Index lomu

Index lomu látky - hodnota rovnajúca sa pomeru fázových rýchlostí svetla (elektromagnetického vlnenia) vo vákuu a v danom prostredí. O indexe lomu sa niekedy hovorí aj pre akékoľvek iné vlny, napríklad zvuk, hoci v prípadoch, ako je ten druhý, musí byť definícia, samozrejme, nejako upravená.

Index lomu závisí od vlastností látky a vlnovej dĺžky žiarenia, pri niektorých látkach sa index lomu mení pomerne silno, keď sa frekvencia elektromagnetických vĺn mení z nízkych frekvencií na optické a ďalej, a môže sa tiež meniť v určitých oblasti frekvenčnej stupnice. Predvolený je zvyčajne optický rozsah alebo rozsah určený kontextom.

Odkazy

• Databáza indexu lomu RefractiveIndex.INFO

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo je "Index lomu" v iných slovníkoch:

Vo vzťahu k dvom médiám n21, bezrozmerný pomer rýchlostí šírenia optického žiarenia (c veta a) v prvom (c1) a druhom (c2) médiu: n21=c1/c2. Zároveň odkazuje. P. p. je pomer sínusov g a pádu j a pri g l ... ... Fyzická encyklopédia

Pozri index lomu...

Pozri index lomu. * * * INDEX LOMU INDEX lomu, pozri Index lomu (pozri INDEX lomu) … encyklopedický slovník- INDEX lomu, hodnota, ktorá charakterizuje prostredie a rovná sa pomeru rýchlosti svetla vo vákuu k rýchlosti svetla v médiu (absolútny index lomu). Index lomu n závisí od dielektrika e a magnetickej permeability m ... ... Ilustrovaný encyklopedický slovník

- (pozri REFRAKTÍVNY INDIKÁTOR). Fyzický encyklopedický slovník. Moskva: Sovietska encyklopédia. Šéfredaktor A. M. Prochorov. 1983... Fyzická encyklopédia

Pozri index lomu... Veľká sovietska encyklopédia

Pomer rýchlosti svetla vo vákuu k rýchlosti svetla v médiu (absolútny index lomu). Relatívny index lomu 2 médií je pomer rýchlosti svetla v médiu, z ktorého svetlo dopadá na rozhranie k rýchlosti svetla v druhom ... ... Veľký encyklopedický slovník

Lekcia 25/III-1 Šírenie svetla v rôznych médiách. Lom svetla na rozhraní medzi dvoma médiami.

Učenie sa nového materiálu.

Doteraz sme uvažovali o šírení svetla v jednom médiu, ako inak – vo vzduchu. Svetlo sa môže šíriť v rôznych médiách: prechádzať z jedného média do druhého; v miestach dopadu sa lúče od povrchu nielen odrážajú, ale čiastočne ním aj prechádzajú. Takéto prechody spôsobujú veľa krásnych a zaujímavých javov.

Zmena smeru šírenia svetla prechádzajúceho rozhraním dvoch prostredí sa nazýva lom svetla.

Časť svetelného lúča dopadajúceho na rozhranie medzi dvoma priehľadnými médiami sa odráža a časť prechádza do iného média. V tomto prípade sa zmení smer svetelného lúča, ktorý prešiel do iného média. Preto sa jav nazýva lom a lúč sa nazýva lomený.

1 - dopadajúci lúč

2 - odrazený lúč

3 – lomený lúč α β

OO 1 - hranica medzi dvoma médiami

MN - kolmica O O 1

Uhol tvorený lúčom a kolmicou na rozhranie medzi dvoma médiami, znížený do bodu dopadu lúča, sa nazýva uhol lomu. γ (gama).

Svetlo vo vákuu sa pohybuje rýchlosťou 300 000 km/s. V akomkoľvek médiu je rýchlosť svetla vždy nižšia ako vo vákuu. Preto, keď svetlo prechádza z jedného média do druhého, jeho rýchlosť klesá a to je dôvod lomu svetla. Čím nižšia je rýchlosť šírenia svetla v danom prostredí, tým väčšia je optická hustota tohto prostredia. Napríklad vzduch má vyššiu optickú hustotu ako vákuum, pretože rýchlosť svetla vo vzduchu je o niečo nižšia ako vo vákuu. Optická hustota vody je väčšia ako optická hustota vzduchu, pretože rýchlosť svetla vo vzduchu je väčšia ako vo vode.

Čím viac sa optické hustoty dvoch médií líšia, tým viac sa svetlo láme na ich rozhraní. Čím viac sa rýchlosť svetla mení na rozhraní medzi dvoma médiami, tým viac sa láme.

Pre každú priehľadnú látku existuje taká dôležitá fyzikálna charakteristika, akou je index lomu svetla n. Ukazuje, koľkokrát je rýchlosť svetla v danej látke menšia ako vo vákuu.

Index lomu

Pomer medzi uhlom dopadu a uhlom lomu závisí od optickej hustoty každého prostredia. Ak lúč svetla prechádza z média s nižšou optickou hustotou do média s vyššou optickou hustotou, potom bude uhol lomu menší ako uhol dopadu. Ak lúč svetla prechádza z prostredia s vyššou optickou hustotou, potom bude uhol lomu menší ako uhol dopadu. Ak lúč svetla prechádza z média s vyššou optickou hustotou do média s nižšou optickou hustotou, potom je uhol lomu väčší ako uhol dopadu.

To znamená, že ak n 1 y; ak n 1 > n 2, potom α<γ.

Zákon lomu svetla :

Dopadajúci lúč, lomený lúč a kolmica na rozhranie medzi dvoma médiami v bode dopadu lúča ležia v rovnakej rovine.

Pomery uhla dopadu a uhla lomu sú určené vzorcom.

kde je sínus uhla dopadu, je sínus uhla lomu.

Hodnota sínusov a dotyčníc pre uhly 0 - 900

Zákon lomu svetla prvýkrát sformuloval holandský astronóm a matematik W. Snelius okolo roku 1626, profesor na univerzite v Leidene (1613).

Pre 16. storočie bola optika ultramodernou vedou, zo sklenenej gule naplnenej vodou, ktorá sa používala ako šošovka, vznikla lupa. A z toho vynašli ďalekohľad a mikroskop. V tom čase Holandsko potrebovalo ďalekohľady na zobrazenie pobrežia a útek pred nepriateľmi včas. Úspešnosť a spoľahlivosť navigácie zabezpečila optika. Preto sa v Holandsku veľa vedcov zaujímalo o optiku. Holanďan Skel Van Royen (Snelius) pozoroval, ako sa v zrkadle odráža tenký lúč svetla. Zmeral uhol dopadu a uhol odrazu a zistil, že uhol odrazu sa rovná uhlu dopadu. Tiež vlastní zákony odrazu svetla. Vyvodil zákon lomu svetla.

Zvážte zákon lomu svetla.

V ňom - ​​relatívny index lomu druhého média vo vzťahu k prvému, v prípade, že druhé má vysokú optickú hustotu. Ak sa svetlo láme a prechádza prostredím s nižšou optickou hustotou, potom α< γ, тогда

Ak je prvým prostredím vákuum, potom n 1 = 1, potom .

Tento index sa nazýva absolútny index lomu druhého média:

kde je rýchlosť svetla vo vákuu, rýchlosť svetla v danom prostredí.

Dôsledkom lomu svetla v zemskej atmosfére je skutočnosť, že Slnko a hviezdy vidíme mierne nad ich skutočnou polohou. Lom svetla môže vysvetliť výskyt fatamorgánu, dúhy...fenomén lomu svetla je základom princípu fungovania numerických optických zariadení: mikroskopu, ďalekohľadu, fotoaparátu.

Obráťme sa pri formulovaní zákona lomu na podrobnejšiu úvahu o nami zavedenom indexe lomu v § 81.

Index lomu závisí od optických vlastností a prostredia, z ktorého lúč dopadá, a prostredia, do ktorého preniká. Index lomu získaný pri dopade svetla z vákua na médium sa nazýva absolútny index lomu tohto média.

Ryža. 184. Relatívny index lomu dvoch médií:

Nech je absolútny index lomu prvého prostredia a druhého prostredia - . Vzhľadom na lom na rozhraní prvého a druhého prostredia dbáme na to, aby sa index lomu pri prechode z prvého prostredia do druhého, takzvaný relatívny index lomu, rovnal pomeru absolútnych indexov lomu prostredia. druhé a prvé médium:

(Obr. 184). Naopak, pri prechode z druhého prostredia do prvého máme relatívny index lomu

Zistené spojenie medzi relatívnym indexom lomu dvoch prostredí a ich absolútnymi indexmi lomu by sa dalo odvodiť aj teoreticky, bez nových experimentov, rovnako ako pre zákon reverzibility (§ 82),

O médiu s vyšším indexom lomu sa hovorí, že je opticky hustejšie. Zvyčajne sa meria index lomu rôznych médií vo vzťahu k vzduchu. Absolútny index lomu vzduchu je . Podľa vzorca teda absolútny index lomu akéhokoľvek média súvisí s jeho indexom lomu vzhľadom na vzduch

Tabuľka 6. Index lomu rôznych látok vo vzťahu k vzduchu

Index lomu závisí od vlnovej dĺžky svetla, teda od jeho farby. Rôzne farby zodpovedajú rôznym indexom lomu. Tento jav, nazývaný disperzia, hrá v optike dôležitú úlohu. Týmto javom sa budeme opakovane zaoberať v ďalších kapitolách. Údaje uvedené v tabuľke. 6, pozri žlté svetlo.

Je zaujímavé poznamenať, že zákon odrazu môže byť formálne napísaný v rovnakej forme ako zákon lomu. Pripomeňme, že sme sa dohodli, že budeme vždy merať uhly od kolmice k príslušnému lúču. Preto musíme uhol dopadu a uhol odrazu považovať za opačné znamienka, t.j. zákon odrazu možno napísať ako

Pri porovnaní (83.4) so ​​zákonom lomu vidíme, že zákon odrazu možno považovať za špeciálny prípad zákona lomu pri . Táto formálna podobnosť medzi zákonmi odrazu a lomu je veľmi užitočná pri riešení praktických problémov.

V predchádzajúcej prezentácii mal index lomu význam konštanty média, nezávisle od intenzity svetla, ktoré ním prechádza. Takáto interpretácia indexu lomu je celkom prirodzená, avšak v prípade vysokých intenzít žiarenia, ktoré je možné dosiahnuť pomocou moderných laserov, nie je opodstatnená. Vlastnosti média, ktorým prechádza silné svetelné žiarenie, v tomto prípade závisia od jeho intenzity. Ako sa hovorí, médium sa stáva nelineárnym. Nelinearita prostredia sa prejavuje najmä tým, že svetelná vlna vysokej intenzity mení index lomu. Závislosť indexu lomu od intenzity žiarenia má tvar

Tu je obvyklý index lomu, a je nelineárny index lomu a je to faktor proporcionality. Dodatočný výraz v tomto vzorci môže byť kladný alebo záporný.

Relatívne zmeny v indexe lomu sú relatívne malé. o nelineárny index lomu. Aj takéto malé zmeny v indexe lomu sú však badateľné: prejavujú sa zvláštnym fenoménom samozaostrovania svetla.

Uvažujme o médiu s pozitívnym nelineárnym indexom lomu. V tomto prípade sú oblasti so zvýšenou intenzitou svetla súčasne oblasťami so zvýšeným indexom lomu. Zvyčajne je v reálnom laserovom žiarení rozloženie intenzity v priereze lúča nerovnomerné: intenzita je maximálna pozdĺž osi a plynule klesá smerom k okrajom lúča, ako je znázornené na obr. 185 pevných kriviek. Podobná distribúcia popisuje aj zmenu indexu lomu na priereze bunky s nelineárnym prostredím, pozdĺž ktorej osi sa šíri laserový lúč. Index lomu, ktorý je najväčší pozdĺž osi bunky, sa smerom k jej stenám postupne znižuje (prerušované krivky na obr. 185).

Lúč lúčov vychádzajúci z lasera rovnobežne s osou, dopadajúci do prostredia s premenlivým indexom lomu, je vychýlený v smere, kde je väčší. Preto zvýšená intenzita v blízkosti bunky OSP vedie ku koncentrácii svetelných lúčov v tejto oblasti, čo je schematicky znázornené v rezoch a na obr. 185, čo vedie k ďalšiemu zvýšeniu . V konečnom dôsledku sa efektívny prierez svetelného lúča prechádzajúceho cez nelineárne médium výrazne znižuje. Svetlo prechádza akoby cez úzky kanál so zvýšeným indexom lomu. Laserový lúč sa teda zužuje a nelineárne médium pôsobí pri pôsobení intenzívneho žiarenia ako zbiehavá šošovka. Tento jav sa nazýva samozaostrovanie. Dá sa pozorovať napríklad v kvapalnom nitrobenzéne.

Ryža. 185. Rozloženie intenzity žiarenia a indexu lomu cez prierez laserového lúča na vstupe do kyvety (a), blízko vstupného konca (), v strede (), blízko výstupného konca kyvety ()

Tento článok odhaľuje podstatu takej koncepcie optiky, ako je index lomu. Uvádzajú sa vzorce na získanie tejto hodnoty, uvádza sa stručný prehľad aplikácie javu lomu elektromagnetickej vlny.

Schopnosť vidieť a index lomu

Na úsvite civilizácie si ľudia kládli otázku: ako vidí oko? Predpokladalo sa, že človek vyžaruje lúče, ktoré cítia okolité predmety, alebo naopak, všetky veci takéto lúče vyžarujú. Odpoveď na túto otázku dostala v sedemnástom storočí. Je obsiahnutý v optike a súvisí s tým, čo je index lomu. Svetlo, ktoré sa odráža od rôznych nepriehľadných povrchov a láme sa na hranici s priehľadnými, dáva človeku príležitosť vidieť.

Svetlo a index lomu

Naša planéta je zahalená svetlom Slnka. A práve s vlnovou povahou fotónov je spojený taký pojem ako absolútny index lomu. Keď sa fotón šíri vo vákuu, nenarazí na žiadne prekážky. Na planéte sa svetlo stretáva s mnohými rôznymi hustejšími médiami: atmosférou (zmes plynov), vodou, kryštálmi. Keďže ide o elektromagnetické vlnenie, fotóny svetla majú vo vákuu jednu fázovú rýchlosť (označené ako c) a v životnom prostredí - ďalšie (označené v). Pomer prvého a druhého je to, čo sa nazýva absolútny index lomu. Vzorec vyzerá takto: n = c / v.

Fázová rýchlosť

Stojí za to uviesť definíciu fázovej rýchlosti elektromagnetického média. Inak pochopte, čo je index lomu n, je zakázané. Fotón svetla je vlna. Dá sa teda reprezentovať ako balík energie, ktorý osciluje (predstavte si segment sínusoidy). Fáza - toto je segment sínusoidy, ktorý vlna prechádza v danom čase (pripomeňme, že je to dôležité pre pochopenie takej veličiny, ako je index lomu).

Fáza môže byť napríklad maximálne sínusoida alebo nejaký segment jej sklonu. Fázová rýchlosť vlny je rýchlosť, ktorou sa daná fáza pohybuje. Ako vysvetľuje definícia indexu lomu, pre vákuum a pre médium sa tieto hodnoty líšia. Navyše, každé prostredie má svoju vlastnú hodnotu tejto veličiny. Akákoľvek transparentná zlúčenina, bez ohľadu na jej zloženie, má index lomu odlišný od všetkých ostatných látok.

Absolútny a relatívny index lomu

Vyššie už bolo ukázané, že absolútna hodnota sa meria vzhľadom na vákuum. Na našej planéte je to však ťažké: svetlo častejšie dopadá na hranicu vzduchu a vody či kremeňa a spinelu. Pre každé z týchto médií, ako je uvedené vyššie, je index lomu odlišný. Vo vzduchu sa fotón svetla pohybuje jedným smerom a má jednu fázovú rýchlosť (v 1), ale keď vstúpi do vody, zmení smer šírenia a fázovú rýchlosť (v 2). Oba tieto smery však ležia v rovnakej rovine. Je to veľmi dôležité pre pochopenie toho, ako sa obraz okolitého sveta vytvára na sietnici oka alebo na matrici fotoaparátu. Pomer dvoch absolútnych hodnôt udáva relatívny index lomu. Vzorec vyzerá takto: n 12 \u003d v 1 / v 2.

Ale čo ak svetlo naopak vychádza z vody a dostáva sa do vzduchu? Potom bude táto hodnota určená vzorcom n 21 = v 2 / v 1. Pri vynásobení relatívnych indexov lomu dostaneme n 21 * n 12 \u003d (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) \u003d 1. Tento pomer platí pre akýkoľvek pár médií. Relatívny index lomu možno zistiť zo sínusov uhlov dopadu a lomu n 12 = sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2. Nezabudnite, že uhly sa počítajú od normály k povrchu. Normála je čiara, ktorá je kolmá na povrch. Teda ak je problému daný uhol α klesajúcej vzhľadom na samotný povrch, potom je potrebné zvážiť sínus (90 - α).

Krása indexu lomu a jeho aplikácie

Počas pokojného slnečného dňa sa na dne jazera hrajú odlesky. Skalu pokrýva tmavomodrý ľad. Na ženskej ruke diamant rozptyľuje tisíce iskier. Tieto javy sú dôsledkom toho, že všetky hranice transparentných médií majú relatívny index lomu. Okrem estetického potešenia je možné tento fenomén využiť aj na praktické aplikácie.

Tu je niekoľko príkladov:

• Sklenená šošovka zbiera lúč slnečného svetla a zapáli trávu.
• Laserový lúč sa zameria na chorý orgán a odreže nepotrebné tkanivo.
• Slnečné svetlo sa láme na starodávnom vitráži a vytvára zvláštnu atmosféru.
• Mikroskop zväčšuje veľmi malé detaily
• Šošovky spektrofotometrov zbierajú laserové svetlo odrazené od povrchu skúmanej látky. Takto je možné pochopiť štruktúru a potom vlastnosti nových materiálov.
• Existuje dokonca projekt fotonického počítača, kde informácie nebudú prenášať elektróny, ako je to teraz, ale fotóny. Pre takéto zariadenie budú určite potrebné refrakčné prvky.

Vlnová dĺžka

Slnko nás však zásobuje fotónmi nielen vo viditeľnom spektre. Infračervené, ultrafialové a röntgenové lúče ľudský zrak nevníma, ale ovplyvňujú náš život. IR lúče nás udržujú v teple, UV fotóny ionizujú hornú vrstvu atmosféry a umožňujú rastlinám produkovať kyslík prostredníctvom fotosyntézy.

A čomu sa rovná index lomu, závisí nielen od látok, medzi ktorými leží hranica, ale aj od vlnovej dĺžky dopadajúceho žiarenia. Z kontextu je zvyčajne jasné, o akú hodnotu ide. Teda, ak kniha uvažuje o röntgenovom žiarení a jeho účinku na človeka, tak n tam je to definované pre tento rozsah. Zvyčajne sa však myslí viditeľné spektrum elektromagnetických vĺn, pokiaľ nie je uvedené inak.

Index lomu a odraz

Ako je zrejmé z vyššie uvedeného, ​​hovoríme o transparentných prostrediach. Ako príklady sme uviedli vzduch, vodu, diamant. Ale čo drevo, žula, plast? Existuje pre nich niečo ako index lomu? Odpoveď je zložitá, ale vo všeobecnosti áno.

V prvom rade by sme mali zvážiť, s akým druhom svetla máme do činenia. Tie médiá, ktoré sú nepriehľadné pre viditeľné fotóny, sú prerezané röntgenovým alebo gama žiarením. To znamená, že ak by sme boli všetci supermanmi, potom by bol pre nás celý svet okolo nás transparentný, ale v rôznej miere. Napríklad steny vyrobené z betónu by neboli hustejšie ako želé a kovové prvky by vyzerali ako kúsky hustejšieho ovocia.

Pre ostatné elementárne častice, mióny, je naša planéta vo všeobecnosti priehľadná skrz naskrz. Svojho času vedci priniesli veľa problémov, aby dokázali samotný fakt ich existencie. Mióny nás každú sekundu prepichnú v miliónoch, ale pravdepodobnosť zrážky aspoň jednej častice s hmotou je veľmi malá a je veľmi ťažké to napraviť. Mimochodom, Bajkal sa čoskoro stane miestom na „chytanie“ miónov. Jeho hlboká a čistá voda je na to ideálna – najmä v zime. Hlavná vec je, že snímače nezamŕzajú. Index lomu betónu, napríklad pre röntgenové fotóny, teda dáva zmysel. Okrem toho je röntgenové ožarovanie látky jednou z najpresnejších a najdôležitejších metód na štúdium štruktúry kryštálov.

Je tiež potrebné pripomenúť, že v matematickom zmysle majú látky, ktoré sú pre daný rozsah nepriehľadné, imaginárny index lomu. Nakoniec je potrebné pochopiť, že teplota látky môže tiež ovplyvniť jej priehľadnosť.

Refrakcia sa nazýva určité abstraktné číslo, ktoré charakterizuje refrakčnú silu akéhokoľvek transparentného média. Je zvykom označovať ho n. Existuje absolútny index lomu a relatívny koeficient.

Prvý sa vypočíta pomocou jedného z dvoch vzorcov:

n = sin α / sin β = const (kde sin α je sínus uhla dopadu a sin β je sínus svetelného lúča vstupujúceho do uvažovaného média z prázdnoty)

n = c / υ λ (kde c je rýchlosť svetla vo vákuu, υ λ je rýchlosť svetla v skúmanom médiu).

Výpočet tu ukazuje, koľkokrát svetlo zmení svoju rýchlosť šírenia v momente prechodu z vákua do priehľadného prostredia. Týmto spôsobom sa určí index lomu (absolútny). Ak chcete zistiť príbuzného, ​​použite vzorec:

To znamená, že sa berú do úvahy absolútne indexy lomu látok rôznych hustôt, ako je vzduch a sklo.

Všeobecne povedané, absolútne koeficienty akýchkoľvek telies, či už plynných, kvapalných alebo pevných, sú vždy väčšie ako 1. V zásade sa ich hodnoty pohybujú od 1 do 2. Táto hodnota môže byť nad 2 len vo výnimočných prípadoch. Hodnota tohto parametra pre niektoré prostredia:

Táto hodnota pri aplikácii na najtvrdšiu prírodnú látku na planéte, diamant, je 2,42. Pri vedeckom výskume atď. sa veľmi často vyžaduje poznať index lomu vody. Tento parameter je 1,334.

Keďže vlnová dĺžka je indikátor, samozrejme, nie konštantný, k písmenu n je priradený index. Jeho hodnota pomáha pochopiť, na ktorú vlnu spektra sa tento koeficient vzťahuje. Pri zvažovaní tej istej látky, ale so zvyšujúcou sa vlnovou dĺžkou svetla sa index lomu zníži. Táto okolnosť spôsobila rozklad svetla na spektrum pri prechode cez šošovku, hranol a pod.

Podľa hodnoty indexu lomu môžete napríklad určiť, koľko jednej látky je rozpustené v inej. To je užitočné napríklad pri varení piva alebo keď potrebujete zistiť koncentráciu cukru, ovocia alebo bobúľ v šťave. Tento ukazovateľ je dôležitý aj pri určovaní kvality ropných produktov a pri šperkoch, keď je potrebné preukázať pravosť kameňa atď.

Bez použitia akejkoľvek látky bude stupnica viditeľná v okuláre prístroja úplne modrá. Ak pustíte obyčajnú destilovanú vodu na hranol, pri správnej kalibrácii prístroja bude hranica modrej a bielej farby prechádzať striktne pozdĺž nulovej značky. Pri skúmaní inej látky sa bude posúvať po stupnici podľa toho, aký má index lomu.