تعیین ضریب شکست مطلق یک محیط. ضریب شکست مطلق
بلیط 75.
قانون بازتاب نور: پرتوهای فرود و منعکس شده و همچنین عمود بر سطح مشترک بین دو محیط، بازسازی شده در نقطه تابش پرتو، در یک صفحه (صفحه تابش) قرار دارند. زاویه انعکاس γ برابر با زاویه تابش α است.
قانون شکست نور: پرتوهای فرورفته و شکسته و همچنین عمود بر سطح مشترک بین دو محیط، بازسازی شده در نقطه تابش پرتو، در یک صفحه قرار دارند. نسبت سینوس زاویه تابش α به سینوس زاویه شکست β یک مقدار ثابت برای دو محیط معین است:
قوانین بازتاب و شکست در فیزیک موج توضیح داده شده است. بر اساس مفاهیم موج، شکست نتیجه تغییر در سرعت انتشار امواج هنگام عبور از یک محیط به رسانه دیگر است. معنای فیزیکی ضریب شکستنسبت سرعت انتشار امواج در محیط اول υ 1 به سرعت انتشار آنها در محیط دوم υ 2 است:
شکل 3.1.1 قوانین بازتاب و شکست نور را نشان می دهد.
محیطی با ضریب شکست مطلق کمتر از نظر نوری چگالی کمتر نامیده می شود.
هنگامی که نور از یک محیط نوری متراکم تر به یک محیط نوری کم تراکم n 2 می رسد.< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать پدیده بازتاب کامل، یعنی ناپدید شدن پرتو شکسته. این پدیده در زوایای فرود بیش از یک زاویه بحرانی خاص α pr مشاهده می شود که به آن می گویند زاویه محدود بازتاب داخلی کل(شکل 3.1.2 را ببینید).
برای زاویه تابش α = α pr sin β = 1; مقدار sin α pr = n 2 / n 1< 1.
اگر محیط دوم هوا باشد (n 2 ≈ 1) ، بازنویسی فرمول به شکل راحت است.
پدیده بازتاب داخلی کامل در بسیاری از دستگاه های نوری استفاده می شود. جالب‌ترین و از نظر عملی مهم‌ترین کاربرد، ایجاد فیبرهای نوری است که رشته‌های نازک (از چند میکرومتر تا میلی‌متر) منحنی خودسرانه از مواد شفاف نوری (شیشه، کوارتز) هستند. نوری که روی انتهای راهنمای نور می‌افتد به دلیل بازتاب کلی داخلی از سطوح جانبی می‌تواند در طول آن در فواصل طولانی منتشر شود (شکل 3.1.3). جهت علمی و فنی مربوط به توسعه و کاربرد راهنماهای نوری نوری فیبر نوری نامیده می شود.
پراکندگی نور (تجزیه نور)- این پدیده ای است که به دلیل وابستگی ضریب شکست مطلق یک ماده به فرکانس (یا طول موج) نور (پراکندگی فرکانس) یا همان وابستگی سرعت فاز نور در یک ماده به طول موج (یا فرکانس). در حوالی سال 1672 توسط نیوتن به طور تجربی کشف شد، اگرچه از نظر تئوری بسیار خوب توضیح داده شد.
پراکندگی فضاییوابستگی تانسور ثابت دی الکتریک محیط به بردار موج نامیده می شود. این وابستگی باعث ایجاد تعدادی پدیده به نام اثرات قطبش فضایی می شود.
یکی از واضح ترین نمونه های پراکندگی - تجزیه نور سفیدهنگام عبور از منشور (آزمایش نیوتن). ماهیت پدیده پراکندگی تفاوت در سرعت انتشار پرتوهای نور با طول موج های مختلف در یک ماده شفاف - یک محیط نوری است (در حالی که در خلاء سرعت نور بدون توجه به طول موج و بنابراین رنگ همیشه یکسان است). به طور معمول، هر چه فرکانس موج نور بیشتر باشد، ضریب شکست محیط برای آن بیشتر و سرعت موج در محیط کمتر است:
آزمایشات نیوتن آزمایش بر روی تجزیه نور سفید به یک طیف: 
نیوتن پرتوی از نور خورشید را از طریق سوراخ کوچکی به یک منشور شیشه ای هدایت کرد. هنگام برخورد با منشور، پرتو شکسته شد و در دیوار مقابل تصویری دراز با تناوب رنگین کمان رنگ - یک طیف ایجاد کرد. گذر نور تک رنگ از یک منشور را آزمایش کنید:
نیوتن شیشه قرمز رنگی را در مسیر پرتو خورشید قرار داد که در پشت آن نور تک رنگ (قرمز) دریافت کرد و سپس یک منشور را دریافت کرد و تنها نقطه قرمز پرتو نور را روی صفحه مشاهده کرد. تجربه در سنتز (تولید) نور سفید:ابتدا نیوتن پرتوی از نور خورشید را به یک منشور هدایت کرد. سپس، با جمع آوری پرتوهای رنگی بیرون آمده از منشور با استفاده از یک عدسی جمع آوری، نیوتن به جای یک نوار رنگی، تصویر سفیدی از یک سوراخ روی دیوار سفید دریافت کرد. نتیجه گیری نیوتن:- یک منشور نور را تغییر نمی دهد، بلکه فقط آن را به اجزای خود تجزیه می کند - پرتوهای نوری که از نظر رنگ متفاوت هستند در درجه انکسار متفاوت هستند. پرتوهای بنفش شدیدتر، قرمزها با شدت کمتری می شکنند - نور قرمز که کمتر می شکند، بیشترین سرعت را دارد و بنفش کمترین را دارد، به همین دلیل است که منشور نور را تجزیه می کند. وابستگی ضریب شکست نور به رنگ آن پراکندگی نامیده می شود.
نتیجه گیری:- منشور نور را تجزیه می کند - نور سفید پیچیده است (کامپوزیت) - پرتوهای بنفش شدیدتر از قرمز شکسته می شوند. رنگ پرتو نور با فرکانس ارتعاش آن تعیین می شود. هنگام حرکت از یک محیط به رسانه دیگر، سرعت نور و طول موج تغییر می کند، اما فرکانس تعیین کننده رنگ ثابت می ماند. مرزهای محدوده نور سفید و اجزای آن معمولاً با طول موج آنها در خلاء مشخص می شود. نور سفید مجموعه ای از امواج با طول 380 تا 760 نانومتر است.
بلیط 77.
جذب نور. قانون بوگر
جذب نور در یک ماده با تبدیل انرژی میدان الکترومغناطیسی موج به انرژی حرارتی ماده (یا به انرژی تابش نوری ثانویه) مرتبط است. قانون جذب نور (قانون بوگر) به شکل زیر است:
I=I 0 exp(- ایکس)،(1)
جایی که من 0 , من- شدت نور در ورودی (x=0)و لایه با ضخامت متوسط را ترک کنید ایکس، - ضریب جذب بستگی به دارد .
برای دی الکتریک =10 -1 10 -5 متر -1 ، برای فلزات =10 5 10 7 متر -1 , بنابراین فلزات نسبت به نور مات هستند.
وابستگی ( ) رنگ اجسام جذب کننده را توضیح می دهد. به عنوان مثال، شیشه ای که نور قرمز را ضعیف جذب می کند، وقتی با نور سفید روشن شود، قرمز به نظر می رسد.
پراکندگی نور. قانون رایلی
پراش نور می تواند در یک محیط نوری ناهمگن، به عنوان مثال در یک محیط کدر (دود، مه، هوای غبارآلود و غیره) رخ دهد. امواج نور با پراش بر روی ناهمگونی های محیط، یک الگوی پراش ایجاد می کنند که با توزیع نسبتاً یکنواخت شدت در همه جهات مشخص می شود.
این پراش توسط ناهمگنی های کوچک نامیده می شود پراکندگی نور
این پدیده زمانی مشاهده می شود که یک پرتو باریک از نور خورشید از هوای غبارآلود عبور کرده، روی ذرات غبار پراکنده شده و قابل مشاهده می شود.
اگر اندازه ناهمگنی ها در مقایسه با طول موج کوچک باشد (بیشتر از 0,1 ، سپس شدت نور پراکنده شده با توان چهارم طول موج نسبت معکوس دارد، یعنی.
من دیس ~ 1/ 4 , (2)
این وابستگی را قانون ریلی می نامند.
پراکندگی نور در محیط های تمیزی که حاوی ذرات خارجی نیستند نیز مشاهده می شود. به عنوان مثال، می تواند در نوسانات (انحرافات تصادفی) چگالی، ناهمسانگردی یا غلظت رخ دهد. به این نوع پراکندگی، پراکندگی مولکولی می گویند. به عنوان مثال، رنگ آبی آسمان را توضیح می دهد. در واقع، طبق (2)، پرتوهای آبی و آبی شدیدتر از قرمز و زرد پراکنده می شوند، زیرا طول موج کوتاه تری دارند و در نتیجه باعث رنگ آبی آسمان می شوند.
بلیط 78.
قطبش نور- مجموعه ای از پدیده های نوری موج که در آنها ماهیت عرضی امواج نور الکترومغناطیسی آشکار می شود. موج عرضی- ذرات محیط در جهت عمود بر جهت انتشار موج نوسان می کنند ( عکس. 1).
عکس. 1 موج عرضی
موج نور الکترومغناطیسی صفحه قطبی است(پلاریزاسیون خطی)، اگر جهت نوسان بردارهای E و B کاملاً ثابت باشد و در صفحات خاصی قرار داشته باشد. عکس. 1). موج نور پلاریزه صفحه ای نامیده می شود صفحه قطبی استنور (پلاریزه خطی). غیر قطبیموج (طبیعی) - یک موج نور الکترومغناطیسی که در آن جهت نوسان بردارهای E و B در این موج می تواند در هر صفحه عمود بر بردار سرعت v قرار گیرد. نور غیر قطبی- امواج نوری که در آنها جهت نوسانات بردارهای E و B بطور آشفته تغییر می کند به طوری که تمام جهات نوسانات در صفحات عمود بر پرتو انتشار موج به یک اندازه محتمل است. شکل 2).
شکل 2 نور غیر قطبی
امواج قطبی شده- که در آن جهت بردارهای E و B بدون تغییر در فضا می مانند یا طبق قانون خاصی تغییر می کنند. تابشی که در آن جهت بردار E به طور آشفته تغییر می کند - غیر قطبی. نمونه ای از این تشعشعات، تابش حرارتی (اتم ها و الکترون های پر هرج و مرج) است. صفحه پلاریزاسیون- این صفحه ای عمود بر جهت نوسانات بردار E است. مکانیسم اصلی برای وقوع تابش قطبی شده پراکندگی تابش توسط الکترون ها، اتم ها، مولکول ها و ذرات غبار است.
1.2. انواع پلاریزاسیونسه نوع پلاریزاسیون وجود دارد. بیایید به آنها تعاریفی بدهیم. 1. خطی اگر بردار الکتریکی E موقعیت خود را در فضا حفظ کند رخ می دهد. به نظر می رسد صفحه ای را که بردار E در آن نوسان می کند برجسته می کند. 2. دایره ای این پلاریزاسیون زمانی اتفاق می افتد که بردار الکتریکی E در حول جهت انتشار موج با سرعت زاویه ای برابر با فرکانس زاویه ای موج می چرخد و در عین حال مقدار مطلق خود را حفظ می کند. این قطبش جهت چرخش بردار E را در صفحه ای عمود بر خط دید مشخص می کند. به عنوان مثال تابش سیکلوترون (سیستمی از الکترون‌ها که در میدان مغناطیسی می‌چرخند). 3. بیضوی زمانی اتفاق می افتد که بزرگی بردار الکتریکی E تغییر می کند به طوری که یک بیضی را توصیف می کند (چرخش بردار E). قطبش بیضوی و دایره ای می تواند سمت راست باشد (بردار E در جهت عقربه های ساعت می چرخد وقتی به سمت موج منتشر می شود) و به سمت چپ (بردار E در خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخد وقتی به سمت موج منتشر می شود).
در واقعیت، اغلب اتفاق می افتد قطبش جزئی (امواج الکترومغناطیسی تا حدی قطبی شده). از نظر کمی، با یک مقدار مشخص مشخص می شود که نامیده می شود درجه قطبی شدن آر، که به این صورت تعریف می شود: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin)جایی که ایمکس,من- بالاترین و کمترین چگالی شار انرژی الکترومغناطیسی از طریق آنالایزر (پلاروید، منشور نیکلاس...). در عمل، قطبش تابش اغلب با پارامترهای استوکس توصیف می شود (آنها شار تابش را با جهت قطبش معین تعیین می کنند).
بلیط 79.
اگر نور طبیعی روی سطح مشترک بین دو دی الکتریک (مثلاً هوا و شیشه) بیفتد، بخشی از آن منعکس می شود و بخشی از آن شکسته شده و در محیط دوم پخش می شود. با نصب آنالایزر (مثلا تورمالین) در مسیر پرتوهای بازتابی و شکسته، اطمینان حاصل می کنیم که پرتوهای منعکس شده و شکسته تا حدی قطبی شده اند: هنگامی که آنالایزر به دور پرتوها می چرخد، شدت نور به طور متناوب افزایش و ضعیف می شود. خاموش کردن کامل مشاهده نمی شود!). مطالعات بیشتر نشان داد که در پرتو بازتابی، ارتعاشات عمود بر صفحه تابش غالب است (آنها با نقاط در شکل 275 نشان داده شده اند)، در حالی که در پرتو شکسته، ارتعاشات موازی با صفحه تابش (به تصویر کشیده شده با فلش) غالب است.
درجه پلاریزاسیون (درجه جدایی امواج نور با جهت گیری مشخص بردار الکتریکی (و مغناطیسی)) به زاویه تابش پرتوها و ضریب شکست بستگی دارد. فیزیکدان اسکاتلندی دی بروستر(1781-1868) نصب شده است قانون، که بر اساس آن در زاویه بروز من B (زاویه بروستر)، تعیین شده توسط رابطه
(n 21 - ضریب شکست محیط دوم نسبت به اول) پرتو منعکس شده پلاریزه شده است(فقط شامل ارتعاشات عمود بر صفحه تابش است) (شکل 276). پرتو شکسته در زاویه تابشمنب قطبی شده به حداکثر، اما نه به طور کامل.
اگر نور به یک رابط در زاویه بروستر برخورد کند، آنگاه پرتوهای منعکس شده و شکسته می شوند عمود بر یکدیگر(tg منب = گناه من B/cos منب n 21 = گناه منب / گناه من 2 (من 2 - زاویه شکست)، از آنجا cos منب = گناه من 2). از این رو، منب + من 2 = /2، اما من’ B= من B (قانون بازتاب)، بنابراین من’ B+ من 2 = /2.
اگر شرایط مرزی میدان الکترومغناطیسی را در فصل مشترک بین دو دی الکتریک همسانگرد در نظر بگیریم، می توان درجه قطبش نور منعکس شده و شکست در زوایای تابش مختلف را از معادلات ماکسول محاسبه کرد. فرمول های فرنل).
درجه پلاریزاسیون نور شکسته را می توان به طور قابل توجهی افزایش داد (با انکسار چندگانه، مشروط بر اینکه نور هر بار به سطح مشترک در زاویه بروستر برخورد کند). اگر مثلاً برای شیشه ( n= 1.53) درجه پلاریزاسیون پرتو شکسته 15٪ است، سپس پس از شکست در 8-10 صفحه شیشه ای که روی یکدیگر قرار گرفته اند، نور خارج شده از چنین سیستمی تقریباً کاملاً قطبی می شود. چنین مجموعه ای از صفحات نامیده می شود پا.از پا می توان برای تجزیه و تحلیل نور پلاریزه هم در حین بازتاب و هم در هنگام شکست آن استفاده کرد.
بلیط 79 (برای Spur)
همانطور که تجربه نشان می دهد، در هنگام شکست و انعکاس نور، نور شکسته و منعکس شده قطبی می شود و بازتاب. نور را می توان به طور کامل در یک زاویه تابش خاص قطبی کرد، اما اتفاقا. بر اساس فرمول های فرینل، نور همیشه تا حدی قطبی شده است. نور در صفحه ای عمود بر صفحه تابش قطبی شده و شکسته می شود. نور در صفحه ای موازی با صفحه تابش قطبی شده است.
زاویه تابش که در آن انعکاس نور به طور کامل قطبی شده است زاویه بروستر از قانون بروستر تعیین می شود: - در این مورد، زاویه بین انعکاس. و شکست. پرتوها برای یک سیستم شیشه ای هوا برابر است. ، هنگام شکست نور از سطوح خوراکی زیادی استفاده می شود که به آنها Stoletov’s Stop می گویند.
بلیط 80.
تجربه نشان می دهد که هنگام تعامل نور با ماده، اثر اصلی (فیزیولوژیکی، فتوشیمیایی، فوتوالکتریک و ...) ناشی از نوسانات بردار است که از این نظر گاهی اوقات بردار نور نامیده می شود. بنابراین، برای توصیف الگوهای پلاریزاسیون نور، رفتار بردار پایش می شود.
صفحه ای که توسط بردارها تشکیل می شود و صفحه قطبش نامیده می شود.
اگر نوسانات برداری در یک صفحه ثابت رخ دهد، چنین نوری (پرتو) قطبی خطی نامیده می شود. به طور معمول به شرح زیر تعیین می شود. اگر پرتو در یک صفحه عمود قطبی شده باشد (در صفحه xoz، شکل را ببینید. 2 در سخنرانی دوم)، سپس تعیین می شود.
نور طبیعی (از منابع معمولی، خورشید) از امواجی تشکیل شده است که صفحات قطبش متفاوت و پر هرج و مرج توزیع شده دارند (شکل 3 را ببینید).
نور طبیعی گاهی اوقات به طور معمول به این عنوان تعیین می شود. به آن غیر قطبی نیز می گویند.
اگر در حین انتشار موج، بردار بچرخد و انتهای بردار دایره ای را توصیف کند، چنین نوری قطبی شده دایره ای و قطبش دایره ای یا دایره ای (راست یا چپ) نامیده می شود. پلاریزاسیون بیضوی نیز وجود دارد.
دستگاه های نوری (فیلم ها، صفحات و غیره) وجود دارد - پلاریزه کننده هاکه نور پلاریزه خطی یا نور نیمه قطبی شده را از نور طبیعی استخراج می کند.
پلاریزه کننده هایی که برای تجزیه و تحلیل قطبش نور استفاده می شوند نامیده می شوند آنالیزورها.
صفحه پلاریزه کننده (یا آنالایزر) صفحه پلاریزاسیون نوری است که توسط پلاریزه کننده (یا آنالایزر) منتقل می شود.
اجازه دهید نور پلاریزه خطی با دامنه روی یک پلاریزه کننده (یا تحلیلگر) بیفتد. E 0 . دامنه نور عبوری برابر خواهد بود E=E 0 cos j، و شدت I=I 0 cos 2 j
این فرمول بیان می کند قانون مالوس:
شدت نور پلاریزه خطی که از آنالایزر عبور می کند با مجذور کسینوس زاویه متناسب است. jبین صفحه نوسان نور فرودی و صفحه تحلیلگر.
بلیط 80 (برای اسپور)
آنالایزرها دستگاه هایی هستند که می توانند نور قطبی شده را تجزیه و تحلیل کنند قطبشگر، اگر نور طبیعی -th باشد، همه جهات بردار E به یک اندازه محتمل است، هر بردار را می توان به دو جزء متقابل عمود بر هم تجزیه کرد: یکی از آنها موازی با صفحه پلاریزاسیون است و دیگری عمود بر. آی تی.
بدیهی است که شدت نور خروجی از قطبشگر برابر خواهد بود یک زاویه با صفحه اصلی پلاریزه کننده، سپس شدت نور خارج شده از آنالایزر توسط قانون تعیین می شود.
بلیط 81.
فیزیکدان شوروی P. A. Cherenkov هنگام مطالعه درخشش محلول نمک های اورانیوم تحت تأثیر پرتوهای رادیوم توجه خود را به این واقعیت جلب کرد که خود آب نیز می درخشد که در آن نمک اورانیوم وجود ندارد. معلوم شد که وقتی پرتوها (نگاه کنید به تابش گاما) از مایعات خالص عبور می کنند، همه آنها شروع به درخشش می کنند. S. I. Vavilov، که تحت رهبری او P. A. Cherenkov کار می کرد، این فرضیه را مطرح کرد که درخشش با حرکت الکترون هایی که توسط کوانتوم های رادیوم از اتم ها حذف می شوند، مرتبط است. در واقع، درخشش شدیداً به جهت میدان مغناطیسی در مایع بستگی دارد (این نشان می دهد که در اثر حرکت الکترون ها ایجاد شده است).
اما چرا الکترون هایی که در یک مایع حرکت می کنند نور ساطع می کنند؟ پاسخ صحیح به این سوال در سال 1937 توسط فیزیکدانان شوروی I. E. Tamm و I. M. Frank داده شد.
یک الکترون که در یک ماده حرکت می کند با اتم های اطراف آن برهمکنش می کند. تحت تأثیر میدان الکتریکی آن، الکترون‌ها و هسته‌های اتمی در جهت مخالف جابه‌جا می‌شوند - محیط قطبی می‌شود. قطبی شده و سپس به حالت اولیه خود باز می گردند، اتم های محیط واقع در امتداد مسیر الکترون امواج نور الکترومغناطیسی ساطع می کنند. اگر سرعت الکترون v کمتر از سرعت انتشار نور در محیط (ضریب شکست) باشد، میدان الکترومغناطیسی از الکترون سبقت می‌گیرد و ماده زمان دارد تا در فضا جلوتر از الکترون قطبی شود. قطبش محیط در مقابل الکترون و پشت آن در جهت مخالف است و تابش اتم های قطبی شده مخالف، "اضافه شده"، یکدیگر را "خاموش می کند". هنگامی که اتم هایی که هنوز الکترون به آنها نرسیده است، فرصت قطبی شدن ندارند و تابش در امتداد یک لایه مخروطی باریک با راس منطبق با الکترون متحرک و یک زاویه در راس c هدایت می شود. ظاهر "مخروط" نور و شرایط تابش را می توان از اصول کلی انتشار موج بدست آورد.
برنج. 1. مکانیسم تشکیل جبهه موج
اجازه دهید الکترون در امتداد محور OE حرکت کند (شکل 1 را ببینید) یک کانال خالی بسیار باریک در یک ماده شفاف همگن با ضریب شکست (کانال خالی مورد نیاز است تا برخورد الکترون با اتم ها در نظر گرفته نشود. ملاحظات نظری). هر نقطه از خط OE که به طور متوالی توسط یک الکترون اشغال شود، مرکز تابش نور خواهد بود. امواجی که از نقاط متوالی O، D، E سرچشمه می‌گیرند، با یکدیگر تداخل دارند و اگر اختلاف فاز بین آنها صفر باشد، تقویت می‌شوند (به تداخل مراجعه کنید). این شرط برای جهتی که با مسیر حرکت الکترون زاویه 0 ایجاد می کند، برقرار است. زاویه 0 با رابطه: تعیین می شود.
در واقع، اجازه دهید دو موج را در نظر بگیریم که در یک جهت با زاویه 0 نسبت به سرعت الکترون از دو نقطه از مسیر - نقطه O و نقطه D که با فاصله از هم جدا شده اند، ساطع شده اند. در نقطه B، واقع در خط BE، عمود بر OB، اولین موج در - بعد از زمان به نقطه F، واقع در خط BE، یک موج ساطع شده از نقطه در لحظه زمانی پس از انتشار موج از نقطه O خواهد رسید. این دو موج در فاز خواهند بود، یعنی خط مستقیم یک جبهه موج خواهد بود اگر این زمان ها برابر باشند. که شرط برابری زمان ها را می دهد. در تمام جهاتی که به دلیل تداخل امواج ساطع شده از بخش هایی از مسیر که با فاصله D از هم جدا شده اند، نور خاموش می شود. مقدار D با معادله آشکار تعیین می شود که در آن T دوره نوسانات نور است. این معادله همیشه یک راه حل دارد اگر.
اگر , پس جهتی که امواج ساطع شده در هنگام تداخل تقویت می شوند وجود ندارد و نمی تواند بزرگتر از 1 باشد.
برنج. 2. توزیع امواج صوتی و تشکیل موج ضربه ای در حین حرکت بدن
تشعشع تنها در صورتی مشاهده می شود که .
به طور تجربی، الکترون ها در یک زاویه جامد محدود پرواز می کنند، با سرعت کمی پخش می شوند، و در نتیجه، تابش در یک لایه مخروطی نزدیک به جهت اصلی تعیین شده توسط زاویه منتشر می شود.
در بررسی خود، از کند شدن الکترون غافل شدیم. این کاملاً قابل قبول است، زیرا تلفات ناشی از تشعشعات واویلوف-سرنکوف اندک است و با تقریب اول، می‌توان فرض کرد که انرژی از دست رفته توسط الکترون بر سرعت آن تأثیر نمی‌گذارد و به طور یکنواخت حرکت می‌کند. این تفاوت اساسی و غیرعادی تشعشعات واویلف-چرنکوف است. به طور معمول، بارها در حالی که شتاب قابل توجهی را تجربه می کنند منتشر می کنند.
الکترونی که از نور خود پیشی می گیرد شبیه به هواپیمایی است که با سرعتی بیشتر از سرعت صوت پرواز می کند. در این حالت، یک موج صوتی ضربه ای مخروطی نیز در جلوی هواپیما منتشر می شود (شکل 2 را ببینید).
شکست یک عدد انتزاعی مشخص است که توانایی انکساری هر محیط شفاف را مشخص می کند. مرسوم است که آن را n نشان می دهند. ضریب شکست مطلق و ضریب نسبی وجود دارد.
اولی با استفاده از یکی از دو فرمول محاسبه می شود:
n = sin α / sin β = const (که sin α سینوس زاویه تابش است و sin β سینوس پرتو نوری است که از فضای خالی وارد محیط مورد نظر می شود)
n = c / υ λ (که در آن c سرعت نور در خلاء است، υ λ سرعت نور در محیط مورد مطالعه است).
در اینجا محاسبه نشان می دهد که نور در لحظه انتقال از خلاء به یک محیط شفاف چند بار سرعت انتشار خود را تغییر می دهد. این ضریب شکست (مطلق) را تعیین می کند. برای پیدا کردن نسبی، از فرمول استفاده کنید:
یعنی ضریب شکست مطلق مواد با چگالی های مختلف مانند هوا و شیشه در نظر گرفته می شود.
به طور کلی، ضرایب مطلق هر جسم، خواه گاز، مایع یا جامد، همیشه بزرگتر از 1 است. اصولاً مقادیر آنها از 1 تا 2 متغیر است. این مقدار فقط در موارد استثنایی می تواند بالاتر از 2 باشد. معنی این پارامتر برای برخی از محیط ها عبارت است از:
این مقدار زمانی که برای سخت ترین ماده طبیعی روی کره زمین، الماس اعمال می شود، 2.42 است. خیلی اوقات هنگام انجام تحقیقات علمی و غیره، دانستن ضریب شکست آب ضروری است. این پارامتر 1.334 است.
از آنجایی که طول موج، البته، یک شاخص متغیر است، یک شاخص به حرف n اختصاص داده می شود. مقدار آن کمک می کند تا بفهمیم این ضریب متعلق به کدام موج طیف است. با در نظر گرفتن یک ماده، اما با افزایش طول موج نور، ضریب شکست کاهش می یابد. این شرایط باعث می شود نور در هنگام عبور از عدسی، منشور و غیره به یک طیف تجزیه شود.
با مقدار ضریب شکست، می توانید تعیین کنید، برای مثال، چه مقدار از یک ماده در ماده دیگر حل شده است. این می تواند مفید باشد، به عنوان مثال، در دم کردن یا زمانی که شما نیاز به دانستن غلظت قند، میوه ها یا انواع توت ها در آب میوه دارید. این شاخص هم در تعیین کیفیت فرآورده های نفتی و هم در جواهرات، در مواقعی که نیاز به اثبات اصالت سنگ و غیره است، اهمیت دارد.
بدون استفاده از هیچ ماده ای، مقیاس قابل مشاهده در چشمی دستگاه کاملا آبی خواهد بود. اگر آب مقطر معمولی را روی منشور بیندازید، اگر ابزار به درستی کالیبره شده باشد، مرز بین رنگ‌های آبی و سفید کاملاً از علامت صفر عبور می‌کند. هنگام مطالعه یک ماده دیگر، با توجه به ضریب شکست مشخصه آن در امتداد مقیاس جابه جا می شود.
این مقاله ماهیت چنین مفهوم اپتیکی مانند ضریب شکست را نشان می دهد. فرمول هایی برای به دست آوردن این کمیت آورده شده است و مروری کوتاه بر کاربرد پدیده شکست امواج الکترومغناطیسی ارائه شده است.
بینایی و ضریب شکست
در طلوع تمدن، مردم این سوال را مطرح کردند که چشم چگونه می بیند؟ پیشنهاد شده است که شخص پرتوهایی از خود ساطع می کند که اشیاء اطراف را احساس می کند یا برعکس، همه چیز چنین پرتوهایی را ساطع می کند. پاسخ به این سوال در قرن هفدهم داده شد. این در اپتیک یافت می شود و به ضریب شکست مربوط می شود. نور با انعکاس از سطوح مختلف کدر و شکست در مرز با سطوح شفاف، فرصت دیدن را به فرد می دهد.
نور و ضریب شکست
سیاره ما در نور خورشید پوشیده شده است. و دقیقاً با ماهیت موجی فوتون ها است که مفهومی مانند ضریب شکست مطلق مرتبط است. با انتشار در خلاء، فوتون با هیچ مانعی روبرو نمی شود. در این سیاره، نور با بسیاری از محیط‌های چگال‌تر مواجه می‌شود: جو (مخلوطی از گازها)، آب، کریستال‌ها. فوتون های نور به عنوان یک موج الکترومغناطیسی دارای یک سرعت فاز در خلاء هستند ج، و در محیط - دیگری (نشان داده شده است v). نسبت اول و دوم چیزی است که ضریب شکست مطلق نامیده می شود. فرمول به این شکل است: n = c / v.
سرعت فاز
ارزش تعریف سرعت فاز محیط الکترومغناطیسی را دارد. در غیر این صورت، درک کنید که ضریب شکست چیست n، ممنوع است. فوتون نور یک موج است. این بدان معنی است که می توان آن را به عنوان بسته ای از انرژی که در نوسان است نشان داد (بخشی از یک موج سینوسی را تصور کنید). فاز بخشی از سینوسی است که موج از آن عبور می کند این لحظهزمان (به یاد داشته باشید که این برای درک کمیتی مانند ضریب شکست مهم است).
برای مثال، فاز ممکن است حداکثر یک سینوسی یا بخشی از شیب آن باشد. سرعت فاز یک موج، سرعتی است که آن فاز خاص با آن حرکت می کند. همانطور که در تعریف ضریب شکست توضیح داده شده است، این مقادیر برای یک خلاء و برای یک محیط متفاوت است. علاوه بر این، هر محیطی ارزش خاص خود را از این کمیت دارد. هر ترکیب شفاف، هر ترکیبی که باشد، دارای ضریب شکستی است که با سایر مواد متفاوت است.
ضریب شکست مطلق و نسبی
قبلاً در بالا نشان داده شد که قدر مطلق نسبت به خلاء اندازه گیری می شود. با این حال، این در سیاره ما دشوار است: نور بیشتر به مرز هوا و آب یا کوارتز و اسپینل برخورد می کند. برای هر یک از این رسانه ها، همانطور که در بالا ذکر شد، ضریب شکست متفاوت است. در هوا، یک فوتون نور در امتداد یک جهت حرکت می کند و دارای یک سرعت فاز (v 1) است، اما هنگامی که به آب می رسد، جهت انتشار و سرعت فاز (v 2) را تغییر می دهد. با این حال، هر دوی این جهت ها در یک صفحه قرار دارند. این برای درک چگونگی شکل گیری تصویر دنیای اطراف بر روی شبکیه چشم یا روی ماتریس دوربین بسیار مهم است. نسبت دو مقدار مطلق ضریب شکست نسبی را نشان می دهد. فرمول به این شکل است: n 12 = v 1 / v 2.
اما اگر برعکس نور از آب خارج شده و وارد هوا شود چه؟ سپس این مقدار با فرمول n 21 = v 2 / v 1 تعیین می شود. هنگام ضرب ضرایب شکست نسبی، n 21 * n 12 = (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) = 1 بدست می آوریم. این رابطه برای هر جفت رسانه معتبر است. ضریب شکست نسبی را می توان از سینوس های زوایای بروز و شکست n 12 = sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2 یافت. فراموش نکنید که زاویه ها از حالت عادی به سطح اندازه گیری می شوند. معمولی خطی عمود بر سطح است. یعنی اگر به مسئله زاویه داده شود α نسبت به خود سطح سقوط می کند، پس باید سینوس (90 - α) را محاسبه کنیم.
زیبایی ضریب شکست و کاربردهای آن
در یک روز آفتابی آرام، بازتاب ها در کف دریاچه بازی می کنند. یخ آبی تیره سنگ را پوشانده است. یک الماس هزاران جرقه را روی دست یک زن می پراکند. این پدیده ها نتیجه این واقعیت است که تمام مرزهای رسانه شفاف دارای ضریب شکست نسبی هستند. علاوه بر لذت زیبایی شناختی، می توان از این پدیده برای کاربردهای عملی نیز استفاده کرد.
در اینجا نمونه هایی وجود دارد:
- یک عدسی شیشه ای پرتوی از نور خورشید را جمع آوری می کند و علف ها را آتش می زند.
- پرتو لیزر بر روی اندام بیمار متمرکز شده و بافت غیر ضروری را قطع می کند.
- نور خورشید بر روی شیشه های رنگی باستانی شکسته شده و فضای خاصی را ایجاد می کند.
- میکروسکوپ تصاویر جزئیات بسیار کوچک را بزرگ می کند.
- لنزهای اسپکتروفتومتر نور لیزر منعکس شده از سطح ماده مورد مطالعه را جمع آوری می کنند. به این ترتیب می توان به ساختار و سپس خواص مواد جدید پی برد.
- حتی پروژه ای برای یک کامپیوتر فوتونیک وجود دارد که در آن اطلاعات نه از طریق الکترون ها، مانند اکنون، بلکه توسط فوتون ها منتقل می شود. چنین وسیله ای قطعا به عناصر انکساری نیاز دارد.
طول موج
با این حال، خورشید نه تنها در طیف مرئی، فوتون های ما را تامین می کند. محدوده مادون قرمز، فرابنفش و اشعه ایکس توسط دید انسان درک نمی شود، اما بر زندگی ما تأثیر می گذارد. اشعه IR ما را گرم می کند، فوتون های UV لایه های بالایی جو را یونیزه می کنند و گیاهان را قادر می سازند تا از طریق فتوسنتز اکسیژن تولید کنند.
و اینکه ضریب شکست برابر است نه تنها به موادی که مرز بین آنها قرار دارد، بلکه به طول موج تابش فرودی نیز بستگی دارد. اینکه ما در مورد چه ارزش دقیقی صحبت می کنیم معمولاً از متن مشخص می شود. یعنی اگر کتاب اشعه ایکس و تاثیر آن بر انسان را بررسی کند، پس nدر آنجا به طور خاص برای این محدوده تعریف شده است. اما معمولاً منظور طیف مرئی امواج الکترومغناطیسی است مگر اینکه چیز دیگری مشخص شود.
ضریب شکست و بازتاب
همانطور که از آنچه در بالا نوشته شد مشخص شد، ما در مورد محیط های شفاف صحبت می کنیم. هوا، آب و الماس را مثال زدیم. اما چوب، گرانیت، پلاستیک چطور؟ آیا چیزی به نام ضریب شکست برای آنها وجود دارد؟ پاسخ پیچیده است، اما به طور کلی - بله.
اول از همه باید در نظر بگیریم که با چه نوع نوری سروکار داریم. آن دسته از محیط‌هایی که برای فوتون‌های مرئی کدر هستند، توسط اشعه ایکس یا تابش گاما بریده می‌شوند. یعنی اگر همه ما ابرمرد بودیم، تمام دنیای اطراف ما برای ما شفاف بود، اما به درجات مختلف. به عنوان مثال، دیوارهای بتنی متراکم تر از ژله نیستند و اتصالات فلزی مانند قطعات میوه متراکم تر به نظر می رسند.
برای ذرات بنیادی دیگر، میون ها، سیاره ما به طور کلی از طریق و از طریق شفاف است. زمانی، دانشمندان برای اثبات واقعیت وجودی خود با مشکلات زیادی روبرو بودند. میلیون ها میون در هر ثانیه ما را سوراخ می کنند، اما احتمال برخورد یک ذره با ماده بسیار کم است و تشخیص آن بسیار دشوار است. به هر حال، بایکال به زودی به مکانی برای "گرفتن" میون ها تبدیل خواهد شد. آب عمیق و شفاف آن برای این کار ایده آل است - به خصوص در زمستان. نکته اصلی این است که سنسورها یخ نمی زنند. بنابراین ضریب شکست بتن، به عنوان مثال، برای فوتون های اشعه ایکس منطقی است. علاوه بر این، تابش یک ماده با اشعه ایکس یکی از دقیق ترین و مهم ترین روش ها برای مطالعه ساختار بلورها است.
همچنین لازم به یادآوری است که از نظر ریاضی، موادی که برای یک محدوده معین مات هستند دارای ضریب شکست خیالی هستند. در نهایت، باید درک کنیم که دمای یک ماده نیز می تواند بر شفافیت آن تأثیر بگذارد.
در درس فیزیک کلاس هشتم، با پدیده شکست نور آشنا شدید. اکنون می دانید که نور امواج الکترومغناطیسی با محدوده فرکانس مشخص است. بر اساس دانش در مورد ماهیت نور، می توانید علت فیزیکی شکست را درک کنید و بسیاری از پدیده های نوری دیگر مرتبط با آن را توضیح دهید.
برنج. 141. با عبور از یک محیط به محیط دیگر، پرتو شکسته می شود، یعنی جهت انتشار را تغییر می دهد.
طبق قانون شکست نور (شکل 141):
- پرتوهای فرورفته، شکسته و عمودی که به سطح مشترک بین دو محیط در نقطه تابش پرتو کشیده شده اند، در یک صفحه قرار دارند. نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست برای این دو محیط یک مقدار ثابت است.
که در آن n 21 ضریب شکست نسبی محیط دوم نسبت به محیط اول است.
اگر پرتو از خلاء به هر محیطی عبور کند، پس
که در آن n ضریب شکست مطلق (یا به سادگی ضریب شکست) محیط دوم است. در این حالت، اولین "واسطه" خلاء است که قدر مطلق آن به عنوان وحدت در نظر گرفته می شود.
قانون شکست نور به طور تجربی توسط دانشمند هلندی ویلبورد اسنلیوس در سال 1621 کشف شد. این قانون در رساله ای در مورد اپتیک تدوین شد که پس از مرگ دانشمند در مقالات او یافت شد.
پس از کشف اسنل، چندین دانشمند این فرضیه را مطرح کردند که شکست نور به دلیل تغییر سرعت آن هنگام عبور از مرز دو رسانه است. اعتبار این فرضیه با اثبات نظری که به طور مستقل توسط ریاضیدان فرانسوی پیر فرما (در سال 1662) و فیزیکدان هلندی کریستیان هویگنس (در سال 1690) انجام شد تأیید شد. آنها از راه های مختلف به یک نتیجه رسیدند و این را ثابت کردند
- نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست یک مقدار ثابت برای این دو محیط است که برابر با نسبت سرعت نور در این محیط ها است:
(3)
از رابطه (3) چنین بر می آید که اگر زاویه شکست β کمتر از زاویه تابش a باشد، نور با فرکانس معین در محیط دوم کندتر از اولین، یعنی V2 منتشر می شود. رابطه بین کمیت های موجود در رابطه (3) به عنوان دلیل قانع کننده ای برای ظهور فرمول دیگری برای تعریف ضریب شکست نسبی است: n 21 = v 1 / v 2 (4) اجازه دهید یک پرتو نور از یک خلاء به یک محیط عبور کند. با جایگزینی v1 در رابطه (4) با سرعت نور در خلاء c و v 2 با سرعت نور در محیط v، معادله (5) را به دست می آوریم که تعریف ضریب شکست مطلق است: با توجه به معادلات (4) و (5)، n 21 نشان می دهد که چند برابر سرعت نور در هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر و n - در هنگام عبور از خلاء به رسانه تغییر می کند. این معنای فیزیکی ضریب شکست است. مقدار ضریب شکست مطلق n هر ماده ای بزرگتر از یک است (این با داده های موجود در جداول کتاب های مرجع فیزیکی تأیید می شود). سپس مطابق رابطه (5)، c/v > 1 و c > v، یعنی سرعت نور در هر ماده ای کمتر از سرعت نور در خلاء است. بدون ارائه توجیهات دقیق (پیچیده و دست و پا گیر هستند)، توجه می کنیم که دلیل کاهش سرعت نور در هنگام گذار از خلاء به ماده، برهمکنش موج نور با اتم ها و مولکول های ماده است. هر چه چگالی نوری یک ماده بیشتر باشد، این برهمکنش قوی تر، سرعت نور کمتر و ضریب شکست بیشتر می شود. بنابراین، سرعت نور در یک محیط و ضریب شکست مطلق توسط خواص این محیط تعیین می شود. بر اساس مقادیر عددی ضریب شکست مواد می توان چگالی نوری آنها را مقایسه کرد. به عنوان مثال، ضریب شکست انواع شیشه از 1.470 تا 2.040 متغیر است و ضریب شکست آب 1.333 است. این بدان معناست که شیشه از نظر نوری چگالی تر از آب است. اجازه دهید به شکل 142 برگردیم که به کمک آن می‌توان توضیح داد که چرا در مرز دو رسانه، با تغییر سرعت، جهت انتشار موج نور نیز تغییر می‌کند. برنج. 142. هنگامی که امواج نور از هوا به آب می گذرد، سرعت نور کاهش می یابد، جلوی موج و با آن سرعت آن تغییر جهت می دهد. شکل یک موج نوری را نشان می دهد که از هوا به آب می گذرد و با زاویه a بر سطح مشترک بین این رسانه ها برخورد می کند. در هوا، نور با سرعت v 1 و در آب با سرعت کمتر v 2 حرکت می کند. نقطه A از موج ابتدا به مرز می رسد. در طی یک دوره زمانی Δt، نقطه B، که در هوا با همان سرعت v 1 حرکت می کند، به نقطه B می رسد." در همان زمان، نقطه A، که در آب با سرعت کمتر v 2 حرکت می کند، فاصله کوتاه تری را طی می کند. ، فقط به نقطه A می رسد." در این حالت به اصطلاح جلوی موج AB در آب با زاویه خاصی نسبت به جلوی موج AB در هوا می چرخد. و بردار سرعت (که همیشه بر جلوی موج عمود است و با جهت انتشار آن منطبق است) می چرخد و به خط مستقیم OO نزدیک می شود، عمود بر سطح مشترک بین رسانه ها. در این حالت، زاویه شکست β به نظر می رسد که کمتر از زاویه تابش α است به این ترتیب شکست نور رخ می دهد. همچنین از شکل مشخص است که هنگام حرکت به محیط دیگری و چرخش جبهه موج، طول موج نیز تغییر می کند: هنگام حرکت به یک محیط نوری متراکم تر، سرعت کاهش می یابد، طول موج نیز کاهش می یابد (λ 2< λ 1). Это согласуется и с известной вам формулой λ = V/v, из которой следует, что при неизменной частоте v (которая не зависит от плотности среды и поэтому не меняется при переходе луча из одной среды в другую) уменьшение скорости распространения волны сопровождается пропорциональным уменьшением длины волны.
سوالات
ورزش
