Vstopnica 75.

Zakon odboja svetlobe: vpadni in odbiti žarek ter pravokotnica na mejo medija, rekonstruirana na vpadni točki žarka, ležijo v isti ravnini (vpadni ravnini). Odbojni kot γ je enak vpadnemu kotu α.

Zakon loma svetlobe: vpadni in lomljeni žarek ter pravokotnica na ploskev med medijema, rekonstruirana na vpadni točki žarka, ležijo v isti ravnini. Razmerje med sinusom vpadnega kota α in sinusom lomnega kota β je konstantna vrednost za dva podana medija:

Zakoni odboja in loma so razloženi v valovna fizika. Po konceptu valovanja je lom posledica spremembe hitrosti širjenja valov pri prehodu iz enega medija v drugega. Fizikalni pomen lomnega količnika je razmerje med hitrostjo širjenja valov v prvem mediju υ 1 in hitrostjo njihovega širjenja v drugem mediju υ 2:

Slika 3.1.1 prikazuje zakone odboja in loma svetlobe.

Sredstvo z nižjim absolutnim lomnim količnikom imenujemo optično manj gosto.

Pri prehodu svetlobe iz optično gostejšega medija v optično manj gost medij n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать fenomen popolne refleksije, to je izginotje lomljenega žarka. Ta pojav opazimo pri vpadnih kotih, ki presegajo določen kritični kot α pr, ki se imenuje mejni kot popolnega notranjega odboja(glej sliko 3.1.2).

Za vpadni kot α = α pr sin β = 1; vrednost sin α pr = n 2 / n 1< 1.

Če je drugi medij zrak (n 2 ≈ 1), je formulo primerno prepisati v obliki

Pojav popolnega notranjega odboja se uporablja v številnih optičnih napravah. Najbolj zanimiva in praktično pomembna aplikacija je izdelava optičnih vlaken, ki so tanke (od nekaj mikrometrov do milimetrov) poljubno ukrivljene niti iz optično prozornega materiala (steklo, kremen). Svetloba, ki vpade na konec svetlobnega vodnika, lahko potuje po njem na velike razdalje zaradi popolnega notranjega odboja od stranskih površin (slika 3.1.3). Znanstvena in tehnična smer, ki se ukvarja z razvojem in uporabo optičnih svetlobnih vodnikov, se imenuje optična vlakna.

Disperzija svetlobe (razgradnja svetlobe)- to je pojav, ki ga povzroča odvisnost absolutnega lomnega količnika snovi od frekvence (ali valovne dolžine) svetlobe (frekvenčna disperzija) ali, kar je isto, odvisnost fazne hitrosti svetlobe v snovi od valovna dolžina (ali frekvenca). Eksperimentalno ga je odkril Newton okoli leta 1672, čeprav je bil teoretično precej dobro pojasnjen veliko kasneje.

Prostorska razpršenost imenujemo odvisnost tenzorja dielektrične konstante medija od valovnega vektorja. Ta odvisnost povzroča številne pojave, imenovane učinki prostorske polarizacije.

Eden najbolj jasnih primerov disperzije - razgradnja bela svetloba pri prehodu skozi prizmo (Newtonov poskus). Bistvo pojava disperzije je razlika v hitrosti širjenja svetlobnih žarkov različnih valovnih dolžin v prozorni snovi – optičnem mediju (medtem ko je v vakuumu hitrost svetlobe vedno enaka, ne glede na valovno dolžino in s tem tudi barvo). Običajno je večja kot je frekvenca svetlobnega vala, večji je lomni količnik medija zanj in manjša je hitrost valovanja v mediju:

Newtonovi poskusi Poskus razgradnje bele svetlobe v spekter: Newton je usmeril sončni žarek skozi majhno luknjo na stekleno prizmo. Ob udarcu v prizmo se je žarek lomil in na nasprotni steni dal podolgovato sliko z mavričnim menjavanjem barv - spekter. Poskus prehoda monokromatske svetlobe skozi prizmo: Newton je na pot sončnega žarka postavil rdeče steklo, za katerim je dobil monokromatsko svetlobo (rdečo), nato prizmo in na zaslonu opazil le rdečo liso od svetlobnega žarka. Izkušnje pri sintezi (proizvodnji) bele svetlobe: Najprej je Newton usmeril sončni žarek na prizmo. Potem, ko je z zbiralno lečo zbral barvne žarke, ki izhajajo iz prizme, je Newton namesto barvnega traku prejel belo podobo luknje na beli steni. Newtonovi sklepi:- prizma ne spreminja svetlobe, ampak jo le razgradi na njene sestavine - svetlobni žarki, ki se razlikujejo po barvi, se razlikujejo po stopnji loma; Vijolični žarki se lomijo najmočneje, rdeči manj močno - največjo hitrost ima rdeča svetloba, ki se manj lomi, vijolična pa najmanjšo, zato prizma svetlobo razgradi. Odvisnost lomnega količnika svetlobe od njene barve imenujemo disperzija.

Sklepi:- prizma razgrajuje svetlobo - bela svetloba je kompleksna (kompozitna) - vijolični žarki se močneje lomijo kot rdeči. Barva svetlobnega žarka je določena s frekvenco nihanja. Pri prehodu iz enega medija v drugega se spreminjata hitrost svetlobe in valovna dolžina, vendar frekvenca, ki določa barvo, ostaja nespremenjena. Meje območij bele svetlobe in njenih komponent so običajno označene z njihovimi valovnimi dolžinami v vakuumu. Bela svetloba je zbirka valov z dolžinami od 380 do 760 nm.

Vstopnica 77.

Absorpcija svetlobe. Bouguerjev zakon

Absorpcija svetlobe v snovi je povezana s pretvorbo energije elektromagnetnega polja valovanja v toplotno energijo snovi (ali v energijo sekundarnega fotoluminiscenčnega sevanja). Zakon absorpcije svetlobe (Bouguerjev zakon) ima obliko:

jaz=jaz 0 exp(- x),(1)

Kje jaz 0 , jaz- jakost svetlobe na vhodu (x=0) in pustite plast srednje debeline X, - absorpcijski koeficient, odvisen je od .

Za dielektrike  =10 -1  10 -5 m -1 , za kovine =10 5  10 7 m -1 , Zato so kovine neprozorne za svetlobo.

Odvisnost  ( ) pojasni barvo vpojnih teles. Na primer, steklo, ki slabo absorbira rdečo svetlobo, bo videti rdeče, če je osvetljeno z belo svetlobo.

Sipanje svetlobe. Rayleighov zakon

Do uklona svetlobe lahko pride v optično nehomogenem mediju, na primer v motnem okolju (dim, megla, prašen zrak itd.). Z uklonom na nehomogenostih medija svetlobni valovi ustvarijo uklonski vzorec, za katerega je značilna dokaj enakomerna porazdelitev intenzitete v vse smeri.

Ta uklon na majhnih nehomogenostih se imenuje sipanje svetlobe.

Ta pojav opazimo, ko ozek žarek sončne svetlobe prehaja skozi prašen zrak, se razprši na prašnih delcih in postane viden.

Če so velikosti nehomogenosti majhne v primerjavi z valovno dolžino (ne več kot 0,1  ), potem se izkaže, da je intenziteta razpršene svetlobe obratno sorazmerna s četrto potenco valovne dolžine, tj.

jaz dis ~ 1/  4 , (2)

ta odvisnost se imenuje Rayleighov zakon.

Sipanje svetlobe opazimo tudi v čistih medijih, ki ne vsebujejo tujih delcev. Na primer, lahko se pojavi pri nihanjih (naključnih odstopanjih) gostote, anizotropije ali koncentracije. To vrsto sipanja imenujemo molekularno sipanje. Pojasnjuje na primer modro barvo neba. Dejansko se po (2) modri in modri žarki sipajo močneje kot rdeči in rumeni, ker imajo krajšo valovno dolžino, zaradi česar je nebo modro.

Vstopnica 78.

Polarizacija svetlobe- niz pojavov valovne optike, v katerih se kaže transverzalna narava elektromagnetnega svetlobnega valovanja. Prečni val- delci medija nihajo v smereh, ki so pravokotne na smer širjenja valovanja ( Slika 1).

Slika 1 Prečni val

Elektromagnetno svetlobno valovanje ravninsko polarizirana(linearna polarizacija), če sta smeri nihanja vektorjev E in B strogo določeni in ležita v določenih ravninah ( Slika 1). Ravno polariziran svetlobni val se imenuje ravninsko polarizirana(linearno polarizirana) svetloba. Nepolarizirano(naravno) valovanje - elektromagnetno svetlobno valovanje, pri katerem lahko smeri nihanja vektorjev E in B v tem valovanju ležijo v poljubnih ravninah, pravokotnih na vektor hitrosti v. Nepolarizirana svetloba- svetlobni valovi, pri katerih se smeri nihanja vektorjev E in B kaotično spreminjajo, tako da so vse smeri nihanja v ravninah, pravokotnih na žarek širjenja valov, enako verjetne ( Slika 2).

Slika 2 Nepolarizirana svetloba

Polarizirani valovi- pri katerem ostaneta smeri vektorjev E in B v prostoru nespremenjeni ali se spreminjata po določenem zakonu. Sevanje, pri katerem se smer vektorja E kaotično spreminja - nepolarizirana. Primer takega sevanja je toplotno sevanje (kaotično razporejeni atomi in elektroni). Ravnina polarizacije- to je ravnina, ki je pravokotna na smer nihanja vektorja E. Glavni mehanizem za nastanek polariziranega sevanja je sipanje sevanja na elektrone, atome, molekule in prašne delce.

1.2. Vrste polarizacije Obstajajo tri vrste polarizacije. Dajmo jim definicije. 1. Linearni Nastane, če električni vektor E ohrani svoj položaj v prostoru. Zdi se, da poudarja ravnino, v kateri vektor E niha. 2. Krožna To je polarizacija, ki nastane, ko se električni vektor E vrti okoli smeri širjenja valov s kotno hitrostjo, ki je enaka kotni frekvenci valovanja, pri čemer ohranja svojo absolutno vrednost. Ta polarizacija označuje smer vrtenja vektorja E v ravnini, ki je pravokotna na vidno črto. Primer je ciklotronsko sevanje (sistem elektronov, ki se vrtijo v magnetnem polju). 3. Eliptična Nastane, ko se velikost električnega vektorja E spremeni tako, da opiše elipso (rotacija vektorja E). Eliptična in krožna polarizacija sta lahko desnosučni (vektor E se vrti v smeri urinega kazalca, ko gledamo proti širijočemu se valu) in levi (vektor E se vrti v nasprotni smeri urnega kazalca, ko gledamo proti širijočemu se valu).

V resnici se najpogosteje pojavlja delna polarizacija (delno polarizirani elektromagnetni valovi). Količinsko je značilna določena količina, imenovana stopnja polarizacije R, ki je opredeljen kot: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Kje Imax,Takoj- največja in najmanjša gostota pretoka elektromagnetne energije skozi analizator (Polaroid, Nicolasova prizma...). V praksi se polarizacija sevanja pogosto opisuje s Stokesovimi parametri (določajo tokove sevanja z dano smerjo polarizacije).

Vstopnica 79.

Če naravna svetloba pade na vmesnik med dvema dielektrikoma (na primer zrak in steklo), se del svetlobe odbije, del pa se lomi in širi v drugem mediju. Z vgradnjo analizatorja (na primer turmalinskega) na pot odbitih in lomljenih žarkov poskrbimo, da so odbiti in lomljeni žarki delno polarizirani: ko se analizator vrti okoli žarkov, jakost svetlobe občasno narašča in slabi ( popolnega gašenja ni opaziti!). Nadaljnje študije so pokazale, da v odbitem žarku prevladujejo nihanja, ki so pravokotna na vpadno ravnino (na sliki 275 so označena s pikami), medtem ko v lomljenem žarku prevladujejo nihanja, vzporedna z vpadno ravnino (prikazano s puščicami).

Stopnja polarizacije (stopnja, do katere so svetlobni valovi ločeni z določeno usmeritvijo električnega (in magnetnega) vektorja) je odvisna od vpadnega kota žarkov in lomnega količnika. škotski fizik D. Brewster(1781-1868) nameščen pravo, po katerem pri vpadnem kotu jaz B (Brewsterjev kot), določen z relacijo

(n 21 - lomni količnik drugega medija glede na prvega), odbiti žarek je ravno polariziran(vsebuje samo tresljaje pravokotno na vpadno ravnino) (slika 276). Lomljen žarek pod vpadnim kotomjaz B polariziran do maksimuma, vendar ne popolnoma.

Če svetloba zadene mejno površino pod Brewsterjevim kotom, potem odbiti in lomljeni žarki medsebojno pravokotna(tg jaz B = greh jaz B/cos jaz B, n 21 = greh jaz B / greh jaz 2 (jaz 2 - lomni kot), od koder je cos jaz B=greh jaz 2). torej jaz B + jaz 2 =  /2, vendar jaz’ B= jaz B (zakon refleksije), torej jaz’ B+ jaz 2 =  /2.

Stopnjo polarizacije odbite in lomljene svetlobe pri različnih vpadnih kotih lahko izračunamo iz Maxwellovih enačb, če upoštevamo robne pogoje za elektromagnetno polje na meji med dvema izotropnima dielektrikoma (t.i. Fresnelove formule).

Stopnjo polarizacije lomljene svetlobe je mogoče znatno povečati (z večkratnim lomom, pod pogojem, da svetloba vsakokrat vpada na mejo pod Brewsterjevim kotom). Če na primer za steklo ( n= 1.53) stopnja polarizacije lomljenega žarka je 15%, potem bo po lomu v 8-10 steklenih plošč, ki so postavljene ena na drugo, svetloba, ki izhaja iz takega sistema, skoraj popolnoma polarizirana. Takšna zbirka plošč se imenuje noga. Tačka se lahko uporablja za analizo polarizirane svetlobe tako med njenim odbojem kot med njenim lomom.

Vstopnica 79 (za Spur)

Kot kažejo izkušnje, se med lomom in odbojem svetlobe lomljena in odbita svetloba izkažeta za polarizirani, odboj pa. svetloba je lahko popolnoma polarizirana pod določenim vpadnim kotom, vendar naključno. svetloba je vedno delno polarizirana.Na osnovi Frinellovih formul lahko dokažemo, da odboj. Svetloba je polarizirana v ravnini, ki je pravokotna na vpadno ravnino, in se lomi. svetloba je polarizirana v ravnini, ki je vzporedna z vpadno ravnino.

Vpadni kot, pri katerem se odboj je svetloba popolnoma polarizirana imenujemo Brewsterjev kot Brewsterjev kot določimo iz Brewsterjevega zakona: - Brewsterjev zakon V tem primeru kot med odboji. in lom. žarki bodo enaki Za sistem zrak-steklo je Brewsterjev kot enak Da bi dosegli dobro polarizacijo, tj. , pri lomu svetlobe se uporabljajo številne užitne površine, ki se imenujejo Stoletov Stop.

Vstopnica 80.

Izkušnje kažejo, da pri interakciji svetlobe s snovjo glavni učinek (fiziološki, fotokemični, fotoelektrični itd.) povzročijo nihanja vektorja, ki se v zvezi s tem včasih imenuje svetlobni vektor. Zato se za opis vzorcev svetlobne polarizacije spremlja obnašanje vektorja.

Ravnina, ki jo tvorijo vektorji in se imenuje ravnina polarizacije.

Če se vektorska nihanja pojavljajo v eni fiksni ravnini, se taka svetloba (žarek) imenuje linearno polarizirana. Konvencionalno je označen na naslednji način. Če je žarek polariziran v pravokotni ravnini (v ravnini xoz, glej sl. 2 v drugem predavanju), potem je označen.

Naravna svetloba (iz običajnih virov, sonca) je sestavljena iz valov, ki imajo različne, kaotično porazdeljene ravnine polarizacije (glej sliko 3).

Naravna svetloba je včasih konvencionalno označena kot taka. Imenuje se tudi nepolariziran.

Če se pri širjenju valovanja vektor vrti in konec vektorja opisuje krog, potem takšno svetlobo imenujemo krožno polarizirana, polarizacijo pa cirkularna ali krožna (desna ali leva). Obstaja tudi eliptična polarizacija.

Obstajajo optične naprave (filmi, plošče itd.) - polarizatorji, ki črpajo linearno polarizirano svetlobo ali delno polarizirano svetlobo iz naravne svetlobe.

Polarizatorji, ki se uporabljajo za analizo polarizacije svetlobe, se imenujejo analizatorji.

Ravnina polarizatorja (ali analizatorja) je ravnina polarizacije svetlobe, ki jo prepušča polarizator (ali analizator).

Naj linearno polarizirana svetloba z amplitudo pade na polarizator (ali analizator) E 0 . Amplituda prepuščene svetlobe bo enaka E=E 0 cos j, in intenzivnost jaz=jaz 0 ker 2 j.

Ta formula izraža Malusov zakon:

Intenzivnost linearno polarizirane svetlobe, ki prehaja skozi analizator, je sorazmerna s kvadratom kosinusa kota j med ravnino nihanja vpadne svetlobe in ravnino analizatorja.

Vstopnica 80 (za spur)

Polarizatorji so naprave, ki omogočajo pridobivanje polarizirane svetlobe. Analizatorji so naprave, s katerimi lahko analiziramo, ali je svetloba polarizirana ali ne. Strukturno sta polarizator in analizator eno in isto. Zn Malus. Pustimo, da intenzivnost svetlobe pade na polarizatorja, če je svetloba naravna -ta, so enako verjetne vse smeri vektorja E. Vsak vektor lahko razčlenimo na dve med seboj pravokotni komponenti: ena je vzporedna z ravnino polarizacije polarizatorja, druga pa pravokotna na to.

Očitno je, da bo jakost svetlobe, ki izhaja iz polarizatorja, enaka. Intenzivnost svetlobe, ki izhaja iz polarizatorja, označimo z (). Če na pot polarizirane svetlobe postavimo analizator, katerega glavna ravnina tvori kota z glavno ravnino polarizatorja, potem je jakost svetlobe, ki izhaja iz analizatorja, določena z zakonom.

Vstopnica 81.

Med preučevanjem sijaja raztopine uranovih soli pod vplivom radijevih žarkov je sovjetski fizik P. A. Čerenkov opozoril na dejstvo, da sveti tudi sama voda, v kateri ni uranovih soli. Izkazalo se je, da ko žarki (glej sevanje gama) preidejo skozi čiste tekočine, vsi začnejo svetiti. S. I. Vavilov, pod vodstvom katerega je delal P. A. Čerenkov, je domneval, da je sijaj povezan z gibanjem elektronov, ki jih radijevi kvanti izbijejo iz atomov. Dejansko je bil sij močno odvisen od smeri magnetnega polja v tekočini (to je nakazovalo, da ga povzroča gibanje elektronov).

Toda zakaj elektroni, ki se gibljejo v tekočini, oddajajo svetlobo? Pravilen odgovor na to vprašanje sta leta 1937 podala sovjetska fizika I. E. Tamm in I. M. Frank.

Elektron, ki se giblje v snovi, sodeluje z atomi, ki ga obdajajo. Pod vplivom njegovega električnega polja se atomski elektroni in jedra premaknejo v nasprotnih smereh - medij je polariziran. Polarizirani in nato vrnjeni v prvotno stanje atomi medija, ki se nahajajo vzdolž poti elektronov, oddajajo elektromagnetne svetlobne valove. Če je hitrost elektrona v manjša od hitrosti širjenja svetlobe v mediju (lomni količnik), bo elektromagnetno polje prehitelo elektron in snov bo imela čas, da se polarizira v prostoru pred elektronom. Polarizacija medija pred elektronom in za njim je v nasprotni smeri, sevanje nasprotno polariziranih atomov, ki se "dodajo", "gasijo" drug drugega. Ko atomi, ki jih elektron še ni dosegel, nimajo časa za polarizacijo in se pojavi sevanje, usmerjeno vzdolž ozke stožčaste plasti z vrhom, ki sovpada s premikajočim se elektronom, in kotom na vrhu c. Videz svetlobnega "stožca" in stanje sevanja lahko dobite iz splošna načelaširjenje valov.

riž. 1. Mehanizem nastanka valovne fronte

Naj se elektron giblje vzdolž osi OE (glej sliko 1) zelo ozkega praznega kanala v homogeni prozorni snovi z lomnim količnikom (prazen kanal je potreben, da trki elektrona z atomi niso upoštevani v teoretični premislek). Katera koli točka na premici OE, ki jo zaporedno zaseda elektron, bo središče oddajanja svetlobe. Valovi, ki izvirajo iz zaporednih točk O, D, E, interferirajo drug z drugim in se ojačajo, če je fazna razlika med njimi nič (glej Interferenca). Ta pogoj je izpolnjen za smer, ki s trajektorijo elektrona tvori kot 0. Kot 0 je določen z razmerjem:.

Dejansko razmislimo o dveh valovih, ki se oddajata v smeri pod kotom 0 glede na hitrost elektronov iz dveh točk trajektorije - točke O in točke D, ločenih z razdaljo . V točki B, ki leži na premici BE, pravokotno na OB, prvi val ob - po času Do točke F, ki leži na premici BE, bo val, oddan iz točke, prispel v trenutku po tem, ko je val oddan iz točke O Ta dva vala bosta v fazi, to pomeni, da bo ravna črta valovna fronta, če sta ta časa enaka: To daje pogoj enakosti časov. V vseh smereh, za katere bo svetloba ugasnila zaradi interference valov, ki jih oddajajo odseki trajektorije, ločeni z razdaljo D. Vrednost D je določena z očitno enačbo, kjer je T obdobje svetlobnih nihanj. Ta enačba ima vedno rešitev, če.

Če , potem smer, v kateri se oddajani valovi, ko interferirajo, ojačajo, ne obstaja in ne more biti večja od 1.

riž. 2. Porazdelitev zvočnega valovanja in nastanek udarnega vala med gibanjem telesa

Sevanje opazimo le, če.

Eksperimentalno elektroni letijo v končnem prostorskem kotu z določenim razmikom v hitrosti, posledično pa se sevanje širi v stožčasti plasti blizu glavne smeri, ki jo določa kot.

Pri našem razmišljanju smo zanemarili upočasnitev elektronov. To je povsem sprejemljivo, saj so izgube zaradi Vavilov-Cerenkovega sevanja majhne in v prvem približku lahko domnevamo, da izgubljena energija elektrona ne vpliva na njegovo hitrost in se giblje enakomerno. To je temeljna razlika in nenavadnost sevanja Vavilov-Cherenkov. Običajno se naboji oddajajo, medtem ko občutno pospešujejo.

Elektron, ki prehiteva svojo svetlobo, je podoben letalu, ki leti s hitrostjo, večjo od hitrosti zvoka. V tem primeru se stožčasti sunek širi tudi pred letalom. zvočni val, (glej sliko 2).

Optika je ena od starih vej fizike. Od časa Antična grčija, so se številni filozofi zanimali za zakonitosti gibanja in širjenja svetlobe v različnih prozornih materialih, kot so voda, steklo, diamant in zrak. Ta članek obravnava pojav loma svetlobe s poudarkom na lomnem količniku zraka.

Učinek loma svetlobnega žarka

Vsakdo v svojem življenju se je stokrat srečal z manifestacijo tega učinka, ko je pogledal na dno rezervoarja ali kozarec vode, v katerem je bil kak predmet. Hkrati se ribnik ni zdel tako globok, kot je v resnici, in predmeti v kozarcu vode so bili videti deformirani ali zlomljeni.

Pojav loma je sestavljen iz prekinitve njegove premočrtne poti, ko seka mejo dveh prozornih materialov. Povzeti veliko število podatke iz poskusov je v začetku 17. stoletja prejel Nizozemec Willebrord Snell matematični izraz, ki je natančno opisal ta pojav. Ta izraz je običajno zapisan v naslednji obliki:

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

Tukaj sta n 1, n 2 absolutna lomna količnika svetlobe v ustreznem materialu, θ 1 in θ 2 sta kota med vpadnim in lomljenim žarkom ter pravokotnico na mejno ravnino, ki je narisana skozi presečišče žarka. in to letalo.

Ta formula se imenuje Snellov ali Snell-Descartesov zakon (v predstavljeni obliki jo je zapisal Francoz, Nizozemec pa je namesto sinusov uporabil dolžinske enote).

Poleg te formule pojav loma opisuje še en zakon, ki je geometrijske narave. Sestoji iz dejstva, da označena pravokotnica na ravnino in dva žarka (lomljeni in vpadni) ležijo v isti ravnini.

Absolutni lomni količnik

Ta količina je vključena v Snellovo formulo in njena vrednost igra pomembno vlogo. Matematično lomni količnik n ustreza formuli:

Simbol c je hitrost elektromagnetnega valovanja v vakuumu. Je približno 3*10 8 m/s. Vrednost v je hitrost svetlobe, ki se giblje skozi medij. Tako lomni količnik odraža količino zaostanka svetlobe v mediju glede na brezzračni prostor.

Iz zgornje formule sledita dva pomembna sklepa:

• vrednost n je vedno večja od 1 (za vakuum je enaka enoti);
• je brezdimenzijska količina.

Na primer, lomni količnik zraka je 1,00029, medtem ko je za vodo 1,33.

Lomni količnik ni konstantna vrednost za določen medij. Odvisno je od temperature. Poleg tega ima vsaka frekvenca elektromagnetnega valovanja svoj pomen. Tako zgornje številke ustrezajo temperaturi 20 o C in rumenemu delu vidnega spektra (valovna dolžina - približno 580-590 nm).

Odvisnost n od frekvence svetlobe se kaže v razgradnji bele svetlobe s prizmo na številne barve, pa tudi v nastanku mavrice na nebu ob močnem dežju.

Lomni količnik svetlobe v zraku

Njegova vrednost je že navedena zgoraj (1,00029). Ker se lomni količnik zraka razlikuje le na četrtem decimalnem mestu od nič, potem rešiti praktični problemi lahko se šteje za enako enotnosti. Rahla razlika med n za zrak in enoto kaže, da molekule zraka praktično ne upočasnijo svetlobe, kar je posledica njene relativno nizke gostote. Tako je povprečna gostota zraka 1,225 kg/m 3, kar pomeni, da je več kot 800-krat lažji od sladke vode.

Zrak je optično šibek medij. Proces upočasnitve svetlobne hitrosti v materialu je kvantne narave in je povezan z dejanji absorpcije in emisije fotonov s strani atomov snovi.

Spremembe v sestavi zraka (na primer povečanje vsebnosti vodne pare v njem) in spremembe temperature vodijo do znatnih sprememb lomnega količnika. Osupljiv primer je učinek fatamorgane v puščavi, ki nastane zaradi razlik v lomnih količnikih zračnih plasti z različnimi temperaturami.

Vmesnik steklo-zrak

Steklo je veliko gostejši medij kot zrak. Njegov absolutni lomni količnik se giblje od 1,5 do 1,66, odvisno od vrste stekla. Če vzamemo povprečno vrednost 1,55, lahko lom žarka na meji zrak-steklo izračunamo po formuli:

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

Količina n 21 se imenuje relativni indikator lom zrak - steklo. Če gre žarek iz stekla v zrak, je treba uporabiti naslednjo formulo:

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

Če je kot lomljenega žarka v slednjem primeru enak 90 o, potem se ustrezni imenuje kritičen. Za mejo steklo-zrak je enako:

θ 1 = arcsin(0,645) = 40,17 o.

Če žarek pade na mejo steklo-zrak pod kotom večjim od 40,17 o, se bo popolnoma odbil nazaj v steklo. Ta pojav se imenuje "popolni notranji odboj".

Kritični kot obstaja le, ko se žarek premika iz gostega medija (iz stekla v zrak, ne pa obratno).

Ta članek razkriva bistvo takega koncepta optike, kot je lomni količnik. Podane so formule za izračun te količine in podan je kratek pregled uporabe pojava loma elektromagnetnega valovanja.

Vid in lomni količnik

Ob zori civilizacije so si ljudje zastavljali vprašanje: kako vidi oko? Predlagano je, da človek oddaja žarke, ki čutijo okoliške predmete, ali, nasprotno, vse stvari oddajajo takšne žarke. Odgovor na to vprašanje je bil podan v sedemnajstem stoletju. Najdemo ga v optiki in je povezan z lomnim količnikom. Svetloba, ki se odbija od različnih neprozornih površin in se lomi na meji s prozornimi, daje človeku možnost videti.

Svetloba in lomni količnik

Naš planet je ovit v svetlobo Sonca. In ravno z valovno naravo fotonov je povezan koncept, kot je absolutni lomni količnik. Pri širjenju v vakuumu foton ne naleti na ovire. Na planetu svetloba naleti na veliko različnih gostejših okolij: atmosfero (mešanica plinov), vodo, kristale. Kot elektromagnetno valovanje imajo fotoni svetlobe enofazno hitrost v vakuumu (označeno z c), in v okolju - drugo (označeno v). Razmerje med prvim in drugim je tako imenovani absolutni lomni količnik. Formula je videti takole: n = c / v.

Fazna hitrost

Vredno je določiti fazno hitrost elektromagnetnega medija. V nasprotnem primeru razumejte, kaj je lomni količnik n, je prepovedano. Foton svetlobe je val. To pomeni, da ga lahko predstavimo kot paket energije, ki niha (predstavljajte si segment sinusnega vala). Faza je segment sinusoide, po katerem val potuje v danem trenutku (ne pozabite, da je to pomembno za razumevanje količine, kot je lomni količnik).

Na primer, faza je lahko maksimum sinusoide ali del njenega naklona. Fazna hitrost vala je hitrost, s katero se giblje določena faza. Kot pojasnjuje definicija lomnega količnika, se te vrednosti razlikujejo za vakuum in medij. Poleg tega ima vsako okolje svojo vrednost te količine. Vsaka prozorna spojina, ne glede na njeno sestavo, ima lomni količnik, ki se razlikuje od vseh drugih snovi.

Absolutni in relativni lomni količnik

Že zgoraj je bilo pokazano, da se absolutna vrednost meri glede na vakuum. Vendar je to na našem planetu težko: svetloba pogosteje zadene mejo zraka in vode ali kremena in spinela. Za vsakega od teh medijev, kot je navedeno zgoraj, je lomni količnik drugačen. V zraku foton svetlobe potuje enosmerno in ima eno fazno hitrost (v 1), ko pa pride v vodo, spremeni smer širjenja in fazno hitrost (v 2). Vendar obe smeri ležita v isti ravnini. To je zelo pomembno za razumevanje, kako se slika okoliškega sveta oblikuje na mrežnici očesa ali na matrici kamere. Razmerje obeh absolutnih vrednosti daje relativni lomni količnik. Formula je videti takole: n 12 = v 1 / v 2.

Kaj pa, če svetloba, nasprotno, pride iz vode in vstopi v zrak? Potem bo ta vrednost določena s formulo n 21 = v 2 / v 1. Pri množenju relativnih lomnih količnikov dobimo n 21 * n 12 = (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) = 1. To razmerje velja za kateri koli par medijev. Relativni lomni količnik je mogoče ugotoviti iz sinusov vpadnega in lomnega kota n 12 = sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2. Ne pozabite, da se koti merijo od normale do površine. Normala je črta, pravokotna na površino. To je, če je problem podan kot α padca glede na samo površino, potem moramo izračunati sinus (90 - α).

Lepota lomnega količnika in njegove uporabe

V mirnem sončnem dnevu se na jezerskem dnu igrajo odsevi. Temno moder led pokriva skalo. Diamant razprši na tisoče iskric na ženski roki. Ti pojavi so posledica dejstva, da imajo vse meje prozornih medijev relativni lomni količnik. Poleg estetskega užitka je ta pojav mogoče uporabiti tudi za praktično uporabo.

Tu so primeri:

• Steklena leča zbere žarek sončne svetlobe in zažge travo.
• Laserski žarek se usmeri na oboleli organ in odreže nepotrebno tkivo.
• Sončna svetloba se lomi na starodavnem vitražu in ustvarja posebno vzdušje.
• Mikroskop poveča slike zelo majhnih podrobnosti.
• Spektrofotometrske leče zbirajo lasersko svetlobo, ki se odbija od površine preučevane snovi. Na ta način je mogoče razumeti strukturo in nato lastnosti novih materialov.
• Obstaja celo projekt za fotonski računalnik, kjer informacije ne bodo prenašali elektroni, kot zdaj, ampak fotoni. Takšna naprava bo zagotovo zahtevala lomne elemente.

Valovna dolžina

Vendar nas Sonce ne oskrbuje s fotoni le v vidnem spektru. Infrardeče, ultravijolično, rentgensko območje ni zaznano človeški vid, vendar vplivajo na naša življenja. IR žarki nas grejejo, UV fotoni ionizirajo zgornje plasti ozračja in rastlinam omogočajo proizvodnjo kisika s fotosintezo.

In kolikšen je lomni količnik, ni odvisno samo od snovi, med katerimi je meja, ampak tudi od valovne dolžine vpadnega sevanja. O kateri natančni vrednosti govorimo, je običajno jasno iz konteksta. Se pravi, če knjiga obravnava rentgenske žarke in njihov učinek na človeka, potem n tam je definirano posebej za to območje. Toda običajno je mišljen vidni spekter elektromagnetnega valovanja, razen če je določeno kaj drugega.

Lomni količnik in odboj

Kot je postalo jasno iz zgoraj zapisanega, govorimo o o transparentnih medijih. Kot primere smo navedli zrak, vodo in diamant. Kaj pa les, granit, plastika? Ali zanje obstaja kaj takega, kot je lomni količnik? Odgovor je kompleksen, a na splošno - da.

Najprej bi morali razmisliti, s kakšno svetlobo imamo opravka. Tiste medije, ki so neprozorni za vidne fotone, prereže rentgensko ali gama sevanje. Se pravi, če bi bili vsi supermani, potem bi bil za nas ves svet okoli nas prozoren, a v različne stopnje. Na primer, betonske stene ne bi bile gostejše od želeja, kovinski elementi pa bi bili videti kot koščki gostejšega sadja.

Za druge osnovne delce, mione, je naš planet na splošno prozoren skozi in skozi. Nekoč so imeli znanstveniki nemalo težav z dokazovanjem samega dejstva njihovega obstoja. Vsako sekundo nas prebode na milijone mionov, vendar je verjetnost, da bi posamezen delec trčil v snov, zelo majhna in je to zelo težko zaznati. Mimogrede, Baikal bo kmalu postal kraj za "lovljenje" mionov. Njena globoka in čista voda je idealna za to – še posebej pozimi. Glavna stvar je, da senzorji ne zamrznejo. Torej je lomni količnik betona, na primer, za rentgenske fotone smiseln. Poleg tega je obsevanje snovi z rentgenskimi žarki eden najbolj natančnih in pomembnih načinov preučevanja strukture kristalov.

Prav tako si velja zapomniti, da imajo v matematičnem smislu snovi, ki so neprozorne za dano območje, namišljen lomni količnik. Nazadnje moramo razumeti, da lahko temperatura snovi vpliva tudi na njeno prosojnost.

Lomni količnik

Lomni količnik snovi - količina, ki je enaka razmerju faznih hitrosti svetlobe (elektromagnetnega valovanja) v vakuumu in v določenem mediju. O lomnem količniku se včasih govori tudi za katero koli drugo valovanje, na primer zvok, čeprav je treba v primerih, kot je slednje, definicijo seveda nekako spremeniti.

Lomni količnik je odvisen od lastnosti snovi in ​​valovne dolžine sevanja; pri nekaterih snoveh se lomni količnik precej spremeni, ko se frekvenca elektromagnetnega valovanja spremeni iz nizkih frekvenc v optične in čez, lahko pa se spremeni še močneje v določene regije frekvenčne lestvice. Privzeta vrednost se običajno nanaša na optični obseg ali obseg, ki ga določa kontekst.

Povezave

• RefractiveIndex.INFO zbirka podatkov o lomnem indeksu

Fundacija Wikimedia. 2010.

Oglejte si, kaj je "lomni količnik" v drugih slovarjih:

Relativno razmerje dveh medijev n21, brezdimenzionalno razmerje hitrosti širjenja optičnega sevanja (c svetlobe) v prvem (c1) in drugem (c2) mediju: n21 = c1/c2. Hkrati se nanaša. P. p. je razmerje med sinusoma g l a p a d e n i j in y g l ... ... Fizična enciklopedija

Glej lomni količnik ...

Glej lomni količnik. * * * LOMNI KOLIČNIK LOMNI KOLIČNIK, glej lomni količnik (glej LOMNI KOLIČNIK) ... enciklopedični slovar- LOMNI KOLIČNIK, količina, ki označuje medij in je enaka razmerju med hitrostjo svetlobe v vakuumu in hitrostjo svetlobe v mediju (absolutni lomni količnik). Lomni količnik n je odvisen od dielektrika e in magnetne prepustnosti m. Ilustrirani enciklopedični slovar

- (glej LOMNI INDEKS). Fizični enciklopedični slovar. M.: Sovjetska enciklopedija. Glavni urednik A. M. Prohorov. 1983 ... Fizična enciklopedija

Glej lomni količnik ... Velika sovjetska enciklopedija

Razmerje med hitrostjo svetlobe v vakuumu in hitrostjo svetlobe v mediju (absolutni lomni količnik). Relativni lomni količnik 2 medijev je razmerje med hitrostjo svetlobe v mediju, iz katerega svetloba pade na vmesnik, in hitrostjo svetlobe v drugem... ... Veliki enciklopedični slovar

Obrnemo se na podrobnejšo obravnavo lomnega količnika, ki smo ga uvedli v §81 pri oblikovanju lomnega zakona.

Lomni količnik je odvisen od optičnih lastnosti medija, iz katerega žarek pada, in medija, v katerega prodira. Lomni količnik, ki ga dobimo, ko svetloba iz vakuuma pade na kateri koli medij, se imenuje absolutni lomni količnik tega medija.

riž. 184. Relativni lomni količnik dveh medijev:

Naj bo absolutni lomni količnik prvega medija in drugega medija - . Ob upoštevanju loma na meji prvega in drugega medija poskrbimo, da je lomni količnik pri prehodu iz prvega medija v drugega, tako imenovani relativni lomni količnik, enak razmerju absolutnih lomnih količnikov medija. drugi in prvi medij:

(Slika 184). Nasprotno, pri prehodu iz drugega medija v prvega imamo relativni lomni količnik

Ugotovljeno povezavo med relativnim lomnim količnikom dveh medijev in njunima absolutnima lomnima količnikoma bi bilo mogoče izpeljati teoretično, brez novih poskusov, tako kot je to mogoče storiti za zakon reverzibilnosti (§82),

Medij z višjim lomnim količnikom imenujemo optično gostejši. Običajno se meri lomni količnik različnih medijev glede na zrak. Absolutni indikator lom zraka je enak . Tako je absolutni lomni količnik katerega koli medija povezan z njegovim lomnim količnikom glede na zrak s formulo

Tabela 6. Lomni količnik različne snovi glede na zrak

Lomni količnik je odvisen od valovne dolžine svetlobe, torej od njene barve. Različne barve ustrezajo različnim lomnim količnikom. Ta pojav, imenovan disperzija, igra pomembno vlogo v optiki. Ta pojav bomo v naslednjih poglavjih večkrat obravnavali. Podatki v tabeli. 6, glej rumeno luč.

Zanimivo je, da je zakon odboja mogoče formalno zapisati v enaki obliki kot zakon loma. Naj spomnimo, da smo se dogovorili, da vedno merimo kote od navpičnice na pripadajoči žarek. Zato moramo upoštevati, da imata vpadni kot in odbojni kot nasprotna predznaka, tj. zakon refleksije lahko zapišemo kot

Če primerjamo (83.4) z lomnim zakonom, vidimo, da lahko zakon odboja obravnavamo kot poseben primer lomni zakon pri . Ta formalna podobnost zakonov odboja in loma je zelo koristna pri reševanju praktičnih problemov.

V prejšnji predstavitvi je imel lomni količnik pomen konstante medija, neodvisno od jakosti svetlobe, ki prehaja skozenj. Takšna razlaga lomnega količnika je povsem naravna, vendar v primeru visokih intenzitet sevanja, ki jih je mogoče doseči s sodobnimi laserji, ni upravičena. Lastnosti medija, skozi katerega prehaja močno svetlobno sevanje, so v tem primeru odvisne od njegove jakosti. Kot pravijo, okolje postane nelinearno. Nelinearnost medija se kaže predvsem v tem, da svetlobni val visoke intenzivnosti spremeni lomni količnik. Odvisnost lomnega količnika od jakosti sevanja ima obliko

Tukaj je običajni lomni količnik, je nelinearni lomni količnik in je faktor sorazmernosti. Dodatni člen v tej formuli je lahko pozitiven ali negativen.

Relativne spremembe lomnega količnika so razmeroma majhne. Pri nelinearnem lomnem količniku. Vendar pa so že tako majhne spremembe lomnega količnika opazne: kažejo se v svojevrstnem pojavu samofokusiranja svetlobe.

Oglejmo si medij s pozitivnim nelinearnim lomnim količnikom. V tem primeru so območja povečane jakosti svetlobe hkrati območja povečanega lomnega količnika. Običajno je pri resničnem laserskem sevanju porazdelitev intenzitete po preseku žarka žarkov neenakomerna: intenzivnost je največja vzdolž osi in gladko pada proti robom žarka, kot je prikazano na sliki 1. 185 polnih krivulj. Podobna porazdelitev opisuje tudi spremembo lomnega količnika po preseku celice z nelinearnim medijem, vzdolž katere osi se širi laserski žarek. Lomni količnik, ki je največji vzdolž osi kivete, gladko pada proti njenim stenam (črtkane krivulje na sliki 185).

Žarek žarkov, ki zapušča laser vzporedno z osjo, vstopi v medij s spremenljivim lomnim količnikom, se odkloni v smeri, kjer je večji. Zato povečana intenzivnost v bližini kivete vodi do koncentracije svetlobnih žarkov na tem območju, ki je shematično prikazano v prerezih in na sl. 185, kar vodi do nadaljnjega povečanja. Navsezadnje se efektivni presek svetlobnega žarka, ki prehaja skozi nelinearni medij, bistveno zmanjša. Svetloba prehaja kot skozi ozek kanal z povečana stopnja lomnost. Tako se laserski snop žarkov zoži, nelinearni medij pa pod vplivom intenzivnega sevanja deluje kot zbiralna leča. Ta pojav se imenuje samofokusiranje. Opazimo ga lahko na primer v tekočem nitrobenzenu.

riž. 185. Porazdelitev intenzivnosti sevanja in lomnega količnika po preseku laserskega žarka žarkov na vhodu v kiveto (a), blizu vhodnega konca (), na sredini (), blizu izhodnega konca kivete ( )