupakan konsekuensi dari kenyataan bahwa semua batas media transparan memiliki indeks bias relatif. Selain untuk kenikmatan estetis, fenomena ini juga dapat dimanfaatkan untuk aplikasi praktis.

Berikut ini contohnya:

• Lensa kaca mengumpulkan seberkas sinar matahari dan membakar rumput.
• Sinar laser berfokus pada organ yang sakit dan memotong jaringan yang tidak diperlukan.
• Sinar matahari dibiaskan pada jendela kaca patri kuno, menciptakan suasana istimewa.
• Mikroskop memperbesar gambar dengan detail yang sangat kecil.
• Lensa spektrofotometer mengumpulkan sinar laser yang dipantulkan dari permukaan zat yang diteliti. Dengan cara ini, struktur dan sifat material baru dapat dipahami.
• Bahkan ada proyek untuk komputer fotonik, di mana informasi akan dikirimkan bukan melalui elektron, seperti sekarang, tetapi melalui foton. Perangkat seperti itu pasti membutuhkan elemen bias.

Panjang gelombang

Namun, Matahari tidak hanya memberi kita foton dalam spektrum tampak. Rentang inframerah, ultraviolet, sinar-X tidak dirasakan penglihatan manusia, tapi mempengaruhi kehidupan kita. Sinar IR menghangatkan kita, foton UV mengionisasi lapisan atas atmosfer dan memungkinkan tanaman menghasilkan oksigen melalui fotosintesis.

Dan besarnya indeks bias tidak hanya bergantung pada zat yang berada di antara batasnya, tetapi juga pada panjang gelombang radiasi yang datang. Nilai sebenarnya yang dibicarakan biasanya jelas dari konteksnya. Artinya, jika buku tersebut mengupas tuntas tentang sinar X dan pengaruhnya terhadap manusia N di sana itu didefinisikan secara khusus untuk kisaran ini. Tetapi biasanya spektrum gelombang elektromagnetik yang terlihat dimaksudkan kecuali ada hal lain yang ditentukan.

Indeks bias dan refleksi

Seperti yang jelas dari apa yang tertulis di atas, yang sedang kita bicarakan tentang media transparan. Kami memberikan udara, air, dan berlian sebagai contoh. Tapi bagaimana dengan kayu, granit, plastik? Apakah ada indeks bias untuk mereka? Jawabannya rumit, tetapi secara umum ya.

Pertama-tama, kita harus mempertimbangkan jenis cahaya yang kita hadapi. Media yang buram terhadap foton tampak dipotong oleh sinar-X atau radiasi gamma. Artinya, jika kita semua adalah manusia super, maka seluruh dunia di sekitar kita akan terlihat transparan bagi kita, tetapi di dalam derajat yang berbeda-beda. Misalnya, dinding beton tidak lebih padat dari jeli, dan perlengkapan logam akan terlihat seperti potongan buah yang lebih padat.

Untuk partikel elementer lainnya, muon, planet kita umumnya transparan. Pada suatu waktu, para ilmuwan mengalami banyak kesulitan dalam membuktikan fakta keberadaan mereka. Jutaan muon menembus kita setiap detik, tetapi kemungkinan satu partikel bertabrakan dengan materi sangat kecil, dan sangat sulit untuk mendeteksinya. Ngomong-ngomong, Baikal akan segera menjadi tempat “menangkap” muon. Perairannya yang dalam dan jernih sangat ideal untuk ini - terutama di musim dingin. Yang utama adalah sensornya tidak membeku. Jadi indeks bias beton, misalnya untuk foton sinar-X, masuk akal. Selain itu, penyinaran suatu zat dengan sinar-X adalah salah satu cara paling akurat dan penting untuk mempelajari struktur kristal.

Perlu juga diingat bahwa dalam pengertian matematis, zat yang buram pada rentang tertentu memiliki indeks bias imajiner. Terakhir, kita harus memahami bahwa suhu suatu zat juga dapat mempengaruhi transparansinya.

Indeks bias

Indeks bias zat - besaran yang sama dengan rasio kecepatan fasa cahaya (gelombang elektromagnetik) dalam ruang hampa dan media tertentu. Selain itu, indeks bias kadang-kadang dibicarakan untuk gelombang lain, misalnya gelombang suara, meskipun dalam kasus seperti gelombang suara, definisinya, tentu saja, harus dimodifikasi.

Indeks bias bergantung pada sifat zat dan panjang gelombang radiasi; untuk beberapa zat, indeks bias berubah cukup kuat ketika frekuensi gelombang elektromagnetik berubah dari frekuensi rendah ke frekuensi optik dan seterusnya, dan juga dapat berubah lebih tajam lagi di wilayah tertentu pada skala frekuensi. Standarnya biasanya mengacu pada rentang optik atau rentang yang ditentukan oleh konteks.

Tautan

• Basis data indeks bias RefractiveIndex.INFO

Yayasan Wikimedia. 2010.

Lihat apa itu “Indeks bias” di kamus lain:

Relatif dua media n21, rasio kecepatan rambat radiasi optik (cahaya c) tak berdimensi pada media pertama (c1) dan kedua (c2): n21 = c1/c2. Pada saat yang sama, ini berhubungan. P. p. adalah perbandingan sinus g l a p a d e n i j dan y g l ... ... Ensiklopedia fisik

Lihat Indeks Bias...

Lihat indeks bias. * * * INDEKS REFRAKSI INDEKS REFRAKTIF, lihat Indeks Bias (lihat INDEKS REFRAKTIF) ... kamus ensiklopedis- INDEKS REFRAKTIF, suatu besaran yang mencirikan suatu medium dan sama dengan perbandingan cepat rambat cahaya dalam ruang hampa dengan cepat rambat cahaya dalam medium (indeks bias mutlak). Indeks bias n bergantung pada dielektrik e dan permeabilitas magnet m... ... Kamus Ensiklopedis Bergambar

- (lihat INDEKS REFRAKSI). Kamus ensiklopedis fisik. M.: Ensiklopedia Soviet. Pemimpin Redaksi A.M.Prokhorov. 1983 ... Ensiklopedia fisik

Lihat Indeks bias... Ensiklopedia Besar Soviet

Perbandingan cepat rambat cahaya di ruang hampa dengan cepat rambat cahaya di suatu medium (indeks bias mutlak). Indeks bias relatif dari 2 media adalah perbandingan kecepatan cahaya dalam medium tempat cahaya jatuh pada antarmuka dengan kecepatan cahaya dalam sekon... ... Kamus Ensiklopedis Besar

Mari kita beralih ke pertimbangan lebih rinci tentang indeks bias, yang kita perkenalkan di §81 ketika merumuskan hukum bias.

Indeks bias bergantung pada sifat optik medium tempat sinar jatuh dan medium penetrasinya. Indeks bias yang diperoleh ketika cahaya dari ruang hampa jatuh pada suatu medium disebut indeks bias absolut medium tersebut.

Beras. 184. Indeks bias relatif dua media:

Misalkan indeks bias mutlak medium pertama dan indeks bias medium kedua adalah - . Mengingat pembiasan pada batas media pertama dan kedua, kami memastikan bahwa indeks bias selama transisi dari media pertama ke media kedua, yang disebut indeks bias relatif, sama dengan rasio indeks bias absolut media tersebut. media kedua dan pertama:

(Gbr. 184). Sebaliknya, ketika berpindah dari medium kedua ke medium pertama, kita mempunyai indeks bias relatif

Hubungan yang terjalin antara indeks bias relatif dua media dan indeks bias absolutnya dapat diturunkan secara teoritis, tanpa eksperimen baru, seperti halnya hal ini dapat dilakukan untuk hukum reversibilitas (§82),

Media dengan indeks bias lebih tinggi disebut lebih padat secara optik. Indeks bias berbagai media relatif terhadap udara biasanya diukur. Indikator mutlak pembiasan udara sama dengan . Jadi, indeks bias absolut suatu medium dihubungkan dengan indeks biasnya relatif terhadap udara sesuai dengan rumusnya

Tabel 6. Indeks bias berbagai zat relatif terhadap udara

Indeks bias bergantung pada panjang gelombang cahaya, yaitu warnanya. Warna yang berbeda sesuai dengan indeks bias yang berbeda. Fenomena yang disebut dispersi ini memainkan peran penting dalam optik. Kita akan membahas fenomena ini berulang kali pada bab-bab berikutnya. Data diberikan dalam tabel. 6, lihat lampu kuning.

Menarik untuk diperhatikan bahwa hukum pemantulan dapat ditulis secara formal dalam bentuk yang sama dengan hukum pembiasan. Ingatlah bahwa kita sepakat untuk selalu mengukur sudut dari tegak lurus terhadap sinar yang bersesuaian. Oleh karena itu, kita harus menganggap sudut datang dan sudut pantul mempunyai tanda yang berlawanan, yaitu. hukum pemantulan dapat ditulis sebagai

Membandingkan (83.4) dengan hukum pembiasan, kita melihat bahwa hukum pemantulan dapat dianggap sebagai kasus spesial hukum pembiasan di . Kesamaan formal antara hukum pemantulan dan pembiasan ini sangat bermanfaat dalam menyelesaikan masalah-masalah praktis.

Pada pemaparan sebelumnya, indeks bias mempunyai arti suatu konstanta medium, tidak bergantung pada intensitas cahaya yang melewatinya. Penafsiran indeks bias ini cukup alami, tetapi dalam kasus intensitas radiasi tinggi yang dapat dicapai dengan menggunakan laser modern, hal ini tidak dapat dibenarkan. Sifat-sifat medium yang dilalui radiasi cahaya kuat dalam hal ini bergantung pada intensitasnya. Seperti yang mereka katakan, lingkungan menjadi nonlinier. Nonlinier medium dimanifestasikan, khususnya, dalam kenyataan bahwa gelombang cahaya berintensitas tinggi mengubah indeks bias. Ketergantungan indeks bias pada intensitas radiasi berbentuk

Berikut adalah indeks bias biasa, dan merupakan indeks bias nonlinier, dan merupakan faktor proporsionalitas. Suku tambahan dalam rumus ini bisa positif atau negatif.

Perubahan relatif pada indeks bias relatif kecil. Pada indeks bias nonlinier. Namun, bahkan perubahan kecil dalam indeks bias pun terlihat: perubahan tersebut memanifestasikan dirinya dalam fenomena aneh pemfokusan cahaya sendiri.

Mari kita perhatikan medium dengan indeks bias nonlinier positif. Dalam hal ini, area dengan intensitas cahaya yang meningkat juga merupakan area dengan indeks bias yang meningkat. Biasanya, dalam radiasi laser nyata, distribusi intensitas pada penampang berkas sinar tidak seragam: intensitas maksimum sepanjang sumbu dan menurun secara bertahap ke arah tepi berkas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 185 kurva padat. Distribusi serupa juga menggambarkan perubahan indeks bias pada penampang sel dengan media nonlinier sepanjang sumbu rambat sinar laser. Indeks bias, yang terbesar di sepanjang sumbu kuvet, menurun secara bertahap ke arah dindingnya (kurva putus-putus pada Gambar 185).

Seberkas sinar yang meninggalkan laser sejajar sumbunya, memasuki medium dengan indeks bias variabel, dibelokkan ke arah yang lebih besar. Oleh karena itu, peningkatan intensitas di dekat kuvet menyebabkan konsentrasi sinar cahaya di area ini, ditunjukkan secara skematis pada penampang dan pada Gambar. 185, dan ini menyebabkan peningkatan lebih lanjut. Pada akhirnya, penampang efektif berkas cahaya yang melewati media nonlinier berkurang secara signifikan. Cahaya melewati seolah-olah melalui saluran sempit dengan tingkat peningkatan pembiasan. Dengan demikian, pancaran sinar laser menyempit, dan media nonlinier, di bawah pengaruh radiasi intens, bertindak sebagai lensa pengumpul. Fenomena ini disebut pemfokusan diri. Hal ini dapat diamati, misalnya, dalam nitrobenzena cair.

Beras. 185. Distribusi intensitas radiasi dan indeks bias pada penampang berkas sinar laser di pintu masuk kuvet (a), dekat ujung masukan (), di tengah (), dekat ujung keluaran kuvet ( )