الانكسار أو الانكسار هو ظاهرة يحدث فيها تغيير في اتجاه شعاع من الضوء ، أو موجات أخرى ، عندما يعبرون الحدود الفاصلة بين وسيطين ، كلاهما شفاف (ينقل هذه الموجات) وداخل وسط تتغير فيه الخصائص باستمرار .

نواجه ظاهرة الانكسار في كثير من الأحيان ونعتبرها ظاهرة عادية: يمكننا أن نرى أن العصا الموضوعة في زجاج شفاف بسائل ملون "مكسورة" عند النقطة التي ينفصل فيها الهواء والماء (الشكل 1). عندما ينكسر الضوء وينعكس أثناء المطر ، نبتهج عندما نرى قوس قزح (الشكل 2).

معامل الانكسار - خاصية مهمةالمواد المرتبطة الخصائص الفيزيائية والكيميائية. يعتمد ذلك على قيم درجة الحرارة ، وكذلك على الطول الموجي لموجات الضوء التي يتم عندها التحديد. وفقًا لبيانات مراقبة الجودة في الحل على معامل الانكسارتركيز المادة المذابة فيه وطبيعة المذيب. على وجه الخصوص ، يتأثر معامل الانكسار لمصل الدم بكمية البروتين الموجودة فيه. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه عند السرعات المختلفة لانتشار أشعة الضوء في الوسائط ذات الكثافة المختلفة ، يتغير اتجاهها عند السطح البيني بين وسيطين . إذا قسمنا سرعة الضوء في الفراغ على سرعة الضوء في المادة قيد الدراسة ، نحصل على معامل الانكسار المطلق (معامل الانكسار). في الممارسة العملية ، يتم تحديد معامل الانكسار النسبي (n) ، وهو نسبة سرعة الضوء في الهواء إلى سرعة الضوء في المادة قيد الدراسة.

يتم قياس معامل الانكسار باستخدام جهاز خاص- مقياس الانكسار.

قياس الانكسار هو أحد أسهل طرق التحليل الفيزيائي ويمكن استخدامه في مختبرات مراقبة الجودة في إنتاج المواد الكيميائية والغذائية والمكملات الغذائية النشطة بيولوجيًا ومستحضرات التجميل وأنواع أخرى من المنتجات التي تحتوي على تكلفة قليلةالوقت وعدد العينات.

يعتمد تصميم مقياس الانكسار على حقيقة أن أشعة الضوء تنعكس تمامًا عندما تمر عبر حدود وسيطين (أحدهما منشور زجاجي والآخر هو محلول الاختبار) (الشكل 3).

أرز. 3. مخطط مقياس الانكسار

من المصدر (1) ، يسقط شعاع الضوء على سطح المرآة (2) ، ثم ينعكس ، ويمر في منشور الإنارة العلوي (3) ، ثم إلى منشور القياس السفلي (4) ، المصنوع من الزجاج مع معامل انكسار عالي. بين المنشور (3) و (4) يتم تطبيق 1-2 قطرات من العينة باستخدام أنبوب شعري. لكي لا تسبب المنشور ضرر ميكانيكي، من الضروري عدم لمس سطحه بالشعرية.

ترى العدسة (9) حقلاً به خطوط متقاطعة لتعيين الواجهة. من خلال تحريك العدسة ، يجب محاذاة نقطة تقاطع الحقول مع الواجهة (الشكل 4). يلعب مستوى المنشور (4) دور الواجهة التي ينكسر شعاع الضوء على سطحها. نظرًا لتناثر الأشعة ، يتضح أن حدود الضوء والظل ضبابية ومتقزحة اللون. يتم القضاء على هذه الظاهرة بواسطة معوض التشتت (5). ثم يتم تمرير الشعاع من خلال العدسة (6) والمنشور (7). على اللوحة (8) توجد ضربات رؤية (خطان مستقيمان متقاطعان بالعرض) ، بالإضافة إلى مقياس بمؤشرات الانكسار ، وهو ما لوحظ في العدسة (9). يتم استخدامه لحساب معامل الانكسار.

سيتوافق الخط الفاصل لحدود الحقول مع الزاوية الداخلية انعكاس كلي، اعتمادًا على معامل الانكسار للعينة.

يستخدم قياس الانكسار لتحديد نقاء المادة وأصالتها. تُستخدم هذه الطريقة أيضًا لتحديد تركيز المواد في المحاليل أثناء مراقبة الجودة ، والتي يتم حسابها من الرسم البياني للمعايرة (رسم بياني يوضح اعتماد معامل الانكسار لعينة على تركيزها).

في KorolevPharm ، يتم تحديد معامل الانكسار وفقًا للمعايير المعتمدة الوثائق المعياريةعند التحكم في إدخال المواد الخام ، في مقتطفات من إنتاجنا ، وكذلك عند الإصدار المنتجات النهائية. يتم التحديد من قبل موظفين مؤهلين في مختبر فيزيائي وكيميائي معتمد باستخدام مقياس انكسار IRF-454 B2M.

إذا كان مؤشر الانكسار ، بناءً على نتائج التحكم في إدخال المواد الخام ، لا يفي بالمتطلبات الضرورية ، فإن قسم مراقبة الجودة يضع قانون عدم المطابقة ، والذي على أساسه يتم إرجاع هذه الدفعة من المواد الخام إلى المورد.

طريقة التحديد

1. قبل البدء بالقياسات ، يتم فحص نظافة أسطح المناشير الملامسة لبعضها البعض.

2. فحص نقطة الصفر. نضع 2 3 قطرات من الماء المقطر على سطح منشور القياس ، ونغلقه بعناية بمنشور مضيء. افتح نافذة الإضاءة ، وباستخدام مرآة ، اضبط مصدر الضوء في الاتجاه الأكثر كثافة. من خلال تدوير مسامير العدسة ، نحصل على تمييز واضح وحاد بين الحقول المظلمة والفاتحة في مجال رؤيتها. نقوم بتدوير البرغي وتوجيه خط الظل والضوء بحيث يتزامن مع النقطة التي تتقاطع عندها الخطوط في النافذة العلوية للعدسة. على الخط العمودي في النافذة السفلية للعدسة ، نرى النتيجة المرجوة - معامل انكسار الماء المقطر عند 20 درجة مئوية (1.333). إذا كانت القراءات مختلفة ، فاضبط البرغي على معامل الانكسار على 1.333 ، وبمساعدة مفتاح (قم بإزالة برغي الضبط) نأتي بحدود الظل والضوء إلى نقطة تقاطع الخطوط.

3. تحديد معامل الانكسار. ارفع حجرة إضاءة المنشور وقم بإزالة الماء بورق الترشيح أو منديل الشاش. بعد ذلك ، ضع 1-2 قطرات من محلول الاختبار على سطح منشور القياس وأغلق الغرفة. نقوم بتدوير البراغي حتى تتوافق حدود الظل والضوء مع نقطة تقاطع الخطوط. على الخط العمودي في النافذة السفلية للعدسة ، نرى النتيجة المرجوة - معامل الانكسار لعينة الاختبار. نحسب معامل الانكسار على المقياس في النافذة السفلية للعدسة.

4. باستخدام مخطط المعايرة ، نؤسس العلاقة بين تركيز المحلول ومعامل الانكسار. لإنشاء رسم بياني ، من الضروري إعداد حلول قياسية لتركيزات متعددة باستخدام مستحضرات من مواد نقية كيميائيًا ، وقياس مؤشرات انكسارها ورسم القيم التي تم الحصول عليها على المحور الإحداثي ، ورسم التراكيز المقابلة للحلول على محور الإحداثي. من الضروري اختيار فترات التركيز التي يتم فيها ملاحظة علاقة خطية بين التركيز ومعامل الانكسار. نقيس معامل الانكسار لعينة الاختبار ونستخدم الرسم البياني لتحديد تركيزها.

يُطلق على الانكسار رقمًا تجريديًا معينًا يميز قوة الانكسار لأي وسيط شفاف. من المعتاد تعيينه n. هناك معامل انكسار مطلق ومعامل نسبي.

يتم حساب الأول باستخدام إحدى الصيغتين:

n = sin α / sin β = const (حيث sin α هو جيب زاوية السقوط ، و sin هو جيب شعاع الضوء الذي يدخل الوسط قيد النظر من الفراغ)

n = c / υ λ (حيث c هي سرعة الضوء في الفراغ ، υ λ هي سرعة الضوء في الوسط قيد الدراسة).

هنا ، يوضح الحساب عدد المرات التي يغير فيها الضوء سرعة انتشاره في لحظة الانتقال من الفراغ إلى وسط شفاف. بهذه الطريقة ، يتم تحديد معامل الانكسار (المطلق). لمعرفة النسبي ، استخدم الصيغة:

وهذا يعني أن مؤشرات الانكسار المطلقة للمواد ذات الكثافة المختلفة ، مثل الهواء والزجاج ، تؤخذ في الاعتبار.

بشكل عام ، المعاملات المطلقة لأي أجسام ، سواء كانت غازية أو سائلة أو صلبة ، تكون دائمًا أكبر من 1. بشكل أساسي ، تتراوح قيمها من 1 إلى 2. أعلى من 2 ، يمكن أن تكون هذه القيمة فقط في حالات استثنائية. قيمة هذه المعلمة لبعض البيئات:

هذه القيمة ، عند تطبيقها على أصعب مادة طبيعية على الكوكب ، الماس ، هي 2.42. في كثير من الأحيان ، عند إجراء البحث العلمي ، وما إلى ذلك ، من الضروري معرفة معامل انكسار الماء. هذه المعلمة هي 1.334.

نظرًا لأن الطول الموجي هو مؤشر ، بالطبع ، ليس ثابتًا ، يتم تعيين فهرس للحرف n. يساعد معناها على فهم أي موجة من الطيف معامل معينينطبق. عند النظر إلى نفس المادة ، ولكن مع زيادة الطول الموجي للضوء ، سينخفض ​​معامل الانكسار. تسبب هذا الظرف في تحلل الضوء إلى طيف عند المرور عبر العدسة أو المنشور وما إلى ذلك.

من خلال قيمة معامل الانكسار ، يمكنك تحديد ، على سبيل المثال ، مقدار المادة المذابة في مادة أخرى. هذا مفيد ، على سبيل المثال ، في التخمير أو عندما تحتاج إلى معرفة تركيز السكر أو الفاكهة أو التوت في العصير. هذا المؤشر مهم أيضًا في تحديد جودة المنتجات البترولية ، وفي المجوهرات ، عندما يكون من الضروري إثبات صحة الحجر ، وما إلى ذلك.

بدون استخدام أي مادة ، سيكون المقياس المرئي في العدسة العينية للأداة أزرق بالكامل. إذا كنت تسقط على منشور من الماء المقطر العادي ، مع المعايرة الصحيحة للأداة ، فإن الحدود الزرقاء و ورود بيضاءسيذهب مباشرة إلى الصفر. عند فحص مادة أخرى ، فإنها ستتحرك على طول المقياس وفقًا لمعامل الانكسار الموجود بها.

دعونا ننتقل إلى دراسة أكثر تفصيلاً لمؤشر الانكسار الذي قدمناه في الفقرة 81 عند صياغة قانون الانكسار.

يعتمد معامل الانكسار على الخواص البصريةوالوسيط الذي تسقط منه الشعاع والوسيط الذي تخترقه. يُطلق على معامل الانكسار الذي يتم الحصول عليه عندما يسقط ضوء من فراغ على وسط ، معامل الانكسار المطلق لهذا الوسط.

أرز. 184- معامل الانكسار النسبي لوسائط:

دع معامل الانكسار المطلق للوسيط الأول يكون والوسيط الثاني -. بالنظر إلى الانكسار عند حدود الوسيط الأول والثاني ، نتأكد من أن معامل الانكسار أثناء الانتقال من الوسيط الأول إلى الوسيط الثاني ، ما يسمى مؤشر نسبيالانكسار ، يساوي نسبة مؤشرات الانكسار المطلقة للوسائط الثانية والأولى:

(الشكل 184). على العكس من ذلك ، عند الانتقال من الوسيط الثاني إلى الأول ، يكون لدينا معامل انكسار نسبي

يمكن أيضًا اشتقاق العلاقة الراسخة بين معامل الانكسار النسبي لوسائط اثنين ومؤشرات الانكسار المطلقة نظريًا ، بدون تجارب جديدة ، تمامًا كما يمكن القيام به لقانون الانعكاس (الفقرة 82) ،

يقال إن الوسط الذي يحتوي على معامل انكسار أعلى يكون أكثر كثافة بصريًا. عادة ما يتم قياس معامل الانكسار لمختلف الوسائط بالنسبة للهواء. معامل الانكسار المطلق للهواء هو. وبالتالي ، فإن معامل الانكسار المطلق لأي وسيط يرتبط بمعامل انكساره بالنسبة للهواء بواسطة الصيغة

الجدول 6. معامل الانكسار لمختلف المواد نسبة إلى الهواء

يعتمد معامل الانكسار على الطول الموجي للضوء ، أي على لونه. ألوان مختلفة تتوافق مع مؤشرات انكسار مختلفة. تلعب هذه الظاهرة ، التي تسمى التشتت ، دورًا مهمًا في علم البصريات. سنتعامل مع هذه الظاهرة مرارًا وتكرارًا في فصول لاحقة. البيانات الواردة في الجدول. 6 ، الرجوع إلى الضوء الأصفر.

من المثير للاهتمام ملاحظة أن قانون الانعكاس يمكن كتابته رسميًا بنفس شكل قانون الانكسار. تذكر أننا اتفقنا على قياس الزوايا دائمًا من العمودي على الشعاع المقابل. لذلك ، يجب أن نأخذ في الاعتبار أن زاوية السقوط وزاوية الانعكاس لها إشارات معاكسة ، أي يمكن كتابة قانون الانعكاس كـ

بمقارنة (83.4) بقانون الانكسار ، نرى أن قانون الانعكاس يمكن اعتباره حالة خاصة لقانون الانكسار في. هذا التشابه الشكلي بين قوانين الانعكاس والانكسار له فائدة كبيرة في حل المشكلات العملية.

في العرض السابق ، كان لمعامل الانكسار معنى ثابت الوسط ، بغض النظر عن شدة الضوء المار عبره. مثل هذا التفسير لمعامل الانكسار طبيعي تمامًا ؛ ومع ذلك ، في حالة شدة الإشعاع العالية التي يمكن تحقيقها باستخدام الليزر الحديث ، فهذا غير مبرر. تعتمد خصائص الوسط الذي يمر من خلاله إشعاع الضوء القوي ، في هذه الحالة ، على شدته. كما يقولون ، يصبح الوسيط غير خطي. تتجلى اللاخطية للوسط ، على وجه الخصوص ، في حقيقة أن الموجة الضوئية عالية الكثافة تغير معامل الانكسار. اعتماد معامل الانكسار على كثافة الإشعاع له الشكل

هنا ، هو معامل الانكسار المعتاد ، أ هو معامل الانكسار غير الخطي ، وعامل التناسب. يمكن أن يكون المصطلح الإضافي في هذه الصيغة موجبًا أو سالبًا.

التغييرات النسبية في معامل الانكسار صغيرة نسبيًا. في معامل الانكسار غير الخطي. ومع ذلك ، يمكن ملاحظة مثل هذه التغييرات الصغيرة في معامل الانكسار: فهي تظهر في ظاهرة غريبة تتمثل في التركيز الذاتي للضوء.

ضع في اعتبارك وسيطًا ذا معامل انكسار غير خطي إيجابي. في هذه الحالة ، تكون المناطق ذات شدة الضوء المتزايدة مناطق متزامنة ذات معامل انكسار متزايد. عادةً ، في إشعاع الليزر الحقيقي ، يكون توزيع الكثافة على المقطع العرضي للحزمة غير منتظم: تكون الكثافة القصوى على طول المحور وتنخفض بسلاسة نحو حواف الحزمة ، كما هو موضح في الشكل. 185 منحنيات صلبة. يصف توزيع مشابه أيضًا التغير في معامل الانكسار على المقطع العرضي لخلية ذات وسط غير خطي ، على طول المحور الذي تنتشر فيه حزمة الليزر. يتناقص معامل الانكسار ، وهو أكبر مستوى على طول محور الخلية ، تدريجياً باتجاه جدرانها (المنحنيات المتقطعة في الشكل 185).

تنحرف حزمة من الأشعة الخارجة من الليزر الموازي للمحور ، وتسقط في وسط ذي معامل انكسار متغير ، في الاتجاه الذي يكون فيه أكبر. لذلك ، تؤدي الكثافة المتزايدة بالقرب من خلية OSP إلى تركيز أشعة الضوء في هذه المنطقة ، والذي يظهر بشكل تخطيطي في المقاطع العرضية وفي الشكل. 185 ، وهذا يؤدي إلى زيادة أخرى في. في النهاية ، يتناقص المقطع العرضي الفعال لحزمة الضوء التي تمر عبر وسط غير خطي بشكل كبير. يمر الضوء كما لو كان يمر عبر قناة ضيقة مع زيادة معامل الانكسار. وبالتالي ، يضيق شعاع الليزر ، ويعمل الوسط غير الخطي كعدسة متقاربة تحت تأثير الإشعاع الشديد. هذه الظاهرة تسمى التركيز الذاتي. يمكن ملاحظته ، على سبيل المثال ، في النيتروبنزين السائل.

أرز. 185- توزيع شدة الإشعاع ومعامل الانكسار على المقطع العرضي لحزمة الليزر عند مدخل الكوفيت (أ) ، بالقرب من طرف الإدخال () ، في المنتصف () ، بالقرب من نهاية إخراج الكوفيت ()

البصريات هي واحدة من أقدم فروع الفيزياء. منذ اليونان القديمة ، اهتم العديد من الفلاسفة بقوانين الحركة وانتشار الضوء في مختلف المواد الشفافة مثل الماء والزجاج والماس والهواء. في هذه المقالة ، يتم النظر في ظاهرة انكسار الضوء ، ويتركز الاهتمام على معامل انكسار الهواء.

تأثير انكسار شعاع الضوء

لقد واجه كل شخص في حياته هذا التأثير مئات المرات عندما نظر إلى قاع خزان أو إلى كوب من الماء مع بعض الأشياء الموضوعة فيه. في الوقت نفسه ، لا يبدو الخزان عميقًا كما كان في الواقع ، وبدت الأشياء الموجودة في كوب من الماء مشوهة أو مكسورة.

تتكون ظاهرة الانكسار من انقطاع في مسارها المستقيم عندما تعبر الواجهة بين مادتين شفافتين. تلخيص عدد كبير منبيانات تجريبية، السابع عشر في وقت مبكرتلقى القرن الهولندي ويلبرورد سنيل تعبير رياضيالذي وصف هذه الظاهرة بدقة. هذا التعبير مكتوب بالشكل التالي:

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

هنا n 1 ، n 2 هي مؤشرات الانكسار المطلقة للضوء في المادة المقابلة ، θ 1 و 2 هما الزاويتان بين الحزم الساقطة والمنكسرة والعمودي على مستوى الواجهة ، والذي يتم رسمه من خلال نقطة تقاطع الحزمة وهذه الطائرة.

تسمى هذه الصيغة قانون سنيل أو سنيل ديكارت (كان الفرنسي هو الذي كتبها بالشكل المقدم ، ولم يستخدم الهولندي الجيب ، بل وحدات الطول).

بالإضافة إلى هذه الصيغة ، فإن ظاهرة الانكسار موصوفة بقانون آخر ، وهو هندسي بطبيعته. يكمن في حقيقة أن العمودية المميزة على المستوى وشعاعين (منكسرين وواقعيين) تقعان في نفس المستوى.

معامل الانكسار المطلق

يتم تضمين هذه القيمة في صيغة Snell ، وتلعب قيمتها دورًا مهمًا. رياضيا ، معامل الانكسار n يتوافق مع الصيغة:

الرمز ج هو السرعة موجات كهرومغناطيسيةفي الفراغ. تبلغ حوالي 3 * 10 8 م / ث. القيمة v هي سرعة الضوء في الوسط. وبالتالي ، فإن معامل الانكسار يعكس مقدار تباطؤ الضوء في وسط فيما يتعلق بالفضاء الخالي من الهواء.

استنتاجان مهمان يتبعان الصيغة أعلاه:

• قيمة n دائمًا أكبر من 1 (بالنسبة للفراغ تساوي واحدًا) ؛
• إنها كمية بلا أبعاد.

على سبيل المثال ، معامل انكسار الهواء هو 1.00029 ، بينما يبلغ 1.33 في الماء.

معامل الانكسار ليس قيمة ثابتة لوسط معين. ذلك يعتمد على درجة الحرارة. علاوة على ذلك ، لكل تردد من الموجات الكهرومغناطيسية معنى خاص به. لذا ، فإن الأرقام أعلاه تتوافق مع درجة حرارة 20 درجة مئوية والجزء الأصفر من الطيف المرئي (الطول الموجي - حوالي 580-590 نانومتر).

يتجلى اعتماد قيمة n على تردد الضوء في تحلل الضوء الأبيض بواسطة المنشور إلى عدد من الألوان ، وكذلك في تكوين قوس قزح في السماء أثناء هطول أمطار غزيرة.

معامل انكسار الضوء في الهواء

تم بالفعل ذكر قيمتها (1.00029) أعلاه. نظرًا لأن معامل الانكسار للهواء يختلف فقط في الخانة العشرية الرابعة عن الصفر ، فعند حل المشكلات العملية يمكن اعتباره مساويًا للواحد. يشير الاختلاف البسيط بين n للهواء والوحدة إلى أن الضوء لا يتباطأ عمليًا بواسطة جزيئات الهواء ، وهو ما يرتبط بكثافته المنخفضة نسبيًا. وبالتالي ، يبلغ متوسط ​​كثافة الهواء 1.225 كجم / م 3 ، أي أكثر من 800 مرة أخف من الماء العذب.

الهواء هو وسط رقيق بصريا. إن عملية إبطاء سرعة الضوء في مادة ما هي عملية ذات طبيعة كمومية وترتبط بأفعال امتصاص وانبعاث الفوتونات بواسطة ذرات المادة.

تؤدي التغييرات في تكوين الهواء (على سبيل المثال ، زيادة محتوى بخار الماء فيه) والتغيرات في درجة الحرارة إلى تغييرات كبيرة في معامل الانكسار. وخير مثال على ذلك هو تأثير السراب في الصحراء ، والذي يحدث بسبب الاختلاف في مؤشرات الانكسار لطبقات الهواء بدرجات حرارة مختلفة.

واجهة زجاجية الهواء

الزجاج هو وسط أكثر كثافة من الهواء. يتراوح معامل الانكسار المطلق لها من 1.5 إلى 1.66 ، اعتمادًا على نوع الزجاج. إذا أخذنا متوسط ​​القيمة 1.55 ، فيمكن حساب انكسار الحزمة عند السطح الزجاجي باستخدام الصيغة:

الخطيئة (θ 1) / الخطيئة (θ 2) \ u003d n 2 / n 1 \ u003d n 21 \ u003d 1.55.

تسمى قيمة n 21 معامل الانكسار النسبي للهواء - الزجاج. إذا خرج الشعاع من الزجاج في الهواء ، فيجب استخدام الصيغة التالية:

الخطيئة (θ 1) / الخطيئة (θ 2) \ u003d n 2 / n 1 \ u003d n 21 \ u003d 1 / 1.55 \ u003d 0.645.

إذا كانت زاوية الشعاع المنكسر في الحالة الأخيرة تساوي 90 درجة ، فإن الزاوية المقابلة لها تسمى حرجة. بالنسبة لحدود الهواء الزجاجي ، فهي تساوي:

θ 1 = قوسين (0.645) = 40.17 س.

إذا سقطت الحزمة على حدود الزجاج والهواء بزوايا أكبر من 40.17 o ، فسوف تنعكس تمامًا مرة أخرى في الزجاج. هذه الظاهرة تسمى "الانعكاس الداخلي الكلي".

توجد الزاوية الحرجة فقط عندما تتحرك الحزمة من وسط كثيف (من الزجاج إلى الهواء ، ولكن ليس العكس).

يكشف هذا المقال عن جوهر مفهوم البصريات مثل معامل الانكسار. يتم إعطاء الصيغ للحصول على هذه القيمة ، ويتم تقديم لمحة موجزة عن تطبيق ظاهرة انكسار الموجة الكهرومغناطيسية.

القدرة على الرؤية ومعامل الانكسار

في فجر الحضارة طرح الناس السؤال: كيف ترى العين؟ لقد تم اقتراح أن يقوم الشخص بإصدار أشعة تشعر بالأشياء المحيطة ، أو على العكس من ذلك ، كل الأشياء تنبعث منها مثل هذه الأشعة. تم تقديم الإجابة على هذا السؤال في القرن السابع عشر. وهو موجود في البصريات ويرتبط بمؤشر الانكسار. ينعكس الضوء من أسطح معتمة مختلفة وينكسر عند الحدود بأسطح شفافة ، ويمنح الشخص فرصة للرؤية.

معامل الضوء والانكسار

كوكبنا يكتنفه ضوء الشمس. وبالضبط بالطبيعة الموجية للفوتونات يرتبط مفهوم مثل معامل الانكسار المطلق. عند التكاثر في الفراغ ، لا يواجه الفوتون أي عقبات. على الكوكب ، يصادف الضوء العديد من الوسائط الأكثر كثافة: الغلاف الجوي (خليط من الغازات) ، والماء ، والبلورات. كونها موجة كهرومغناطيسية ، فإن فوتونات الضوء لها سرعة طور واحدة في الفراغ (يُشار إليها ج) وفي البيئة - آخر (يُشار إليه الخامس). نسبة الأول والثاني هي ما يسمى بمعامل الانكسار المطلق. تبدو الصيغة كما يلي: n = c / v.

سرعة المرحلة

يجدر إعطاء تعريف لسرعة المرحلة للوسط الكهرومغناطيسي. وإلا فهم ما هو معامل الانكسار ن، ممنوع. فوتون الضوء هو موجة. لذلك ، يمكن تمثيلها كحزمة طاقة تتأرجح (تخيل جزءًا من الجيب). المرحلة هي ذلك الجزء من الجيب الذي تمر فيه الموجة هذه اللحظةالوقت (تذكر أن هذا مهم لفهم كمية مثل معامل الانكسار).

على سبيل المثال ، يمكن أن تكون المرحلة بحد أقصى للجيوب الأنفية أو جزء من ميلها. سرعة الطور للموجة هي السرعة التي تتحرك بها تلك المرحلة المعينة. كما يوضح تعريف معامل الانكسار ، تختلف هذه القيم بالنسبة للفراغ وللوسط. علاوة على ذلك ، كل بيئة لها قيمتها الخاصة بهذه الكمية. أي مركب شفاف ، مهما كان تركيبه ، له معامل انكسار يختلف عن جميع المواد الأخرى.

معامل الانكسار المطلق والنسبي

لقد سبق أن تبين أعلاه أن القيمة المطلقة تقاس بالنسبة للفراغ. ومع ذلك ، فإن هذا صعب على كوكبنا: غالبًا ما يضرب الضوء حدود الهواء والماء أو الكوارتز والإسبنيل. لكل من هذه الوسائط ، كما ذكر أعلاه ، يختلف معامل الانكسار. في الهواء ، ينتقل فوتون من الضوء على طول اتجاه واحد وله سرعة طور واحدة (v 1) ، ولكن عندما يدخل الماء ، فإنه يغير اتجاه الانتشار وسرعة الطور (v 2). ومع ذلك ، يقع كلا الاتجاهين في نفس المستوى. هذا مهم جدًا لفهم كيفية تشكل صورة العالم المحيط على شبكية العين أو على مصفوفة الكاميرا. نسبة اثنين القيم المطلقةيعطي معامل الانكسار النسبي. تبدو الصيغة كما يلي: n 12 \ u003d v 1 / v 2.

ولكن ماذا لو خرج الضوء من الماء ودخل الهواء؟ ثم سيتم تحديد هذه القيمة بواسطة الصيغة n 21 = v 2 / v 1. عند ضرب مؤشرات الانكسار النسبية ، نحصل على n 21 * n 12 \ u003d (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) \ u003d 1. هذه النسبة صحيحة لأي زوج من الوسائط. يمكن إيجاد معامل الانكسار النسبي من جيوب زاويتى السقوط والانكسار n 12 = sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2. لا تنس أن الزوايا تحسب من الطبيعي إلى السطح. الخط العمودي هو الخط العمودي على السطح. أي إذا أعطيت المشكلة زاوية α السقوط بالنسبة للسطح نفسه ، فيجب مراعاة جيب (90 - α).

جمال معامل الانكسار وتطبيقاته

في يوم مشمس هادئ ، يتلألأ الوهج في قاع البحيرة. يغطي الجليد الأزرق الداكن الصخرة. على يد المرأة ، الماس ينثر آلاف الشرر. هذه الظواهر هي نتيجة لحقيقة أن جميع حدود الوسائط الشفافة لها معامل انكسار نسبي. بالإضافة إلى المتعة الجمالية ، يمكن أيضًا استخدام هذه الظاهرة في التطبيقات العملية.

وهنا بعض الأمثلة:

• عدسة زجاجية تجمع الشعاع ضوء الشمسويضرم النار في العشب.
• يركز شعاع الليزر على العضو المصاب ويقطع الأنسجة غير الضرورية.
• ينكسر ضوء الشمس على نافذة زجاجية ملونة قديمة ، مما يخلق جوًا خاصًا.
• يكبر المجهر التفاصيل الصغيرة جدًا
• تجمع عدسات مقياس الطيف الضوئي ضوء الليزر المنعكس من سطح المادة قيد الدراسة. وبالتالي ، من الممكن فهم الهيكل ، ومن ثم خصائص المواد الجديدة.
• حتى أن هناك مشروعًا لجهاز كمبيوتر فوتوني ، حيث سيتم نقل المعلومات ليس عن طريق الإلكترونات ، كما هو الحال الآن ، ولكن عن طريق الفوتونات. لمثل هذا الجهاز ، ستكون هناك حاجة بالتأكيد إلى عناصر الانكسار.

الطول الموجي

ومع ذلك ، تزودنا الشمس بالفوتونات ليس فقط في الطيف المرئي. لا يتم إدراك نطاقات الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية رؤية بشريةبل تؤثر على حياتنا. تبقينا الأشعة تحت الحمراء دافئين ، وتعمل فوتونات الأشعة فوق البنفسجية على تأين الغلاف الجوي العلوي وتمكن النباتات من إنتاج الأكسجين من خلال عملية التمثيل الضوئي.

وما يساوي معامل الانكسار لا يعتمد فقط على المواد التي تقع بينها الحدود ، ولكن أيضًا على الطول الموجي للإشعاع الساقط. عادة ما يكون واضحًا من السياق القيمة التي تتم الإشارة إليها. أي إذا نظر الكتاب في الأشعة السينية وتأثيرها على الإنسان نهناك يتم تعريفه لهذا النطاق. ولكن عادةً ما يُقصد بالطيف المرئي للموجات الكهرومغناطيسية ، ما لم يُنص على خلاف ذلك.

معامل الانكسار والانعكاس

كما اتضح مما سبق ، فإننا نتحدث عن بيئات شفافة. على سبيل المثال ، ذكرنا الهواء والماء والماس. لكن ماذا عن الخشب والجرانيت والبلاستيك؟ هل هناك شيء مثل معامل الانكسار بالنسبة لهم؟ الجواب معقد ، لكن بشكل عام نعم.

بادئ ذي بدء ، يجب أن نفكر في نوع الضوء الذي نتعامل معه. يتم قطع تلك الوسائط غير الشفافة للفوتونات المرئية بواسطة الأشعة السينية أو أشعة جاما. بمعنى ، إذا كنا جميعًا رجالًا خارقين ، فسيكون العالم كله من حولنا شفافًا بالنسبة لنا ، ولكن بدرجات متفاوتة. على سبيل المثال ، لن تكون الجدران المصنوعة من الخرسانة أكثر كثافة من الهلام ، وستبدو التركيبات المعدنية مثل قطع الفاكهة الأكثر كثافة.

للاخرين الجسيمات الأولية، الميونات ، كوكبنا شفاف بشكل عام من خلاله. في وقت ما ، تسبب العلماء في الكثير من المتاعب لإثبات حقيقة وجودهم. تخترقنا الميونات بالملايين كل ثانية ، لكن احتمال اصطدام جسيم واحد بالمادة صغير جدًا ، ومن الصعب جدًا إصلاح ذلك. بالمناسبة ، ستصبح بايكال قريبًا مكانًا "لاصطياد" الميونات. عميقة و ماء نقيمثالي لهذا - خاصة في فصل الشتاء. الشيء الرئيسي هو أن المستشعرات لا تتجمد. وبالتالي ، فإن معامل الانكسار للخرسانة ، على سبيل المثال ، لفوتونات الأشعة السينية أمر منطقي. علاوة على ذلك ، يعتبر تشعيع مادة ما بالأشعة السينية من أكثر الطرق دقة وأهمية لدراسة بنية البلورات.

من الجدير أيضًا أن نتذكر أنه ، بالمعنى الرياضي ، المواد المعتمة لنطاق معين لها معامل انكسار وهمي. أخيرًا ، يجب على المرء أن يفهم أن درجة حرارة مادة ما يمكن أن تؤثر أيضًا على شفافيتها.