ИНДЕКС НА ПРЕФРАКЦИЯ(индекс на пречупване) - optical. характеристика на средата, свързана с пречупване на светлинатана границата между две прозрачни оптически хомогенни и изотропни среди по време на прехода от една среда в друга и поради разликата във фазовите скорости на разпространение на светлината в средата.

Стойността на P. p. е равна на съотношението на тези скорости. роднинаП. стр. на тези среди. Ако светлината пада върху втората или първата среда от (където е скоростта на светлината

с) , след това количестватаабсолютен pp от тези средни стойности. В този случай законът за пречупване може да бъде записан във формата където и са ъглите на падане и пречупване. Стойността на абсолютното рр зависи от природата и структурата на веществото, неговатаагрегатно състояние , температура, налягане и т.н. При високи интензитети PP зависи от интензитета на светлината (вж.нелинейна оптика) . В редица вещества P. се променя под въздействието на външни влияния. електрически полета (Ефект на Кер

- в течности и газове; електрооптичен Ефект на Pockels- в кристали).

За дадена среда абсорбционната лента зависи от дължината на светлинната вълна l, а в областта на абсорбционните ленти тази зависимост е аномална (виж фиг. Светлинна дисперсия).При рентген. област, факторът на мощността за почти всички среди е близо до 1, във видимата област за течности и твърди вещества е около 1,5; в IR областта за редица прозрачни среди 4.0 (за Ge). Те се характеризират с две ПП: обикновени (подобни на изотропните среди) и извънредни, чиято величина зависи от ъгъла на падане на лъча и следователно от посоката на разпространение на светлината в средата (виж..

Кристална оптика За среди с абсорбция (по-специално за метали), коефициентът на абсорбция е комплексна стойност и може да бъде представен във формата, където ha е обичайният коефициент на абсорбция и е индексът на абсорбция (вж.Поглъщане на светлина, метална оптика) P. p. е макроскопичен. характеристики на околната среда и е свързан с нея диелектрична константан маг. пропускливост Класически електронна теория (вжСветлинна дисперсия ) ни позволява да свържем стойността на P. p. характеристики на средата – електронен- брой атоми в единица обем.

Електричество, действащо върху атом (молекула). Полето на светлинната вълна предизвиква изместване на оптичната вълна. електрон от равновесно положение; атомът придобива индуктори. диполният момент варира във времето с честотата на падащата светлина и е източник на вторични кохерентни вълни, които. интерферирайки с вълна, падаща върху средата, те образуват получена светлинна вълна, разпространяваща се в средата с фазова скорост и следователно

Интензитетът на конвенционалните (нелазерни) източници на светлина е относително нисък, електрическият интензитет. Полето на светлинната вълна, действаща върху атома, е много по-малко от вътрешноатомната електрическа мощност. полета и електрон в атом може да се разглежда като хармоничен. осцилатор. В това приближение стойността и P. p.

Те са постоянни величини (при дадена честота), независими от интензитета на светлината. В интензивни светлинни потоци, създадени от мощни лазери, електрическата стойност. Полето на светлинната вълна може да бъде съизмеримо с вътрешноатомната електрическа мощност. полета и моделът на хармоничния осцилатор се оказва неприемлив. Отчитането на анхармоничността на силите в системата електрон-атом води до зависимостта на поляризуемостта на атома и следователно на поляризуемостта на частицата от интензитета на светлината. Връзката между и се оказва нелинейна; P. p. могат да бъдат представени във форматаКъдето - P. p. при ниски интензитети на светлината;

(обикновено прието обозначение) - нелинейно добавяне към P. p., или коеф. нелинейност.

P. p. зависи от характера на средата, напр. за силикатни стъкла

P. p. също се влияе от висока интензивност в резултат на ефекта

електрострикция

, промяна на плътността на средата, висока честота за анизотропни молекули (в течност), а също и в резултат на повишаване на температурата, причинено от абсорбция Нека се обърнем към по-подробно разглеждане на индекса на пречупване, който въведохме в §81 при формулирането на закона за пречупване.Коефициентът на пречупване зависи от оптичните свойства както на средата, от която пада лъчът, така и на средата, в която той прониква. Коефициентът на пречупване, получен при падане на светлина от вакуум върху която и да е среда, се нарича абсолютен индекс на пречупване на тази среда.

(фиг. 184). Напротив, при преминаване от втората среда към първата имаме относителен показател на пречупване

Установената връзка между относителния индекс на пречупване на две среди и техните абсолютни показатели на пречупване може да бъде изведена теоретично, без нови експерименти, точно както това може да се направи за закона за обратимостта (§82),

Среда с по-висок коефициент на пречупване се нарича оптически по-плътна. Обикновено се измерва индексът на пречупване различни средиспрямо въздуха. Абсолютният индекс на пречупване на въздуха е. По този начин абсолютният индекс на пречупване на всяка среда е свързан с нейния индекс на пречупване спрямо въздуха по формулата

Таблица 6. Индекс на пречупване на различни вещества спрямо въздуха

Течности

Твърди вещества

вещество

вещество

Етилов алкохол

Въглероден дисулфид

Глицерол

Стъкло (светла корона)

Течен водород

Стъкло (тежък кремък)

Течен хелий

Коефициентът на пречупване зависи от дължината на вълната на светлината, т.е. от нейния цвят. Различните цветове съответстват на различни индекси на пречупване. Това явление, наречено дисперсия, играе важна роляв оптиката. Ще се занимаваме с това явление многократно в следващите глави. Данните, дадени в табл. 6, се отнасят до жълта светлина.

Интересно е да се отбележи, че законът за отражението може да бъде официално написан в същата форма като закона за пречупването. Нека припомним, че се съгласихме винаги да измерваме ъгли от перпендикуляра към съответния лъч. Следователно трябва да считаме, че ъгълът на падане и ъгълът на отражение имат противоположни знаци, т.е. законът за отражение може да бъде написан като

Сравнявайки (83.4) със закона за пречупване, виждаме, че законът за отражение може да се разглежда като специален случайзакон на пречупване при . Това формално сходство на законите за отражение и пречупване е от голяма полза при решаването на практически проблеми.

В предишното изложение индексът на пречупване имаше значението на константа на средата, независимо от интензитета на светлината, преминаваща през нея. Тази интерпретация на коефициента на пречупване е съвсем естествена, но в случай на висок интензитет на излъчване, постижим с помощта на съвременни лазери, тя не е оправдана. Свойствата на средата, през която преминава силно светлинно лъчение, зависят в този случай от нейния интензитет. Както се казва, средата става нелинейна. Нелинейността на средата се проявява по-специално във факта, че светлинна вълна с висок интензитет променя индекса на пречупване. Зависимостта на коефициента на пречупване от интензитета на излъчване има формата

Тук е обичайният индекс на пречупване, и е нелинейният индекс на пречупване, и е факторът на пропорционалност. Допълнителният член в тази формула може да бъде положителен или отрицателен.

Относителните промени в индекса на пречупване са относително малки. При нелинеен индекс на пречупване. Въпреки това, дори такива малки промени в индекса на пречупване са забележими: те се проявяват в особен феномен на самофокусиране на светлината.

Нека разгледаме среда с положителен нелинеен индекс на пречупване. В този случай областите с повишен интензитет на светлината са едновременно области с повишен индекс на пречупване. Обикновено реално лазерно лъчениеРазпределението на интензитета върху напречното сечение на лъча от лъчи е неравномерно: интензитетът е максимален по оста и плавно намалява към краищата на лъча, както е показано на фиг. 185 плътни криви. Подобно разпределение описва и промяната в индекса на пречупване в напречното сечение на клетка с нелинейна среда, по оста на която се разпространява лазерният лъч. Коефициентът на пречупване, който е най-голям по оста на кюветата, плавно намалява към стените й (пунктирани криви на фиг. 185).

Сноп от лъчи, излизащ от лазера успоредно на оста, влизайки в среда с променлив индекс на пречупване, се отклонява в посоката, където е по-голям. Следователно повишеният интензитет в близост до кюветата води до концентрация на светлинни лъчи в тази област, показана схематично в напречни сечения и на фиг. 185, а това води до допълнително увеличение. В крайна сметка ефективното напречно сечение на светлинен лъч, преминаващ през нелинейна среда, е значително намалено. Светлината преминава през тесен канал с висок индекс на пречупване. По този начин лазерният лъч от лъчи се стеснява и нелинейната среда под въздействието на интензивно лъчение действа като събирателна леща. Това явление се нарича самофокусиране. Може да се наблюдава например в течен нитробензен.

ориз. 185. Разпределение на интензитета на излъчване и индекса на пречупване върху напречното сечение на лазерен лъч от лъчи на входа на кюветата (а), близо до входния край (), в средата (), близо до изходния край на кюветата ( )

Няма нищо повече от съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване

Коефициентът на пречупване зависи от свойствата на веществото и дължината на вълната на излъчване; за някои вещества индексът на пречупване се променя доста силно при промяна на честотата електромагнитни вълниот ниски честоти до оптични и отвъд, и може също така да се промени още по-драматично в определени области на честотната скала. По подразбиране обикновено се отнася до оптичния обхват или обхвата, определен от контекста.

Стойността на n, при равни други условия, обикновено е по-малка от единица, когато лъчът преминава от по-плътна среда към по-малко плътна среда, и повече от едно, когато лъчът преминава от по-малко плътна среда към по-плътна среда (например , от газ или от вакуум в течност или твърдо вещество). Има изключения от това правило и затова е обичайно да се нарича среда оптически по-голяма или по-малко плътна от друга (да не се бърка с оптична плътносткато мярка за непрозрачността на средата).

Таблицата показва някои стойности на индекса на пречупване за някои медии:

Среда с по-висок коефициент на пречупване се нарича оптически по-плътна. Обикновено се измерва коефициентът на пречупване на различни среди спрямо въздуха. Абсолютният индекс на пречупване на въздуха е. По този начин абсолютният индекс на пречупване на всяка среда е свързан с нейния индекс на пречупване спрямо въздуха по формулата:

Коефициентът на пречупване зависи от дължината на вълната на светлината, тоест от нейния цвят. Различните цветове съответстват на различни индекси на пречупване. Това явление, наречено дисперсия, играе важна роля в оптиката.

Области на приложение на рефрактометрията.

Устройство и принцип на работа на рефрактометър IRF-22.

Понятието индекс на пречупване.

Планирайте

Рефрактометрия. Характеристика и същност на метода.

За идентифициране на веществата и проверка на тяхната чистота те използват

производител на пречупване.

Индекс на пречупване на вещество- стойност, равна на отношението на фазовите скорости на светлината (електромагнитни вълни) във вакуум и във видима среда.

Коефициентът на пречупване зависи от свойствата на веществото и дължината на вълната

електромагнитно излъчване. Съотношението на синуса на ъгъла на падане спрямо

нормалата, прекарана към равнината на пречупване (α) на лъча към синуса на ъгъла на пречупване

пречупване (β), когато лъч преминава от среда А към среда В, се нарича относителен индекс на пречупване за тази двойка среди.

Стойността n е относителният индекс на пречупване на среда B според

връзка с околната среда А, и

Относителен показател на пречупване на среда А по отношение на

Коефициентът на пречупване на лъч, падащ върху среда от безвъздушно

това пространство се нарича абсолютен показателпречупване или

просто индексът на пречупване на дадена среда (Таблица 1).

Таблица 1 - Показатели на пречупване на различни среди

Течностите имат коефициент на пречупване в диапазона 1,2-1,9. Твърди

вещества 1.3-4.0. Някои минерали нямат точна стойностшоу-

за пречупване. Стойността му е в някаква „вилица“ и определя

поради наличието на примеси в кристалната структура, което определя цвета

кристал.

Идентифицирането на минерал по „цвят“ е трудно. Така минералът корунд съществува под формата на рубин, сапфир, левкосапфир, различаващи се по

индекс на пречупване и цвят. Червените корунди се наричат ​​рубини

(примес на хром), безцветно синьо, светло синьо, розово, жълто, зелено,

лилаво - сапфири (примеси на кобалт, титан и др.). Светъл цвят

бели сапфири или безцветен корунд се нарича левкосапфир (широко

използва се в оптиката като филтър). Индексът на пречупване на тези кристали

стомани е в диапазона 1.757-1.778 и е основата за идентифициране

Фигура 3.1 – Рубин Фигура 3.2 – Син сапфир

Органичните и неорганичните течности също имат характерни стойности на индекса на пречупване, които ги характеризират като химически

Руски съединения и качеството на техния синтез (Таблица 2):

Таблица 2 - Показатели на пречупване на някои течности при 20 °C

4.2. Рефрактометрия: понятие, принцип.

Метод за изследване на вещества, основан на определяне на индикатор



(индекс) на пречупване (рефракция) се нарича рефрактометрия (от

лат. refractus - пречупен и гръцки. metreo - измервам). Рефрактометрия

(рефрактометричен метод) се използва за идентифициране на хим

съединения, количествен и структурен анализ, определяне на физ

химични параметри на веществата. Приложен е принципът на рефрактометрията

в рефрактометрите на Abbe, е илюстрирано на фигура 1.

Фигура 1 - Принцип на рефрактометрията

Блокът с призми на Abbe се състои от две правоъгълни призми: осветление

телиални и измервателни, сгънати от хипотенузни лица. осветител-

Тази призма има грапава (матова) повърхност на хипотенузата и е предназначена

чен за осветяване на проба от течност, поставена между призмите.

Разсеяната светлина преминава през плоскопаралелен слой на изследваната течност и, пречупвайки се в течността, попада върху измервателната призма. Измервателната призма е изработена от оптично плътно стъкло (тежък кремък) и има индекс на пречупване по-голям от 1,7. Поради тази причина рефрактометърът Abbe измерва n стойности, по-малки от 1,7. Увеличаването на обхвата на измерване на индекса на пречупване може да се постигне само чрез подмяна на измервателната призма.

Тестовата проба се излива върху лицето на хипотенузата на измервателната призма и се притиска с осветителна призма. В този случай между призмите, в които се намира пробата, остава празнина от 0,1-0,2 mm и през

която преминава през пречупена светлина. За измерване на индекса на пречупване

използвайте явлението пълно вътрешно отражение. Лежи в

следващия.

Ако лъчи 1, 2, 3 паднат върху интерфейса между две среди, тогава в зависимост

в зависимост от ъгъла на падане при наблюдението им в пречупващата среда ще бъде

Има преход между зони с различна осветеност. Свързано е

като част от светлината пада върху границата на пречупване под ъгъл, близък до

kim до 90° спрямо нормалата (лъч 3). (Фигура 2).

Фигура 2 – Изображение на пречупени лъчи

Тази част от лъчите не се отразява и следователно образува по-лека среда.

мощност по време на пречупване. Лъчите с по-малки ъгли също изпитват отражение

и пречупване. Поради това се образува зона с по-малко осветление. В обем

Граничната линия на пълно вътрешно отражение се вижда на лещата, позицията

което зависи от пречупвателните свойства на пробата.

Елиминирането на явлението дисперсия (оцветяване на интерфейса между две области на осветяване в цветовете на дъгата поради използването на сложна бяла светлина в рефрактометрите на Abbe) се постига чрез използване на две призми Amici в компенсатора, които са монтирани в телескопа . В същото време в обектива се проектира мащаб (Фигура 3). За анализ са достатъчни 0,05 ml течност.

Фигура 3 - Изглед през окуляра на рефрактометъра. (Правилният мащаб отразява

концентрация на измерения компонент в ppm)

В допълнение към анализа на еднокомпонентни проби,

двукомпонентни системи (водни разтвори, разтвори на вещества, в които

или разтворител). В идеалните двукомпонентни системи (формиращи

без промяна на обема и поляризуемостта на компонентите), показва зависимостта

Зависимостта на пречупването от състава е близка до линейната, ако съставът се изразява в

обемни фракции (проценти)

където: n, n1, n2 - показатели на пречупване на сместа и компонентите,

V1 и V2 са обемните части на компонентите (V1 + V2 = 1).

Ефектът на температурата върху индекса на пречупване се определя от две

фактори: промяна в броя на течните частици на единица обем и

зависимостта на поляризуемостта на молекулите от температурата. Вторият фактор стана

става значим само при много големи температурни промени.

Температурният коефициент на индекса на пречупване е пропорционален на температурния коефициент на плътност. Тъй като всички течности се разширяват при нагряване, техните индекси на пречупване намаляват с повишаване на температурата. Температурният коефициент зависи от температурата на течността, но в малки температурни интервали може да се счита за постоянен. Поради тази причина повечето рефрактометри нямат контрол на температурата, но някои конструкции го осигуряват

водно термостатиране.

Линейна екстраполация на индекса на пречупване с температурни промени е приемлива за малки температурни разлики (10 – 20°C).

Точно определениеКоефициентът на пречупване в широк температурен диапазон се изчислява с помощта на емпирични формули от формата:

nt=n0+at+bt2+...

За рефрактометрия на разтвори в широк диапазон на концентрация

използвайте таблици или емпирични формули. Зависимост на дисплея -

коефициент на пречупване на водни разтвори на някои вещества в зависимост от концентрацията

е близка до линейната и дава възможност да се определят концентрациите на тези вещества в

вода в широк диапазон на концентрация (Фигура 4), използвайки пречупване

томометри.

Фигура 4 - Индекс на пречупване на някои водни разтвори

Обикновено n течни и твърди тела се определят с рефрактометри с точност

до 0,0001. Най-често срещаните са рефрактометрите на Abbe (Фигура 5) с призмени блокове и компенсатори на дисперсията, които позволяват nD да се определя в „бяла“ светлина с помощта на скала или цифров индикатор.

Фигура 5 - Рефрактометър на Abbe (IRF-454; IRF-22)