Licht bewegt sich naturgemäß mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch verschiedene Medien. Je dichter das Medium ist, desto geringer ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts darin. Es wurde ein geeignetes Maß ermittelt, das sich sowohl auf die Dichte des Materials als auch auf die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung in diesem Material bezieht. Dieses Maß wurde Brechungsindex genannt. Für jedes Material wird der Brechungsindex relativ zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gemessen (Vakuum wird oft als freier Raum bezeichnet). Die folgende Formel beschreibt diesen Zusammenhang.

Je höher der Brechungsindex eines Materials ist, desto dichter ist es. Wenn ein Lichtstrahl von einem Material zu einem anderen (mit einem anderen Brechungsindex) gelangt, unterscheidet sich der Brechungswinkel vom Einfallswinkel. Ein Lichtstrahl, der ein Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex durchdringt, tritt in einem Winkel aus, der größer als der Einfallswinkel ist. Ein Lichtstrahl, der ein Medium mit hohem Brechungsindex durchdringt, tritt in einem Winkel aus, der kleiner als der Einfallswinkel ist. Dies ist in Abb. dargestellt. 3.5.

Reis. 3.5.a. Strahl, der von einem Medium mit hohem N 1-Gehalt zu einem Medium mit niedrigem N 2-Gehalt übergeht

Reis. 3.5.b. Ein Strahl, der von einem Medium mit niedrigem N 1-Gehalt zu einem Medium mit hohem N 2-Gehalt übergeht

In diesem Fall ist θ 1 der Einfallswinkel und θ 2 der Brechungswinkel. Einige typische Brechungsindizes sind unten aufgeführt.

Es ist interessant festzustellen, dass der Brechungsindex von Glas für Röntgenstrahlen immer kleiner ist als für Luft, sodass sie beim Übergang von Luft in Glas von der Senkrechten weg und nicht wie Lichtstrahlen in die Senkrechte abgelenkt werden.

Labor arbeit

Lichtbrechung. Messung des Brechungsindex einer Flüssigkeit

mit einem Refraktometer

Ziel der Arbeit: Vertiefung des Verständnisses des Phänomens der Lichtbrechung; Untersuchung von Methoden zur Messung des Brechungsindex flüssiger Medien; Studium des Funktionsprinzips eines Refraktometers.

Ausrüstung: Refraktometer, Natriumchloridlösungen, Pipette, weiches Tuch zum Abwischen optischer Teile von Instrumenten.

Theorie

Gesetze der Reflexion und Brechung von Licht. Brechungsindex.

An der Grenzfläche zwischen den Medien ändert das Licht seine Ausbreitungsrichtung. Ein Teil der Lichtenergie kehrt zum ersten Medium zurück, d.h. Licht wird reflektiert. Wenn das zweite Medium transparent ist, passiert unter bestimmten Bedingungen ein Teil des Lichts die Grenzfläche zwischen den Medien und ändert dabei normalerweise die Ausbreitungsrichtung. Dieses Phänomen wird Lichtbrechung genannt (Abb. 1).

Reis. 1. Reflexion und Brechung von Licht an einer ebenen Grenzfläche zwischen zwei Medien.

Die Richtung der reflektierten und gebrochenen Strahlen beim Durchgang von Licht durch eine ebene Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien wird durch die Gesetze der Lichtreflexion und -brechung bestimmt.

Gesetz der Lichtreflexion. Der reflektierte Strahl liegt in derselben Ebene wie der einfallende Strahl und die Normale wird auf die Trennebene der Medien am Einfallspunkt wiederhergestellt. Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel
.

Das Gesetz der Lichtbrechung. Der gebrochene Strahl liegt in derselben Ebene wie der einfallende Strahl und die Normale wird am Einfallspunkt auf die Ebene der Medientrennung wiederhergestellt. Sinusverhältnis des Einfallswinkels α zum Sinus des Brechungswinkels β Für diese beiden Medien gibt es einen konstanten Wert, den sogenannten relativen Brechungsindex des zweiten Mediums im Verhältnis zum ersten:

Relativer Brechungsindex zwei Medien ist gleich dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im ersten Medium v 1 zur Lichtgeschwindigkeit im zweiten Medium v 2:

Wenn Licht aus einem Vakuum in ein Medium gelangt, dann wird der Brechungsindex des Mediums relativ zum Vakuum als absoluter Brechungsindex dieses Mediums bezeichnet und ist gleich dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum Mit zur Lichtgeschwindigkeit in einem gegebenen Medium:

Absolute Brechungsindizes sind immer größer als eins; für Luft N als eins genommen.

Der relative Brechungsindex zweier Medien kann durch ihre absoluten Indizes ausgedrückt werden N 1 Und N 2 :

Bestimmung des Brechungsindex einer Flüssigkeit

Um den Brechungsindex von Flüssigkeiten schnell und bequem zu bestimmen, gibt es spezielle optische Instrumente – Refraktometer, deren Hauptbestandteil zwei Prismen sind (Abb. 2): Hilfsprismen Usw. 1 und messen Pr.2. Die zu prüfende Flüssigkeit wird in den Spalt zwischen den Prismen gegossen.

Bei der Messung von Indikatoren können zwei Methoden verwendet werden: die Streiflichtmethode (für transparente Flüssigkeiten) und die Methode der Totalreflexion (für dunkle, trübe und farbige Lösungen). In dieser Arbeit wird die erste davon verwendet.

Bei der Streiflichtmethode dringt Licht von einer externen Quelle durch das Gesicht AB Prismen Projekt 1, verflüchtigt sich auf seiner matten Oberfläche Wechselstrom und dringt dann durch die Schicht der untersuchten Flüssigkeit in das Prisma ein Pr.2. Die matte Oberfläche wird zu einer Strahlungsquelle in alle Richtungen, sodass sie durch den Rand hindurch beobachtet werden kann EF Prismen Pr.2. Allerdings der Rand Wechselstrom durchschaubar ist EF nur in einem Winkel größer als ein bestimmter Mindestwinkel ich. Die Größe dieses Winkels hängt eindeutig vom Brechungsindex der zwischen den Prismen befindlichen Flüssigkeit ab, was die Hauptidee hinter dem Design des Refraktometers ist.

Betrachten Sie den Lichtdurchgang durch das Gesicht EF unteres Messprisma Pr.2. Wie aus Abb. ersichtlich ist. 2. Wenn wir das Gesetz der Lichtbrechung zweimal anwenden, können wir zwei Beziehungen erhalten:

(1)

(2)

Wenn man dieses Gleichungssystem löst, kommt man leicht zu dem Schluss, dass der Brechungsindex der Flüssigkeit

(3)

hängt von vier Größen ab: Q, R, R 1 Und ich. Allerdings sind nicht alle von ihnen unabhängig. Zum Beispiel,

R+ S= R , (4)

Wo R - Brechungswinkel des Prismas Projekt 2. Darüber hinaus durch die Winkeleinstellung Q der Maximalwert beträgt 90°, aus Gleichung (1) ergibt sich:

(5)

Aber der maximale Winkelwert R , wie aus Abb. ersichtlich ist. 2 und Beziehungen (3) und (4) entsprechen die minimalen Winkelwerte ich Und R 1 , diese. ich Mindest Und R Mindest .

Somit hängt der Brechungsindex einer Flüssigkeit bei „streifenden“ Strahlen nur vom Winkel ab ich. In diesem Fall gibt es einen minimalen Winkelwert ich, wenn der Rand Wechselstrom noch sichtbar ist, also im Sichtfeld spiegelweiß erscheint. Bei kleineren Betrachtungswinkeln ist die Kante nicht sichtbar und im Sichtfeld erscheint diese Stelle schwarz. Da das Teleskop des Geräts einen relativ weiten Winkelbereich erfasst, werden im Sichtfeld gleichzeitig helle und schwarze Bereiche beobachtet, deren Grenze dem minimalen Beobachtungswinkel entspricht und eindeutig mit dem Brechungsindex der Flüssigkeit zusammenhängt. Verwendung der endgültigen Berechnungsformel:

(auf dessen Schlussfolgerung wird verzichtet) und einer Reihe von Flüssigkeiten mit bekannten Brechungsindizes können Sie das Gerät kalibrieren, d. h. eine eindeutige Übereinstimmung zwischen den Brechungsindizes von Flüssigkeiten und Winkeln herstellen ich Mindest . Alle angegebenen Formeln werden für Strahlen einer bestimmten Wellenlänge abgeleitet.

Licht unterschiedlicher Wellenlänge wird unter Berücksichtigung der Dispersion des Prismas gebrochen. Wenn das Prisma also mit weißem Licht beleuchtet wird, wird die Grenzfläche aufgrund der Dispersion unscharf und in verschiedenen Farben eingefärbt. Daher verfügt jedes Refraktometer über einen Kompensator, der das Ergebnis der Dispersion eliminiert. Es kann aus einem oder zwei Direktsichtprismen – Amici-Prismen – bestehen. Jedes Amici-Prisma besteht aus drei Glasprismen mit unterschiedlichen Brechungsindizes und unterschiedlicher Dispersion. Beispielsweise bestehen die äußeren Prismen aus Kronglas und das mittlere aus Flintglas (Kronglas und Flintglas sind Glasarten). Durch Drehen des Kompensatorprismas mittels einer speziellen Vorrichtung wird ein scharfes, farbloses Bild der Grenzfläche erreicht, dessen Lage dem Brechungsindexwert für die gelbe Natriumlinie entspricht λ =5893 Å (die Prismen sind so konstruiert, dass Strahlen mit einer Wellenlänge von 5893 Å keine Ablenkung erfahren).

Die durch den Kompensator hindurchtretenden Strahlen gelangen in die Linse des Teleskops und gelangen dann durch das Umkehrprisma durch das Okular des Teleskops in das Auge des Beobachters. Der schematische Strahlengang ist in Abb. dargestellt. 3.

Die Refraktometerskala ist auf die Werte des Brechungsindex und der Konzentration der Saccharoselösung in Wasser kalibriert und befindet sich in der Brennebene des Okulars.

experimenteller Teil

Aufgabe 1. Überprüfung des Refraktometers.

Richten Sie das Licht mithilfe eines Spiegels auf das Hilfsprisma des Refraktometers. Pipettieren Sie bei angehobenem Hilfsprisma einige Tropfen destilliertes Wasser auf das Messprisma. Erzielen Sie durch Absenken des Hilfsprismas eine optimale Ausleuchtung des Sehfeldes und stellen Sie das Okular so ein, dass Fadenkreuz und Brechungsindexskala deutlich sichtbar sind. Durch Drehen der Kamera des Messprismas erhalten Sie die Grenze von Licht und Schatten im Sichtfeld. Drehen Sie den Kompensatorkopf, bis die Farbe der Grenze zwischen Licht und Schatten beseitigt ist. Richten Sie die Licht- und Schattengrenze am Fadenkreuzpunkt aus und messen Sie den Brechungsindex von Wasser N ändern . Wenn das Refraktometer ordnungsgemäß funktioniert, sollte der Wert für destilliertes Wasser vorliegen N 0 = 1.333, weichen die Messwerte von diesem Wert ab, muss eine Änderung ermittelt werden Δn= N ändern - 1,333, was dann bei der weiteren Arbeit mit dem Refraktometer berücksichtigt werden sollte. Bitte korrigieren Sie Tabelle 1.

Tabelle 1.

Aufgabe 2. Bestimmung des Brechungsindex einer Flüssigkeit.

Bestimmen Sie die Brechungsindizes von Lösungen bekannter Konzentration unter Berücksichtigung der gefundenen Korrektur.

Tabelle 2.

Zeichnen Sie anhand der erhaltenen Ergebnisse ein Diagramm der Abhängigkeit des Brechungsindex von Kochsalzlösungen von der Konzentration. Ziehen Sie eine Schlussfolgerung über die Abhängigkeit von n von C; Rückschlüsse auf die Genauigkeit von Messungen mit einem Refraktometer ziehen.

Nehmen Sie eine Salzlösung unbekannter Konzentration MIT X , Bestimmen Sie den Brechungsindex und verwenden Sie das Diagramm, um die Konzentration der Lösung zu ermitteln.

Reinigen Sie den Arbeitsbereich und wischen Sie die Prismen des Refraktometers vorsichtig mit einem feuchten, sauberen Tuch ab.

Kontrollfragen

Reflexion und Brechung von Licht.

Absolute und relative Brechungsindizes des Mediums.

Das Funktionsprinzip eines Refraktometers. Schiebebalkenmethode.

Schematischer Strahlengang in einem Prisma. Warum werden Kompensatorprismen benötigt?

Ausbreitung, Reflexion und Brechung von Licht

Die Natur des Lichts ist elektromagnetisch. Ein Beweis dafür ist das Zusammentreffen der Geschwindigkeiten elektromagnetischer Wellen und Licht im Vakuum.

In einem homogenen Medium breitet sich Licht geradlinig aus. Diese Aussage wird als Gesetz der geradlinigen Ausbreitung von Licht bezeichnet. Ein experimenteller Beweis für dieses Gesetz sind die scharfen Schatten, die von Punktlichtquellen erzeugt werden.

Die geometrische Linie, die die Ausbreitungsrichtung des Lichts angibt, wird Lichtstrahl genannt. In einem isotropen Medium werden Lichtstrahlen senkrecht zur Wellenfront gerichtet.

Die geometrische Lage von Punkten im Medium, die in derselben Phase schwingen, wird Wellenoberfläche genannt, und die Menge von Punkten, die die Schwingung zu einem bestimmten Zeitpunkt erreicht hat, wird Wellenfront genannt. Je nach Art der Wellenfront werden ebene und sphärische Wellen unterschieden.

Um den Prozess der Lichtausbreitung zu erklären, wird das vom niederländischen Physiker H. Huygens vorgeschlagene allgemeine Prinzip der Wellentheorie über die Bewegung einer Wellenfront im Raum verwendet. Nach dem Huygensschen Prinzip ist jeder Punkt im Medium, den die Lichtanregung erreicht, das Zentrum kugelförmiger Sekundärwellen, die sich ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Die die Fronten dieser Sekundärwellen umgebende Oberfläche gibt die Position der Front der sich tatsächlich ausbreitenden Welle zu diesem Zeitpunkt an.

Es muss zwischen Lichtstrahlen und Lichtstrahlen unterschieden werden. Ein Lichtstrahl ist ein Teil einer Lichtwelle, die Lichtenergie in eine bestimmte Richtung transportiert. Beim Ersetzen eines Lichtstrahls durch einen ihn beschreibenden Lichtstrahl muss angenommen werden, dass dieser mit der Achse eines ausreichend schmalen, aber gleichzeitig endlichen Lichtstrahls (die Querschnittsabmessungen sind viel größer als die Wellenlänge) zusammenfällt Strahl.

Es gibt divergente, konvergierende und quasiparallele Lichtstrahlen. Häufig werden die Begriffe Lichtstrahlenbündel oder einfach Lichtstrahlen verwendet, womit eine Reihe von Lichtstrahlen gemeint ist, die einen realen Lichtstrahl beschreiben.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 3 · 108 m/s ist eine universelle Konstante und hängt nicht von der Frequenz ab. Zum ersten Mal wurde die Lichtgeschwindigkeit experimentell mit der astronomischen Methode des dänischen Wissenschaftlers O. Roemer bestimmt. Genauer gesagt wurde die Lichtgeschwindigkeit von A. Michelson gemessen.

In Materie ist die Lichtgeschwindigkeit geringer als im Vakuum. Das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zu seiner Geschwindigkeit in einem bestimmten Medium wird als absoluter Brechungsindex des Mediums bezeichnet:

Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und v die Lichtgeschwindigkeit in einem bestimmten Medium. Die absoluten Brechungsindizes aller Stoffe sind größer als eins.

Wenn sich Licht durch ein Medium ausbreitet, wird es absorbiert und gestreut und an der Grenzfläche zwischen den Medien reflektiert und gebrochen.

Das Gesetz der Lichtreflexion: Der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und die Senkrechte zur Grenzfläche zwischen zwei Medien, die am Einfallspunkt des Strahls wiederhergestellt wird, liegen in derselben Ebene; der Reflexionswinkel g ist gleich dem Einfallswinkel a (Abb. 1). Dieses Gesetz stimmt mit dem Reflexionsgesetz für Wellen jeglicher Art überein und kann als Folge des Huygens-Prinzips erhalten werden.

Das Gesetz der Lichtbrechung: Der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und die Senkrechte zur Grenzfläche zwischen zwei Medien, die am Einfallspunkt des Strahls wiederhergestellt wird, liegen in derselben Ebene; Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels für eine bestimmte Lichtfrequenz ist ein konstanter Wert, der als relativer Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten bezeichnet wird:

Das experimentell festgestellte Gesetz der Lichtbrechung wird anhand des Huygensschen Prinzips erklärt. Nach Wellenkonzepten ist die Brechung eine Folge von Änderungen der Wbeim Übergang von einem Medium in ein anderes, und die physikalische Bedeutung des relativen Brechungsindex ist das Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen im ersten Medium v1 zu die Geschwindigkeit ihrer Ausbreitung im zweiten Medium

Für Medien mit den absoluten Brechungsindizes n1 und n2 ist der relative Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten gleich dem Verhältnis des absoluten Brechungsindex des zweiten Mediums zum absoluten Brechungsindex des ersten Mediums:

Das Medium mit einem höheren Brechungsindex wird als optisch dichter bezeichnet; die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts ist darin geringer. Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium in ein optisch weniger dichtes übergeht, sollte der Brechungswinkel bei einem bestimmten Einfallswinkel a0 gleich p/2 werden. Die Intensität des gebrochenen Strahls wird in diesem Fall gleich Null. Licht, das auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien fällt, wird von dieser vollständig reflektiert.

Der Einfallswinkel a0, bei dem die Totalreflexion des Lichts auftritt, wird als Grenzwinkel der Totalreflexion bezeichnet. Bei allen Einfallswinkeln gleich und größer als a0 kommt es zur Totalreflexion des Lichts.

Der Wert des Grenzwinkels ergibt sich aus der Beziehung Wenn n2 = 1 (Vakuum), dann

2 Der Brechungsindex einer Substanz ist ein Wert, der dem Verhältnis der Phasengeschwindigkeiten von Licht (elektromagnetischen Wellen) im Vakuum und in einem bestimmten Medium entspricht. Sie sprechen auch über den Brechungsindex für alle anderen Wellen, zum Beispiel Schall

Der Brechungsindex hängt von den Eigenschaften des Stoffes und der Wellenlänge der Strahlung ab; bei manchen Stoffen ändert sich der Brechungsindex recht stark, wenn sich die Frequenz elektromagnetischer Wellen von niedrigen Frequenzen zu optischen und darüber hinaus ändert, und kann sich auch noch stärker ändern bestimmte Bereiche der Frequenzskala. Die Vorgabe bezieht sich in der Regel auf die optische Reichweite oder die durch den Kontext bestimmte Reichweite.

Es gibt optisch anisotrope Stoffe, bei denen der Brechungsindex von der Richtung und Polarisation des Lichts abhängt. Solche Stoffe sind weit verbreitet, insbesondere handelt es sich dabei um Kristalle mit einer relativ geringen Symmetrie des Kristallgitters sowie um Stoffe, die einer mechanischen Verformung ausgesetzt sind.

Der Brechungsindex kann als Wurzel aus dem Produkt der magnetischen und dielektrischen Konstanten des Mediums ausgedrückt werden

(Es ist zu berücksichtigen, dass die Werte der magnetischen Permeabilität und der absoluten Dielektrizitätskonstante für den interessierenden Frequenzbereich – beispielsweise optisch – stark vom statischen Wert dieser Werte abweichen können.)

Zur Messung des Brechungsindex werden manuelle und automatische Refraktometer verwendet. Wenn ein Refraktometer zur Bestimmung der Zuckerkonzentration in einer wässrigen Lösung verwendet wird, wird das Gerät als Saccharimeter bezeichnet.

Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels () des Strahls zum Sinus des Brechungswinkels (), wenn der Strahl vom Medium A zum Medium B gelangt, wird als relativer Brechungsindex für dieses Medienpaar bezeichnet.

Die Größe n ist der relative Brechungsindex von Medium B im Verhältnis zu Medium A, an" = 1/n ist der relative Brechungsindex von Medium A im Verhältnis zu Medium B.

Unter sonst gleichen Bedingungen ist dieser Wert normalerweise kleiner als Eins, wenn ein Strahl von einem dichteren Medium in ein weniger dichtes Medium übergeht, und mehr als Eins, wenn ein Strahl von einem weniger dichten Medium in ein dichteres Medium übergeht (z. B. von). ein Gas oder von einem Vakuum zu einer Flüssigkeit oder einem Feststoff). Es gibt Ausnahmen von dieser Regel, und daher ist es üblich, ein Medium optisch als mehr oder weniger dicht als ein anderes zu bezeichnen (nicht zu verwechseln mit der optischen Dichte als Maß für die Opazität eines Mediums).

Ein Strahl, der aus einem luftleeren Raum auf die Oberfläche eines Mediums B fällt, wird stärker gebrochen, als wenn er von einem anderen Medium A darauf fällt; Der Brechungsindex eines Strahls, der aus einem luftleeren Raum auf ein Medium einfällt, wird als absoluter Brechungsindex oder einfach als Brechungsindex eines bestimmten Mediums bezeichnet; dies ist der Brechungsindex, dessen Definition am Anfang des Artikels gegeben wird. Der Brechungsindex jedes Gases, einschließlich Luft, ist unter normalen Bedingungen viel geringer als der Brechungsindex von Flüssigkeiten oder Feststoffen. Daher kann der absolute Brechungsindex ungefähr (und mit relativ guter Genauigkeit) anhand des Brechungsindex relativ zu Luft beurteilt werden.

Reis. 3. Funktionsprinzip eines Interferenzrefraktometers. Der Lichtstrahl wird so geteilt, dass seine beiden Teile Küvetten der Länge l passieren, die mit Substanzen unterschiedlichen Brechungsindex gefüllt sind. Beim Austritt aus den Küvetten erhalten die Strahlen einen gewissen Gangunterschied und ergeben beim Zusammenführen auf dem Bildschirm ein Bild von Interferenzmaxima und -minima mit k-Ordnungen (rechts schematisch dargestellt). Brechungsindexdifferenz Dn=n2 –n1 =kl/2, wobei l die Wellenlänge des Lichts ist.

Refraktometer sind Instrumente zur Messung des Brechungsindex von Substanzen. Das Funktionsprinzip eines Refraktometers basiert auf dem Phänomen der Totalreflexion. Fällt ein gestreuter Lichtstrahl auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien mit Brechungsindizes und aus einem optisch dichteren Medium, so treten die Strahlen ab einem bestimmten Einfallswinkel nicht in das zweite Medium ein, sondern werden von diesem vollständig reflektiert Schnittstelle im ersten Medium. Dieser Winkel wird als Grenzwinkel der Totalreflexion bezeichnet. Abbildung 1 zeigt das Verhalten von Strahlen, wenn sie in eine bestimmte Strömung dieser Oberfläche fallen. Der Strahl kommt in einem extremen Winkel. Aus dem Brechungsgesetz können wir bestimmen: , (seit).

Die Größe des Grenzwinkels hängt vom relativen Brechungsindex der beiden Medien ab. Wenn die von der Oberfläche reflektierten Strahlen auf eine Sammellinse gerichtet werden, dann sieht man in der Brennebene der Linse die Grenze von Licht und Halbschatten, und die Lage dieser Grenze hängt vom Wert des Grenzwinkels und damit von ab der Brechungsindex. Eine Änderung des Brechungsindex eines der Medien führt zu einer Änderung der Position der Grenzfläche. Die Grenzfläche zwischen Licht und Schatten kann als Indikator bei der Bestimmung des Brechungsindex dienen, der in Refraktometern verwendet wird. Diese Methode zur Bestimmung des Brechungsindex wird als Totalreflexionsmethode bezeichnet

Refraktometer nutzen zusätzlich zur Totalreflexion die Methode des streifenden Strahls. Bei dieser Methode trifft ein gestreuter Lichtstrahl aus einem optisch weniger dichten Medium in allen möglichen Winkeln auf die Grenze (Abb. 2). Der entlang der Oberfläche gleitende Strahl () entspricht dem Grenzbrechungswinkel (der Strahl in Abb. 2). Platzieren wir eine Linse in den Strahlengang der an der Oberfläche gebrochenen Strahlen (), so sehen wir in der Brennebene der Linse auch eine scharfe Grenze zwischen Licht und Schatten.

Reis. 2

Da die Bedingungen, die den Wert des Grenzwinkels bestimmen, bei beiden Methoden gleich sind, ist die Lage der Grenzfläche dieselbe. Beide Methoden sind gleichwertig, mit der Totalreflexionsmethode können Sie jedoch den Brechungsindex undurchsichtiger Substanzen messen

Strahlengang in einem dreieckigen Prisma

Abbildung 9 zeigt einen Querschnitt eines Glasprismas mit einer Ebene senkrecht zu seinen Seitenkanten. Der Strahl im Prisma wird zur Basis hin abgelenkt und an den Kanten OA und 0B gebrochen. Der Winkel j zwischen diesen Flächen wird Brechungswinkel des Prismas genannt. Der Ablenkwinkel des Strahls hängt vom Brechungswinkel des Prismasj, dem Brechungsindex n des Prismenmaterials und dem Einfallswinkela ab. Sie kann mit dem Brechungsgesetz (1.4) berechnet werden.

Das Refraktometer verwendet eine weiße Lichtquelle 3. Wenn Licht durch die Prismen 1 und 2 fällt, ist die Grenze zwischen Licht und Schatten aufgrund der Streuung farbig. Um dies zu vermeiden, wird vor der Teleskoplinse ein Kompensator 4 platziert. Er besteht aus zwei identischen Prismen, die jeweils aus drei Prismen mit unterschiedlichen Brechungsindizes zusammengeklebt sind. Prismen werden so ausgewählt, dass ein monochromatischer Strahl mit einer Wellenlänge entsteht = 589,3 µm. (Wellenlänge der natriumgelben Linie) wurde nach Passieren des Ablenkungskompensators nicht getestet. Strahlen mit anderen Wellenlängen werden durch Prismen in verschiedene Richtungen abgelenkt. Durch das Bewegen der Kompensatorprismen mit einem speziellen Griff sorgen wir dafür, dass die Grenze zwischen Licht und Dunkelheit möglichst deutlich wird.

Nachdem die Lichtstrahlen den Kompensator passiert haben, gelangen sie in die Linse 6 des Teleskops. Das Bild der Licht-Schatten-Grenzfläche wird durch das Okular 7 des Teleskops betrachtet. Gleichzeitig betrachtet man durch das Okular die Skala 8. Da der Grenzbrechungswinkel und der Grenzwinkel der Totalreflexion vom Brechungsindex der Flüssigkeit abhängen, werden die Werte dieses Brechungsindex sofort auf der Refraktometerskala markiert .

Das optische System des Refraktometers enthält außerdem ein rotierendes Prisma 5. Es ermöglicht Ihnen, die Achse des Teleskops senkrecht zu den Prismen 1 und 2 zu positionieren, was die Beobachtung komfortabler macht.

Das Gesetz der Lichtbrechung. Absolute und relative Brechungsindizes (Koeffizienten). Totale innere Reflexion

Gesetz der Lichtbrechung wurde im 17. Jahrhundert experimentell etabliert. Wenn Licht von einem transparenten Medium zum anderen gelangt, kann sich die Richtung des Lichts ändern. Die Änderung der Lichtrichtung an der Grenze verschiedener Medien wird als Lichtbrechung bezeichnet. Durch die Brechung kommt es zu einer scheinbaren Formänderung des Objekts. (Beispiel: Löffel in ein Glas Wasser). Gesetz der Lichtbrechung: An der Grenze zweier Medien liegt der gebrochene Strahl in der Einfallsebene und bildet, wobei die Normale zur Grenzfläche am Einfallspunkt wiederhergestellt wird, einen Brechungswinkel, so dass: =n 1-Einfall, 2-Reflexion, n-Brechungsindex (f. Snelius) - relativer Indikator Der Brechungsindex eines Strahls, der aus einem luftleeren Raum auf ein Medium einfällt, wird als sein bezeichnet absoluter Brechungsindex. Der Einfallswinkel, bei dem der gebrochene Strahl beginnt, entlang der Grenzfläche zwischen zwei Medien zu gleiten, ohne in ein optisch dichteres Medium zu gelangen – Grenzwinkel der Totalreflexion. Totale innere Reflexion- interne Reflexion, sofern der Einfallswinkel einen bestimmten kritischen Winkel überschreitet. In diesem Fall wird die einfallende Welle vollständig reflektiert und der Wert des Reflexionskoeffizienten übersteigt seine höchsten Werte für polierte Oberflächen. Der Reflexionsgrad der Totalreflexion ist unabhängig von der Wellenlänge. In der Optik wird dieses Phänomen für einen weiten Bereich elektromagnetischer Strahlung beobachtet, darunter auch den Röntgenbereich. In der geometrischen Optik wird das Phänomen im Rahmen des Snelliusschen Gesetzes erklärt. Wenn man bedenkt, dass der Brechungswinkel 90° nicht überschreiten darf, stellen wir fest, dass bei einem Einfallswinkel, dessen Sinus größer ist als das Verhältnis des kleineren Brechungsindex zum größeren Brechungsindex, die elektromagnetische Welle vollständig in das erste Medium reflektiert werden muss. Beispiel: Der helle Glanz vieler natürlicher Kristalle und insbesondere geschliffener Edel- und Halbedelsteine ​​wird durch Totalreflexion erklärt, wodurch jeder in den Kristall eintretende Strahl eine große Anzahl ziemlich heller Strahlen bildet, die gefärbt austreten ein Ergebnis der Zerstreuung.

Die Optik ist einer der alten Zweige der Physik. Seit der Zeit des antiken Griechenlands interessieren sich viele Philosophen für die Gesetze der Bewegung und Ausbreitung von Licht in verschiedenen transparenten Materialien wie Wasser, Glas, Diamant und Luft. In diesem Artikel wird das Phänomen der Lichtbrechung erörtert, wobei der Schwerpunkt auf dem Brechungsindex von Luft liegt.

Lichtstrahlbrechungseffekt

Jeder hat in seinem Leben hunderte Male die Manifestation dieses Effekts erlebt, als er auf den Boden eines Reservoirs oder auf ein Glas Wasser mit einem darin platzierten Gegenstand blickte. Gleichzeitig schien der Teich nicht so tief zu sein, wie er tatsächlich war, und die Gegenstände im Wasserglas sahen deformiert oder zerbrochen aus.

Das Phänomen der Brechung besteht in einem Bruch ihrer geradlinigen Flugbahn, wenn sie die Grenzfläche zweier transparenter Materialien schneidet. Der Niederländer Willebrord Snell fasste zu Beginn des 17. Jahrhunderts eine große Menge experimenteller Daten zusammen und erhielt einen mathematischen Ausdruck, der dieses Phänomen genau beschrieb. Dieser Ausdruck wird normalerweise in der folgenden Form geschrieben:

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

Dabei sind n 1, n 2 die absoluten Brechungsindizes des Lichts im entsprechenden Material, θ 1 und θ 2 sind die Winkel zwischen einfallendem und gebrochenem Strahl und der Senkrechten zur Grenzflächenebene, die durch den Schnittpunkt des Strahls gezogen wird und dieses Flugzeug.

Diese Formel wird Snellius- oder Snell-Descartes-Gesetz genannt (es war der Franzose, der sie in der dargestellten Form aufschrieb, während der Niederländer Längeneinheiten anstelle von Sinuseinheiten verwendete).

Zusätzlich zu dieser Formel wird das Phänomen der Brechung durch ein weiteres Gesetz beschrieben, das geometrischer Natur ist. Es besteht darin, dass die markierte Senkrechte zur Ebene und zwei Strahlen (gebrochen und einfallend) in derselben Ebene liegen.

Absoluter Brechungsindex

Diese Größe geht in die Snellius-Formel ein und ihr Wert spielt eine wichtige Rolle. Mathematisch entspricht der Brechungsindex n der Formel:

Das Symbol c ist die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum. Sie beträgt etwa 3*10 8 m/s. Der Wert v ist die Geschwindigkeit des Lichts, das sich durch das Medium bewegt. Somit spiegelt der Brechungsindex den Grad der Lichtverzögerung in einem Medium im Vergleich zu einem luftleeren Raum wider.

Aus der obigen Formel ergeben sich zwei wichtige Schlussfolgerungen:

• der Wert von n ist immer größer als 1 (für Vakuum ist er gleich Eins);
• es ist eine dimensionslose Größe.

Beispielsweise beträgt der Brechungsindex von Luft 1,00029, während er für Wasser 1,33 beträgt.

Der Brechungsindex ist für ein bestimmtes Medium kein konstanter Wert. Es kommt auf die Temperatur an. Darüber hinaus hat jede Frequenz einer elektromagnetischen Welle ihre eigene Bedeutung. Somit entsprechen die obigen Zahlen einer Temperatur von 20 °C und dem gelben Teil des sichtbaren Spektrums (Wellenlänge – etwa 580–590 nm).

Die Abhängigkeit von n von der Lichtfrequenz zeigt sich in der Zerlegung von weißem Licht durch ein Prisma in mehrere Farben sowie in der Bildung eines Regenbogens am Himmel bei starkem Regen.

Brechungsindex von Licht in Luft

Sein Wert wurde oben bereits angegeben (1,00029). Da sich der Brechungsindex von Luft nur um die vierte Dezimalstelle von Null unterscheidet, kann er zur Lösung praktischer Probleme als gleich eins angesehen werden. Ein geringer Unterschied zwischen n für Luft und Eins weist darauf hin, dass Licht durch Luftmoleküle praktisch nicht gebremst wird, was auf seine relativ geringe Dichte zurückzuführen ist. Somit beträgt die durchschnittliche Luftdichte 1,225 kg/m 3 und ist damit mehr als 800-mal leichter als Süßwasser.

Luft ist ein optisch schwaches Medium. Der Prozess der Verlangsamung der Lichtgeschwindigkeit in einem Material ist quantentechnischer Natur und hängt mit der Absorption und Emission von Photonen durch Atome der Substanz zusammen.

Änderungen in der Zusammensetzung der Luft (z. B. eine Erhöhung des Wasserdampfgehalts) und Temperaturänderungen führen zu erheblichen Änderungen des Brechungsindex. Ein markantes Beispiel ist der Fata Morgana-Effekt in der Wüste, der durch unterschiedliche Brechungsindizes von Luftschichten mit unterschiedlichen Temperaturen entsteht.

Glas-Luft-Schnittstelle

Glas ist ein viel dichteres Medium als Luft. Sein absoluter Brechungsindex liegt je nach Glasart zwischen 1,5 und 1,66. Wenn wir den Durchschnittswert von 1,55 annehmen, kann die Brechung des Strahls an der Luft-Glas-Grenzfläche mit der Formel berechnet werden:

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

Der Wert n 21 wird als relativer Brechungsindex von Luft - Glas bezeichnet. Wenn der Strahl aus dem Glas in die Luft gelangt, sollte die folgende Formel verwendet werden:

sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1/1,55 \u003d 0,645.

Wenn der Winkel des gebrochenen Strahls im letzteren Fall 90 ° beträgt, wird der entsprechende Winkel als kritisch bezeichnet. Für die Glas-Luft-Grenze ist es gleich:

θ 1 = arcsin(0,645) = 40,17 o.

Trifft der Strahl mit größeren Winkeln als 40,17° auf die Glas-Luft-Grenze, wird er vollständig in das Glas zurückreflektiert. Dieses Phänomen wird als „totale interne Reflexion“ bezeichnet.

Der kritische Winkel existiert nur, wenn sich der Strahl von einem dichten Medium bewegt (von Glas zu Luft, aber nicht umgekehrt).

Brechungsindex

Brechungsindex Substanzen - eine Größe, die dem Verhältnis der Phasengeschwindigkeiten des Lichts (elektromagnetische Wellen) im Vakuum und in einem bestimmten Medium entspricht. Auch für andere Wellen, zum Beispiel Schall, wird manchmal vom Brechungsindex gesprochen, obwohl in solchen Fällen die Definition natürlich irgendwie geändert werden muss.

Der Brechungsindex hängt von den Eigenschaften des Stoffes und der Wellenlänge der Strahlung ab; bei manchen Stoffen ändert sich der Brechungsindex recht stark, wenn sich die Frequenz elektromagnetischer Wellen von niedrigen Frequenzen zu optischen und darüber hinaus ändert, und kann sich auch noch stärker ändern bestimmte Bereiche der Frequenzskala. Die Vorgabe bezieht sich in der Regel auf die optische Reichweite oder die durch den Kontext bestimmte Reichweite.

Links

• RefractiveIndex.INFO Brechungsindexdatenbank

Wikimedia-Stiftung. 2010.

Sehen Sie, was „Brechungsindex“ in anderen Wörterbüchern ist:

Verhältnis zweier Medien n21, dimensionsloses Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten optischer Strahlung (c-Licht) im ersten (c1) und zweiten (c2) Medium: n21 = c1/c2. Gleichzeitig bezieht es sich. P. p. ist das Verhältnis der Sinuswerte von g l a p a d e n i j und y g l ... ... Physische Enzyklopädie

Siehe Brechungsindex...

Siehe Brechungsindex. * * * REFRAKTIONSINDEX REFRAKTIVER INDEX, siehe Brechungsindex (siehe REFRAKTIVER INDEX) ... Enzyklopädisches Wörterbuch- BRECHUNGSINDEX, eine das Medium charakterisierende Größe, die dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit im Medium entspricht (absoluter Brechungsindex). Der Brechungsindex n hängt vom Dielektrikum e und der magnetischen Permeabilität m ab... ... Illustriertes enzyklopädisches Wörterbuch

- (siehe REFRAKTIONSINDEX). Physikalisches enzyklopädisches Wörterbuch. M.: Sowjetische Enzyklopädie. Chefredakteur A. M. Prokhorov. 1983 ... Physische Enzyklopädie

Siehe Brechungsindex... Große sowjetische Enzyklopädie

Das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit in einem Medium (absoluter Brechungsindex). Der relative Brechungsindex von 2 Medien ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Medium, aus dem Licht auf die Grenzfläche fällt, zur Lichtgeschwindigkeit im zweiten... ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch