Оптиката е раздел на физиката, който изучава природата на светлинното излъчване, неговото разпределение и взаимодействие с материята.

Светлината има двойна природа, има свойства на вълни и частици:

Светлината е поток от частици (фотони); корпускулярната природа се проявява в излъчването и поглъщането на светлина (например явлението фотоелектричния ефект).

Светлината е електромагнитна вълна; по скалата EMW - позицията между радиовълните и рентгеновите лъчи - оптичният обхват:

1. Видима светлина: дължина на вълната 380-760 nm.

   Инфрачервена светлина: дължина на вълната 760 nm - 1 mm.

   Ултравиолетово лъчение: 10 - 380 nm.

Електромагнитната природа се разкрива в процеса на разпространение на светлината - явленията на интерференция, дифракция, поляризация, отражение и пречупване.

Рефрактометрията е най-точният и прост метод за количествено определяне на белтъците в кръвния серум – общия протеин и процента на неговите фракции (албумин, глобулини и фибриноген). Също така този метод се използва за определяне на чистотата на водата, за идентифициране на различни вещества и т.н.

Светлината, като всяка електромагнитна вълна, се разпространява от източник в космоса във всички посоки. Електромагнитните вълни се разпространяват във всяка среда, включително във вакуум. В този случай скоростта на вълната зависи от диелектричните и магнитните свойства на средата:

- относителна проницаемост на средата

- диелектрична константа

- магнитна константа

- относителна магнитна проницаемост на средата

- скорост на светлината (и на електромагнитна вълна) във вакуум.

Лъч е всяка произволна посока на разпространение на светлинна вълна. В хомогенна среда светлината се движи по права линия с постоянна скорост.

Отражението на светлината е промяна в посоката на разпространение на светлинна вълна на границата между две среди, при което вълната се връща към първата среда, без да променя скоростта си.

Закони на отражението:

Пречупване на светлината - промяна в посоката на разпространение на светлинна вълна на границата на две среди, при която вълната преминава във втората среда и скоростта й се променя.

Закони за пречупване:

, където

- показател на пречупване на втората среда спрямо първата (относителен индекс на пречупване)

И са абсолютните показатели на пречупване на първата и втората среда, т.е. индексите на пречупване на всяка от тези среди спрямо вакуума.

Физическото значение на коефициента на пречупване: абсолютният коефициент на пречупване е равен на съотношението на скоростта на светлината във вакуум към скоростта на светлината в среда:

От формулата за скоростта на електромагнитната вълна следва:

По този начин абсолютният показател на пречупване
, т.е. зависи от свойствата на околната среда. По същия начин относителният индекс на пречупване е равен на съотношението на скоростта на светлината в първата среда към нейната скорост във втората среда:

Когато светлината преминава от една среда в друга, скоростта може да се увеличи или намали, в зависимост от свойствата на тези среди. Среда с по-нисък абсолютен коефициент на пречупване се нарича оптично по-малко плътна, а среда с по-висок абсолютен коефициент на пречупване се нарича оптично по-плътна.

Характеристики на отражение и пречупване на светлината на границата на две среди с различна оптична плътност:

Когато светлината преминава от оптически по-малко плътна среда към оптически по-плътна среда, ъгълът на пречупване по-малък от ъгъла на падане .

С увеличаване на ъгъла на падане ъгълът на пречупване също се увеличава. Максимален ъгъл на падане
съответства на ъгъла на пречупване
. Така лъчите, попадащи върху границата между две среди под произволен ъгъл от 0 0 до 90 0, преминават във втората среда, тоест има пълно пречупване на светлината. Ъгълът на пречупване, съответстващ на ъгъла на падане от 90 0, се нарича пределен ъгъл на пълно пречупване ( ). Стойността на този ъгъл може да се определи въз основа на закона за пречупване:

Когато светлината преминава от оптически по-плътна среда към по-малко плътна, ъгълът на пречупване по-голям ъгъл на падане :

С увеличаване на ъгъла на падане се увеличава и ъгълът на пречупване. При определена стойност на ъгъла на падане (
) ъгълът на пречупване достига максимална стойност от 90 0 , т.е. пречупеният лъч се плъзга по границата между средата. С по-нататъшно увеличаване на ъгъла на падане (
) светлинният лъч не преминава във втората среда, а се отразява напълно в първата среда. Това явление се нарича пълно вътрешно отражение. Ъгълът на падане, който съответства на ъгъл на пречупване от 90 0, се нарича пределен ъгъл на пълно вътрешно отражение (
). Стойността на този ъгъл също може да се определи въз основа на закона за пречупване:

Когато светлинен лъч преминава от среда с индекс
във въздуха, чийто показател на пречупване приблизително равно на едно

.

Условия за пълно вътрешно отражение:

Светлината преминава от оптически по-плътна среда към по-малко плътна.

Ъгълът на падане е по-голям или равен на граничния ъгъл на пълно вътрешно отражение.

Като цяло, на интерфейса между медиите, явленията на отражение и пречупване на светлината се срещат заедно. Интензитетът на падащата светлина е равен на сумата от интензитетите на отразената и пречупената светлина:
. С увеличаване на ъгъла на падане интензитетът на пречупения лъч намалява и този на отразения лъч се увеличава. При пълно вътрешно отражение цялата енергия на светлинната вълна се връща към първата среда.

Рефрактометърът е устройство за определяне на коефициента на пречупване на вещество. Работата му в пропусната светлина се основава на определянето на граничния ъгъл на пречупване, който зависи от коефициента на пречупване на изследваната течност. Основната част на рефрактометъра са две стъклени призми (1 и 2), които са в контакт с лицата на хипотенузата. Между тези повърхности има празнина с размер около 0,1 mm, където се поставя тестовата течност. Лицето на хипотенузата на горната призма (1) е матово. Светлината, падаща върху това лице, се разсейва и, преминавайки през изследваната течност, пада върху повърхността на хипотенузата на долната призма (2) под различни ъгли от 0 0 до 90 0 . Коефициентът на пречупване на течността е по-малък от индекса на пречупване на стъклото, следователно всички лъчи влизат в долната призма (2) под ъгли от 0 0 до граничния ъгъл на пречупване ( ). Телескоп стои на пътя на лъчите, излизащи от втората призма. Зрителното поле на тръбата е разделено на 2 части: светла и тъмна. Границата на светлината и сянката съответства на лъч, преминаващ под граничния ъгъл на пречупване: пространството вътре в този ъгъл е осветено, извън него е тъмно.

След като измери и като се знае коефициентът на пречупване N на стъклопризмата, коефициентът на пречупване n на изследваната течност може да се намери по формулата:
.

За по-лесно използване на уреда, измервателната скала се градуира веднага според индекса на пречупване.

При определяне на коефициента на пречупване на мътни и оцветени течности се правят измервания в отразена светлина, за да се намалят загубите на енергия, когато светлината преминава през течността. Светлинният лъч от източника преминава през матовата странична повърхност на долната призма (2). В този случай светлината се разсейва и пада върху хипотенузата й, която е в контакт с изследваната течност, под различни ъгли от 0 0 до 90 0 . Лъчи, падащи върху течността под ъгли, по-малки от границата, преминават в нея, а лъчите, попадащи при големи, изпитват пълно вътрешно отражение и излизат през втората странична повърхност на долната призма в телескопа. Зрителното поле също е разделено на светли и тъмни части, но позицията на интерфейса в този случай се определя от граничния ъгъл на пълно отражение.

С помощта на това устройство обаче е възможно да се измери само коефициентът на пречупване на веществата, в които той е по-малък от коефициента на пречупване на стъклото с измервателни призми.

Важно интегрална частрефрактометърът е компенсатор на дисперсията (тъй като работи в бяла светлина, за да елиминира дисперсията, т.е. спектрална лента) - призма Amici, която е инсталирана пред лещата на телескопа. Призмата Amici се състои от 3 призми, избрани така, че дисперсията в тях да е равна по големина, но противоположна по знак на дисперсията в призми 1 и 2. Така общата дисперсия се намалява до нула. Единственият лъч, който не е отклонен след призмата на Амичи, е жълт. Цветните лъчи на изхода от призмата се събират в лъч бяла светлина, съответстваща на посоката на жълтия лъч.

Енергийният поток F е енергията E, преминаваща през която и да е повърхност за единица време:

[W]

Ако върху тялото падне енергиен поток Ф 0, то в общия случай част от този поток Ф ref се отразява от повърхността на тялото, част Ф pr преминава през тялото и част Ф, абсорбирана, се поглъща от частиците на тялото. Така общият енергиен баланс: Ф 0 = Ф neg + Ф поглъща + Ф pr. Разделяйки двете части на Ф 0 получаваме:

Поведение
- коефициент на отражение и е от 0 до 1.

Поведение
- коефициент на поглъщане и е от 0 до 1.

Поведение
- пропускливост и е от 0 до 1.

Ако тялото е абсолютно прозрачно, т.е. не абсорбира радиация и
, тогава
. Ако тялото е абсолютно непрозрачно, т.е.
, тогава
. Ако
, тогава тялото поглъща всички лъчи, попадащи върху него.

Тези коефициенти зависят от дължината на вълната на светлината и абсолютната температура на тялото:

Коефициентите на отражение, поглъщане и пропускане при определена дължина на вълната се наричат ​​монохроматични. В записа това обикновено се обозначава с индекса " » с подходяща характеристика, напр. .

Закони за затихване на светлината, когато преминава през материята.

Интензитетът на излъчване е стойност, равна числено на
, където

S е площта на повърхността, перпендикулярна на посоката на разпространение на вълната, през която се пренася енергията E.

Нека I 0 е интензитетът на светлината, падаща върху определен поглъщащ слой, I X е интензитетът на светлината след преминаване през слой с дебелина X. Във всеки тънък слой, dX се абсорбира dI = - kIdX (знакът "-" показва намаляване на интензитета). Разделяйки променливите, получаваме:

. Нека решим диференциалното уравнение:

Последното уравнение е законът за абсорбция на Бугер. Коефициентът на пропорционалност k в закона на Бугер зависи от дължината на вълната на светлината:
- и за дадена вълна се нарича монохроматичен естествен индекс на абсорбция. Освен това k зависи от вида на веществото.

Физическото значение на естествения индекс на абсорбция: това е реципрочната стойност на дебелината на абсорбиращия слой на веществото, по време на преминаването на който интензитетът на светлината ще намалее с коефициент e. Размерността k в системата от единици SI е [m -1].

За достатъчно разредени разтвори, в които само разтвореното вещество (но не и разтворителя) абсорбира, е валидно съотношение, наречено закон на Биър:
, където

C е моларната концентрация на абсорбиращи центрове (хромофорни молекули);

- естествена моларна скорост на усвояване, т.е. скорост на усвояване на разтвор с единична концентрация. Размерът е [mol -1 meter -1].

Според закона на Биър индексът на абсорбция е право пропорционален на концентрацията на разтвореното вещество (моларният индекс, за разлика от k, не зависи от концентрацията).

Когато заменим закона на Биър в уравнението на закона на Бугер, получаваме комбинирания закон на Ламберт-Бугер-Бира:

.

На практика обаче те обикновено вземат основата не e, а 10:

, където моларният коефициент на абсорбция
, защото
. В спектроскопията индексът на моларната абсорбция се нарича моларна екстинкция.

Спектри на поглъщане на светлина. концентрационна калориметрия.

Стойността, равна на десетичния логаритъм на реципрочната стойност на пропускливостта, е оптичната плътност на разтвора:

.

Пристрастяване от или
от е абсорбционният спектър на даденото вещество. Оптичната плътност може да бъде измерена на практика с помощта на спектрофотометър. това дава възможност да се определи неизвестната концентрация на разтвор на хромофорно вещество от известната концентрация на разтвор на същото вещество. Чрез измерване на оптичните плътности D 0 на разтвор с известна концентрация C 0 и D X на разтвор с неизвестна концентрация C X при същата дебелина на абсорбиращия слой (дебелина на клетката), получаваме следната пропорция:

, където

В медицината този метод се използва широко, тъй като ви позволява да работите с ниски концентрации на вещество (10 -8 - 10 -12 M). По-специално, той се използва в съдебната медицина.

Теми на кодификатора USE: законът за пречупване на светлината, пълно вътрешно отражение.

На границата между две прозрачни среди, заедно с отражението на светлината, се наблюдава нейното отражение. пречупване- светлината, преминавайки в друга среда, променя посоката на своето разпространение.

Пречупването на светлинен лъч се получава, когато той наклоненапада върху интерфейса (макар и не винаги - прочетете за пълното вътрешно отражение). Ако лъчът падне перпендикулярно на повърхността, тогава няма да има пречупване - във втората среда лъчът ще запази посоката си и също ще върви перпендикулярно на повърхността.

Закон за пречупването (специален случай).

Ще започнем с конкретния случай, когато една от медиите е ефир. Тази ситуация присъства в по-голямата част от задачите. Ще обсъдим съответния частен случай на закона за пречупването и след това ще дадем най-общата му формулировка.

Да предположим, че лъч светлина, преминаващ през въздуха, пада косо върху повърхността на стъкло, вода или друга прозрачна среда. При преминаване в средата лъчът се пречупва и по-нататъшният му ход е показан на фиг. един .

В точката на падане се начертава перпендикуляр (или, както се казва, нормално) до повърхността на средата. Гредата, както преди, се нарича падащ лъч, а ъгълът между падащия лъч и нормата е ъгъл на падане.Гредата е пречупен лъч; ъгълът между пречупения лъч и нормалата към повърхността се нарича ъгъл на пречупване.

Всяка прозрачна среда се характеризира с количество, наречено индекс на пречупванетази среда. Показателите на пречупване на различни среди могат да бъдат намерени в таблиците. Например за стъкло и за вода. Като цяло, за всяка среда; коефициентът на пречупване е равен на единица само във вакуум. При въздух, следователно, за въздух с достатъчна точност може да се приеме в проблеми (в оптиката въздухът не се различава много от вакуума).

Закон за пречупване (преход "въздух-среда") .

1) Падащият лъч, пречупеният лъч и нормалата към повърхността, начертани в точката на падане, лежат в една и съща равнина.
2) Съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е равно на индекса на пречупване на средата:

. (1)

Тъй като от съотношение (1) следва, че , тоест - ъгълът на пречупване е по-малък от ъгъла на падане. Помня: преминавайки от въздуха към средата, лъчът след пречупване се доближава до нормата.

Индексът на пречупване е пряко свързан със скоростта на светлината в дадена среда. Тази скорост винаги е по-малка от скоростта на светлината във вакуум: . И се оказва, че

. (2)

Защо това се случва, ще разберем, когато изучаваме вълновата оптика. Междувременно нека комбинираме формулите. (1) и (2):

. (3)

Тъй като коефициентът на пречупване на въздуха е много близък до единицата, можем да приемем, че скоростта на светлината във въздуха е приблизително равна на скоростта на светлината във вакуум. Вземайки това предвид и разглеждайки формулата. (3) заключаваме: съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е равно на отношението на скоростта на светлината във въздуха към скоростта на светлината в среда.

Обратимост на светлинните лъчи.

Сега помислете за обратния ход на лъча: неговото пречупване по време на прехода от средата към въздуха. Тук ще ни помогне следният полезен принцип.

Принципът на обратимостта на светлинните лъчи. Траекторията на лъча не зависи от това дали е директен или обратна посокалъчът се разпространява. Движейки се в обратна посока, лъчът ще следва точно същия път като в посока напред.

Съгласно принципа на обратимостта, при преминаване от средата към въздуха, лъчът ще следва същата траектория, както при съответния преход от въздух към средата (фиг. 2) Единствената разлика на фиг. 2 от фиг. 1 е, че посоката на лъча се е променила на противоположна.

Тъй като геометричната картина не се е променила, формула (1) ще остане същата: съотношението на синуса на ъгъла към синуса на ъгъла все още е равно на коефициента на пречупване на средата. Вярно е, че сега ъглите смениха ролята си: ъгълът се превърна в ъгъл на падане, а ъгълът се превърна в ъгъл на пречупване.

Във всеки случай, независимо как върви лъчът - от въздуха към околната среда или от околната среда към въздуха - работи следното просто правило. Взимаме два ъгъла - ъгъла на падане и ъгъла на пречупване; съотношението на синуса на по-големия ъгъл към синуса на по-малкия ъгъл е равно на коефициента на пречупване на средата.

Сега сме напълно готови да обсъдим закона за пречупването в най-общия случай.

Закон за пречупването (общ случай).

Оставете светлината да премине от среда 1 с показател на пречупване към среда 2 с показател на пречупване. Нарича се среда с висок коефициент на пречупване оптически по-плътна; съответно се нарича среда с по-нисък коефициент на пречупване оптически по-малко плътен.

Преминавайки от оптически по-малко плътна среда към оптически по-плътна, светлинният лъч след пречупване се доближава до нормата (фиг. 3). В този случай ъгълът на падане е по-голям от ъгъла на пречупване: .

Ориз. 3.

Напротив, при преминаване от оптически по-плътна среда към оптически по-малко плътна, лъчът се отклонява още повече от нормата (фиг. 4). Тук ъгълът на падане е по-малък от ъгъла на пречупване:

Ориз. 4.

Оказва се, че и двата случая са обхванати от една формула - общо правопречупване, валидно за всякакви две прозрачни среди.

Законът за пречупването.
1) Падащият лъч, пречупеният лъч и нормалата към границата между средата, начертани в точката на падане, лежат в една и съща равнина.
2) Съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е равно на съотношението на индекса на пречупване на втората среда към индекса на пречупване на първата среда:

. (4)

Лесно е да се види, че формулираният по-рано закон за пречупване за прехода "въздух-среда" е частен случай на този закон. Наистина, като приемем във формулата (4) , ще стигнем до формулата (1) .

Припомнете си сега, че коефициентът на пречупване е съотношението на скоростта на светлината във вакуум към скоростта на светлината в дадена среда: . Замествайки това в (4) , получаваме:

. (5)

Формула (5) обобщава формула (3) по естествен начин. Съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е равно на съотношението на скоростта на светлината в първата среда към скоростта на светлината във втората среда.

пълно вътрешно отражение.

Когато светлинните лъчи преминават от оптически по-плътна среда към оптически по-малко плътна среда, се наблюдава интересно явление - пълно вътрешно отражение. Да видим какво е то.

Нека приемем за определено, че светлината преминава от вода към въздух. Да предположим, че в дълбините на резервоара има точков източник на светлина, излъчващ лъчи във всички посоки. Ще разгледаме някои от тези лъчи (фиг. 5).

Лъчът пада върху повърхността на водата под най-малък ъгъл. Този лъч частично се пречупва (лъч ) и частично се отразява обратно във водата (лъч ). Така част от енергията на падащия лъч се прехвърля към пречупения лъч, а останалата енергия се прехвърля към отразения лъч.

Ъгълът на падане на лъча е по-голям. Този лъч също е разделен на два лъча - пречупен и отразен. Но енергията на оригиналния лъч се разпределя между тях по различен начин: пречупеният лъч ще бъде по-слаб от лъча (тоест ще получи по-малък дял от енергията), а отразеният лъч ще бъде съответно по-ярък от лъча. лъч (ще получи по-голям дял от енергията).

С увеличаване на ъгъла на падане може да се проследи същата закономерност: все по-малък дял от енергията на падащия лъч отива към отразения лъч, а все по-малък дял към пречупения лъч. Пречупеният лъч става все по-тъмен и в един момент изчезва напълно!

Това изчезване настъпва при достигане на ъгъла на падане, който съответства на ъгъла на пречупване. В тази ситуация пречупеният лъч би трябвало да върви успоредно на водната повърхност, но няма какво да отиде - цялата енергия на падащия лъч отива изцяло към отразения лъч.

При по-нататъшно увеличаване на ъгъла на падане пречупеният лъч дори ще отсъства.

Описаното явление е пълното вътрешно отражение. Водата не излъчва външни лъчи с ъгли на падане, равни или по-големи от определена стойност - всички такива лъчи се отразяват изцяло обратно във водата. Ъгълът се нарича ограничаващ ъгъл на пълно отражение.

Стойността е лесно да се намери от закона за пречупване. Ние имаме:

Но, следователно

Така че, за водата, граничният ъгъл на пълно отражение е равен на:

Можете лесно да наблюдавате феномена на пълно вътрешно отражение у дома. Налейте вода в чаша, повдигнете я и погледнете повърхността на водата леко отдолу през стената на чашата. Ще видите сребрист блясък на повърхността - поради пълно вътрешно отражение, тя се държи като огледало.

Най-важните техническо приложениепълното вътрешно отражение е оптични влакна. Светлинни лъчи, пуснати в оптичния кабел ( светлинен водач) почти успоредни на оста си, падат върху повърхността под големи ъгли и напълно, без загуба на енергия, се отразяват обратно в кабела. Многократно отразявани, лъчите отиват все по-далеч и по-далеч, пренасяйки енергия на значително разстояние. Оптичната комуникация се използва например в кабелни телевизионни мрежи и високоскоростен интернет достъп.

Геометричната оптика е най-древната част от оптиката като наука.

геометрична оптика- Това е клон на оптиката, който разглежда разпространението на светлината в различни оптични системи (лещи, призми и др.), без да се отчита природата на светлината.

Едно от основните понятия в оптиката и по-специално в геометричната оптика е понятието за лъч.

Светлинният лъч е линия, по която се разпространява светлинната енергия.

светлинен лъче светлинен лъч, чиято дебелина е много по-малка от разстоянието, на което се разпространява. Такова определение е близко например до определението за материална точка, което е дадено в кинематиката.

Първият закон на геометричната оптика(Закон за праволинейното разпространение на светлината): В хомогенна прозрачна среда светлината се разпространява по права линия.

Според теоремата на Ферма: светлината се разпространява в такава посока, времето на разпространение в която ще бъде минимално.

Вторият закон на геометричната оптика(Закони на отражението):

1. Отразеният лъч лежи в същата равнина като падащия лъч и е перпендикулярен на границата между две среди.

2. Ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение (виж фиг. 1).

∟α = ∟β

Ориз. 1. Закон за отражението

Трети закон на геометричната оптика(Закон на пречупването) (Виж Фиг. 2)

1. Пречупеният лъч лежи в същата равнина като падащия лъч и перпендикуляра, възстановен до точката на падане.

2. Съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е постоянна стойност за тези две среди, която се нарича коефициент на пречупване (н).

Интензитетът на отразения и пречупения лъч зависи от това каква е средата и каква е интерфейсът.

Ориз. 2. Закон за пречупването

Физическото значение на индекса на пречупване:

Коефициентът на пречупване е относителен, тъй като измерванията се извършват по отношение на две среди.

В случай, че една от медиите е вакуум:

ОТе скоростта на светлината във вакуум,

n е абсолютният коефициент на пречупване, характеризиращ средата по отношение на вакуума.

Ако светлината преминава от оптически по-малко плътна среда към оптически по-плътна среда, тогава скоростта на светлината намалява.

Оптически по-плътна среда е среда, в която скоростта на светлината е по-ниска.

Оптически по-малко плътна среда е среда, в която скоростта на светлината е по-голяма.

Закон за пълното вътрешно отражение

Има ограничаващ ъгъл на пречупване - най-големият ъгъл на падане на лъча, при който все още се получава пречупване, когато лъчът премине в по-малко плътна среда. При ъгли на падане, по-големи от граничните, се получава пълно вътрешно отражение (виж фиг. 3).

Ориз. 3. Закон за пълното вътрешно отражение

Границите на приложимостта на геометричната оптика се крият във факта, че е необходимо да се вземат предвид размерите на препятствията за светлина.

Светлината има дължина на вълната приблизително 10-9 метра

Ако препятствията са по-големи от дължината на вълната, тогава могат да се използват размерите на геометричната оптика.

Лаборатория 301

Измерване на коефициента на пречупване на течност с рефрактометър ABBE

Елементи на геометричната оптика

Следните закони са в основата на геометричната оптика: 1) законът за праволинейното разпространение на светлината; 2) законът за независимост на светлинните лъчи; 3) закони за отражение на светлината; 4) законите за пречупване на светлината.

Законът за праволинейното разпространение на светлината:

В хомогенна прозрачна среда светлината се разпространява по права линия.

Законът за независимост на светлинните лъчи:

Всеки светлинен лъч, когато се комбинира с други, се държи независимо от другите лъчи, т.е. принципът на суперпозицията е валиден.

Закони за отразяване на светлината:

Лъчът, падащ върху интерфейса, нормалният към тази повърхност в точката на падане и отразеният лъч лежат в една и съща равнина (наречена равнина на падане).

Ъгълът на отражение е равен на ъгъла на падане.

Закони за пречупване на светлината:

Лъчът, падащ върху интерфейса, нормалният към тази повърхност в точката на падане и отразеният лъч лежат в една и съща равнина.

Съотношението на синусите на ъгъла на падане ии ъгъл на пречупване rе постоянна стойност за две различни медии (закон на Снел):

Стойност н 21 се обади относителен показател на пречупванедве среди. Относителен показател на пречупване н 21 е равно на съотношението на скоростта на светлината в първата среда υ 1, към скоростта на светлината във втората среда υ 2:

Това е неговото физическо значение. Показателят на пречупване на всяка среда по отношение на вакуума се нарича абсолютен показател на пречупванетази среда. Показва колко пъти скоростта на светлината във вакуум е по-голяма от скоростта на светлината в дадена среда и се определя по формулата

където оте скоростта на светлината във вакуум; υ е скоростта на светлината в средата. Познаване на абсолютните показатели на пречупване на двете среди н 1 и н 2, можете да намерите техния относителен индекс на пречупване:

Като се вземе предвид този израз, законът на Снел (1) може да бъде пренаписан във форма, която е симетрична по отношение на две медии:

н 1 грях i = n 2 грях r. (2)

Съотношение (2) отразява свойството на обратимостта на светлинните лъчи.

сряда с голям нНаречен оптически по-плътнапо отношение на околната среда с по-малко ни обратно. Ако светлината преминава от оптически по-малко плътна среда към оптически по-плътна ( н 1 <н 2), например от въздух към стъкло, тогава ъгълът на пречупване е по-малък от ъгъла на падане, r<и(фиг. 1а). Ако светлината преминава от оптически по-плътна среда към по-малко плътна ( н 1 >н 2), например от стъкло към въздух, тогава r>и(фиг. 1b). В последния случай е възможно

при достатъчно голям ъгъл на падане достига ъгълът на пречупване π /2 и светлината вече няма да прониква във втората среда (фиг. 1в). Ъгълът на падане, при който е ъгълът на пречупване π /2 се нарича пределен ъгъл на падане iи др. При ъгли на падане и> и pr светлината се отразява напълно от интерфейса. Явлението, при което светлинен лъч не преминава във втората среда, като е напълно отразен от интерфейса, се нарича пълно вътрешно отражение(фиг. 1г).

Стойност на граничния ъгъл за две среди с относителен коефициент на пречупване н 21 може да се определи от закона на Снел (1): ако и = и pr, тогава, по дефиниция, r = π/2, следователно,

.

Например при преминаване от стъкло ( н 1 = 1,7) във въздуха ( н 2 = 1) ще се наблюдава пълно вътрешно отражение при ъгли на падане и> arcsin(1/1.7) = 370 .

Феноменът на пълно вътрешно отражение се използва широко в технологиите: в рефрактометри за измерване на показателите на пречупване, светловоди (оптични влакна), поляризатори, перископи и други устройства.

Съвкупността от методи за измерване на коефициента на пречупване на веществата се нарича рефрактометрия,и инструменти за измерването му - рефрактометри.Рефрактометрията се използва широко за определяне на състава и структурата на веществата, както и за контрол на качеството и състава на различни продукти в химическата, фармацевтичната и хранително-вкусовата промишленост. Предимствата на рефрактометричните методи за количествен анализ са бързината на измерванията, ниската консумация на веществото и високата точност.

Физическото значение на индекса на пречупване.Светлината се пречупва поради промяна в скоростта на нейното разпространение при преминаване от една среда в друга. Индексът на пречупване на втората среда спрямо първата е числено равен на съотношението на скоростта на светлината в първата среда към скоростта на светлината във втората среда:

По този начин коефициентът на пречупване показва колко пъти скоростта на светлината в средата, от която излиза лъчът, е по-голяма (по-малка) от скоростта на светлината в средата, в която влиза.

Тъй като скоростта на разпространение на електромагнитните вълни във вакуум е постоянна, препоръчително е да се определят показателите на пречупване на различни среди по отношение на вакуума. Съотношение на скоростта от разпространението на светлината във вакуум до скоростта на нейното разпространение в дадена среда се нарича абсолютен показател на пречупванедадено вещество () и е основната характеристика на неговите оптични свойства,

,

тези. коефициентът на пречупване на втората среда спрямо първата е равен на съотношението на абсолютните показатели на тези среди.

Обикновено оптичните свойства на веществото се характеризират с индекса на пречупване н спрямо въздуха, което се различава малко от абсолютния показател на пречупване. В този случай средата, в която абсолютният индекс е по-голям, се нарича оптически по-плътна.

Ограничаващ ъгъл на пречупване.Ако светлината преминава от среда с по-нисък коефициент на пречупване към среда с по-висок коефициент на пречупване ( n 1< n 2 ), тогава ъгълът на пречупване е по-малък от ъгъла на падане

r< i (фиг. 3).

Ориз. 3. Пречупване на светлината по време на прехода

от оптически по-малко плътна среда към средна

оптически по-плътна.

С увеличаване на ъгъла на падане до аз м = 90° (лъч 3, фиг. 2) светлината във втората среда ще се разпространява само в рамките на ъгъла r pr Наречен ограничаващ ъгъл на пречупване. В областта на втората среда в ъгъл, допълнителен към граничния ъгъл на пречупване (90° - и пр ), не прониква светлина (тази област е засенчена на фиг. 3).

Граничен ъгъл на пречупване r pr

Но sin i m = 1, следователно .

Феноменът на пълно вътрешно отражение.Когато светлината преминава от среда с висок коефициент на пречупване n 1 > n 2 (фиг. 4), тогава ъгълът на пречупване е по-голям от ъгъла на падане. Светлината се пречупва (преминава във втората среда) само в рамките на ъгъла на падане и пр , което съответства на ъгъла на пречупване rm = 90°.

Ориз. 4. Пречупване на светлината при преход от оптически по-плътна среда към среда

по-малко оптически плътен.

Светлината, падаща под голям ъгъл, се отразява напълно от границата на средата (фиг. 4 лъч 3). Това явление се нарича пълно вътрешно отражение и ъгъл на падане и пр е граничният ъгъл на пълно вътрешно отражение.

Ограничаващ ъгъл на пълно вътрешно отражение и пр определя се според условието:

, тогава sin r m =1, следователно, .

Ако светлината се движи от която и да е среда във вакуум или във въздух, тогава

Поради обратимостта на пътя на лъчите за тези две среди, граничният ъгъл на пречупване при прехода от първата среда към втората е равен на граничния ъгъл на пълно вътрешно отражение, когато лъчът преминава от втората среда към първата .

Граничният ъгъл на пълно вътрешно отражение за стъклото е по-малък от 42°. Следователно лъчите, преминаващи през стъклото и падащи върху повърхността му под ъгъл от 45°, се отразяват напълно. Това свойство на стъклото се използва в въртящи се (фиг. 5а) и реверсивни (фиг. 4b) призми, които често се използват в оптичните инструменти.

Ориз. 5: а – въртяща се призма; b - обратна призма.

оптични влакна.Пълното вътрешно отражение се използва при изграждането на гъвкави светлинни водачи. Светлината, попадайки вътре в прозрачно влакно, заобиколено от вещество с по-нисък коефициент на пречупване, се отразява многократно и се разпространява по това влакно (фиг. 6).

Фиг.6. Преминаването на светлина вътре в прозрачно влакно, заобиколено от материя

с по-нисък коефициент на пречупване.

За да предават високи светлинни потоци и да поддържат гъвкавостта на светлинната система, отделните влакна се сглобяват в снопове - светлинни водачи. Клонът на оптиката, който се занимава с предаването на светлина и изображения чрез светловоди, се нарича оптични влакна. Същият термин се отнася до самите оптични части и устройства. В медицината светловодите се използват за осветяване на вътрешните кухини със студена светлина и предаване на изображения.

Практическа част

Инструментите за определяне на коефициента на пречупване на веществата се наричат рефрактометри(фиг. 7).

Фиг.7. Оптична схема на рефрактометъра.

1 - огледало, 2 - измервателна глава, 3 - система от призми за премахване на дисперсията, 4 - леща, 5 - въртяща се призма (въртене на лъча на 90 0), 6 - скала (в някои рефрактометри

има две скали: скалата на индексите на пречупване и скалата на концентрацията на разтворите),

7 - окуляр.

Основната част на рефрактометъра е измервателна глава, състояща се от две призми: осветителна, която се намира в сгъваемата част на главата, и измервателна.

На изхода на осветяващата призма нейната матова повърхност създава разпръснат лъч светлина, който преминава през тестовата течност (2-3 капки) между призмите. Лъчите падат върху повърхността на измервателната призма под различни ъгли, включително под ъгъл от 90 0 . В измервателната призма лъчите се събират в областта на граничния ъгъл на пречупване, което обяснява образуването на граница на светлина-сянка върху екрана на устройството.

Фиг.8. Пътят на лъча в измервателната глава:

1 – светеща призма, 2 – изследвана течност,

3 - измервателна призма, 4 - екран.

ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ПРОЦЕНТА НА ЗАХАР В РАЗТВОР

Естествена и поляризирана светлина. Видима светлина- това електромагнитни вълнис честота на трептене в диапазона от 4∙10 14 до 7,5∙10 14 Hz. Електромагнитни вълниса напречен: векторите E и H на силите на електрическото и магнитното поле са взаимно перпендикулярни и лежат в равнина, перпендикулярна на вектора на скоростта на разпространение на вълната.

Поради факта, че както химическите, така и биологичните ефекти на светлината са свързани главно с електрическия компонент на електромагнитната вълна, векторът Еинтензитетът на това поле се нарича светлинен вектор,и равнината на трептенията на този вектор е равнината на трептене на светлинната вълна.

Във всеки източник на светлина вълните се излъчват от много атоми и молекули, светлинните вектори на тези вълни са разположени в различни равнини и трептенията възникват в различни фази. Следователно равнината на трептения на светлинния вектор на получената вълна непрекъснато променя позицията си в пространството (фиг. 1). Тази светлина се нарича естествено,или неполяризирани.

Ориз. 1. Схематично представяне на лъч и естествена светлина.

Ако изберем две взаимно перпендикулярни равнини, преминаващи през лъч естествена светлина, и проектираме векторите E върху равнината, тогава средно тези проекции ще бъдат еднакви. По този начин е удобно да се изобрази лъч естествена светлина като права линия, върху която е разположен един и същ брой от двете проекции под формата на тирета и точки:

Когато светлината преминава през кристали, е възможно да се получи светлина, чиято равнина на трептене на вълната заема постоянна позиция в пространството. Тази светлина се нарича апартамент-или линейно поляризирани. Поради подреденото подреждане на атоми и молекули в пространствена решетка, кристалът предава само светлинни векторни трептения, които възникват в определена равнина, характерна за дадена решетка.

Плоско поляризирана светлинна вълна е удобно изобразена, както следва:

Поляризацията на светлината също може да бъде частична. В този случай амплитудата на трептенията на светлинния вектор във всяка една равнина значително надвишава амплитудата на трептенията в други равнини.

Частично поляризирана светлина може да се изобрази условно, както следва: и т.н. Съотношението на броя тирета и точки определя степента на поляризация на светлината.

При всички методи за преобразуване на естествената светлина в поляризирана светлина, компоненти с добре дефинирана ориентация на поляризационната равнина се избират изцяло или частично от естествената светлина.

Методи за получаване на поляризирана светлина: а) отражение и пречупване на светлината на границата на два диелектрика; б) пропускане на светлина през оптически анизотропни едноосни кристали; в) предаване на светлина през среда, чиято оптична анизотропия е изкуствено създадена от действието на електрическо или магнитно поле, както и поради деформация. Тези методи се основават на явлението анизотропия.

Анизотропияе зависимостта на редица свойства (механични, термични, електрически, оптични) от посоката. Наричат ​​се тела, чиито свойства са еднакви във всички посоки изотропен.

Поляризация се наблюдава и при разсейване на светлината. Степента на поляризация е по-висока от по-малки размеричастици, върху които се получава разсейване.

Устройствата, предназначени да произвеждат поляризирана светлина, се наричат поляризатори.

Поляризация на светлината по време на отражение и пречупване на интерфейса между два диелектрика.Когато естествената светлина се отразява и пречупва на границата между два изотропни диелектрика, възниква нейната линейна поляризация. При произволен ъгъл на падане поляризацията на отразената светлина е частична. Отразеният лъч е доминиран от трептения, перпендикулярни на равнината на падане, докато пречупеният лъч е доминиран от успоредни на него трептения (фиг. 2).

Ориз. 2. Частична поляризация на естествената светлина по време на отражение и пречупване

Ако ъгълът на падане удовлетворява условието tg i B = n 21, тогава отразената светлина е напълно поляризирана (закон на Брюстър), а пречупеният лъч е поляризиран не напълно, а максимално (фиг. 3). В този случай отразените и пречупените лъчи са взаимно перпендикулярни.

е относителният коефициент на пречупване на двете среди, i B е ъгълът на Брюстър.

Ориз. 3. Пълна поляризация на отразения лъч по време на отражение и пречупване

на границата между два изотропни диелектрика.

Двойно пречупване.Съществуват редица кристали (калцит, кварц и др.), в които лъч светлина, пречупвайки се, се разделя на два лъча с различни свойства. Калцитът (исландски шпат) е кристал с шестоъгълна решетка. Оста на симетрия на шестоъгълната призма, която образува нейната клетка, се нарича оптична ос. Оптичната ос не е линия, а посока в кристала. Всяка линия, успоредна на тази посока, също е оптична ос.

Ако плоча е изрязана от калцитов кристал, така че лицата й да са перпендикулярни на оптичната ос и лъч светлина е насочен по оптичната ос, тогава няма да настъпят промени в нея. Ако обаче лъчът е насочен под ъгъл спрямо оптичната ос, тогава той ще бъде разделен на два лъча (фиг. 4), от които единият се нарича обикновен, а вторият - извънреден.

Ориз. 4. Двойно пречупване, когато светлината преминава през плоча от калцит.

MN е оптичната ос.

Обикновеният лъч лежи в равнината на падане и има обичайния показател на пречупване за дадено вещество. Необикновеният лъч лежи в равнина, минаваща през падащия лъч и оптичната ос на кристала, начертана в точката на падане на лъча. Този самолет се нарича главната равнина на кристала. Коефициентите на пречупване на обикновените и извънредните лъчи са различни.

Както обикновените, така и необикновените лъчи са поляризирани. Равнината на трептене на обикновените лъчи е перпендикулярна на главната равнина. Трептенията на необикновените лъчи възникват в главната равнина на кристала.

Феноменът на двойното пречупване се дължи на анизотропията на кристалите. По оптичната ос скоростта на светлинната вълна за обикновени и необикновени лъчи е еднаква. В други посоки скоростта на извънредна вълна в калцит е по-голяма от тази на обикновена. Най-голямата разлика между скоростите на двете вълни възниква в посоката, перпендикулярна на оптичната ос.

Според принципа на Хюйгенс, при двойно пречупване във всяка точка от повърхността на вълна, достигаща границата на кристала, едновременно възникват две елементарни вълни (а не една, както в обикновените среди), които се разпространяват в кристала.

Скоростта на разпространение на една вълна във всички посоки е еднаква, т.е. вълна има сферична форма и се нарича обикновени. Скоростта на разпространение на друга вълна в посока на оптичната ос на кристала е същата като скоростта на обикновена вълна, а в посока, перпендикулярна на оптичната ос, тя се различава от нея. Вълната има елипсоидна форма и се нарича извънредно(фиг.5).

Ориз. 5. Разпространение на обикновена (o) и извънредна (e) вълна в кристал

с двойно пречупване.

Призма Никола.За получаване на поляризирана светлина се използва поляризираща призма Nicol. От калцит се изрязва призма с определена форма и размер, след което се изрязва по диагонална равнина и се залепва с канадски балсам. При падане на светлинен лъч върху горната повърхност по оста на призмата (фиг. 6), извънредният лъч пада върху равнината на залепване под по-малък ъгъл и преминава през почти без промяна на посоката. Обикновеният лъч пада под ъгъл, по-голям от ъгъла на пълно отражение за канадския балсам, отразява се от равнината на залепване и се поглъща от почерненото лице на призмата. Призмата на Никол произвежда напълно поляризирана светлина, чиято равнина на трептене лежи в главната равнина на призмата.

Ориз. 6. Никола призма. Схема на преминаване на обикновен

и необикновени лъчи.

Дихроизъм.Има кристали, които поглъщат обикновени и необикновени лъчи по различни начини. Така че, ако естествен светлинен лъч е насочен към турмалинов кристал перпендикулярно на посоката на оптичната ос, тогава с дебелина на плочата от само няколко милиметра, обикновеният лъч ще бъде напълно погълнат и само необикновеният лъч ще излезе от кристала (фиг. 7).

Ориз. 7. Преминаване на светлина през турмалинов кристал.

Различният характер на поглъщането на обикновени и извънредни лъчи се нарича абсорбционна анизотропия,или дихроизъм.По този начин турмалиновите кристали могат да се използват и като поляризатори.

полароиди.В момента поляризаторите се използват широко. поляроиди.За да се направи поляроид, между две плочи от стъкло или плексиглас се залепва прозрачен филм, който съдържа кристали от дихроично вещество, поляризираща светлина (например йодхинон сулфат). По време на процеса на производство на филма, кристалите са ориентирани така, че техните оптични оси да са успоредни. Цялата система е фиксирана в рамка.

Ниската цена на поляроидите и възможността за производство на плочи с голяма площ осигуриха широкото им приложение в практиката.

Анализ на поляризирана светлина.За изследване на естеството и степента на поляризация на светлината, устройства, наречени анализатори.Като анализатори се използват същите устройства, които служат за получаване на линейно поляризирана светлина - поляризатори, но пригодени за въртене около надлъжната ос. Анализаторът пропуска само вибрации, които съвпадат с основната му равнина. IN в противен случайпрез анализатора преминава само осцилационният компонент, който съвпада с тази равнина.

Ако светлинната вълна, влизаща в анализатора, е линейно поляризирана, тогава интензитетът на вълната, напускаща анализатора, отговаря на Законът на Малус:

,

където I 0 е интензитетът на входящата светлина, φ е ъгълът между равнините на входящата светлина и светлината, предавана от анализатора.

Преминаването на светлината през системата поляризатор-анализатор е показано схематично на фиг. 8.

Ориз. Фиг. 8. Схема на преминаване на светлината през системата поляризатор-анализатор (P - поляризатор,

A - анализатор, E - екран):

а) главните равнини на поляризатора и анализатора съвпадат;

б) главните равнини на поляризатора и анализатора са разположени под определен ъгъл;

в) главните равнини на поляризатора и анализатора са взаимно перпендикулярни.

Ако главните равнини на поляризатора и анализатора съвпадат, тогава светлината напълно преминава през анализатора и осветява екрана (фиг. 7а). Ако са разположени под определен ъгъл, светлината преминава през анализатора, но се затихва (фиг. 7б) толкова повече, колкото по-близо е този ъгъл до 90 0 . Ако тези равнини са взаимно перпендикулярни, тогава светлината се гаси напълно от анализатора (фиг. 7в)

Въртене на равнината на трептене на поляризирана светлина. Поляриметрия.Някои кристали, както и разтвори органична материяимат свойството да въртят равнината на трептене на преминаващата през тях поляризирана светлина. Тези вещества се наричат оптическино активен. Те включват захари, киселини, алкалоиди и др.

За повечето оптично активни вещества е установено съществуването на две модификации, които въртят равнината на поляризация, съответно по посока на часовниковата стрелка и обратно на часовниковата стрелка (за наблюдател, гледащ към лъча). Първата модификация се нарича правовъртящ се,или положителенвторо - лявовъртящ се,или отрицателен.

Естествената оптична активност на вещество в некристално състояние се дължи на асиметрията на молекулите. При кристалните вещества оптичната активност може да се дължи и на особеностите на подреждането на молекулите в решетката.

В твърди тела ъгълът φ на завъртане на равнината на поляризация е право пропорционален на дължината d на пътя на светлинния лъч в тялото:

където е α ротационна способност (специфична ротация),в зависимост от вида на веществото, температурата и дължината на вълната. При модификациите на ляво и дясно въртене ротационните способности са еднакви по големина.

За разтвори ъгълът на въртене на поляризационната равнина

,

където α е специфичното въртене, c е концентрацията на оптично активното вещество в разтвора. Стойността на α зависи от естеството на оптично активното вещество и разтворителя, температурата и дължината на вълната на светлината. Специфична ротация- това е 100 пъти увеличен ъгъл на въртене за разтвор с дебелина 1 dm при концентрация на веществото 1 грам на 100 cm 3 разтвор при температура 20 0 C и при дължина на вълната на светлината λ=589 nm. Много чувствителен метод за определяне на концентрацията c, базиран на това съотношение, се нарича поляриметрия (захариметрия).

Зависимостта на въртенето на равнината на поляризация от дължината на вълната на светлината се нарича ротационна дисперсия.В първо приближение има Законът на биологията:

където А е коефициент в зависимост от естеството на веществото и температурата.

В клинични условия методът поляриметриясе използва за определяне на концентрацията на захар в урината. Устройството, което се използва за това, се нарича захариметър(фиг. 9).

Ориз. 9. Оптично оформление на захариметъра:

И - източник на естествена светлина;

C - светлинен филтър (монохроматор), който осигурява координацията на работата на устройството

със закона на Био;

L е събирателна леща, която дава паралелен лъч светлина на изхода;

P - поляризатор;

K – епруветка с тестов разтвор;

A - анализатор, монтиран на въртящ се диск D с разделения.

При провеждане на изследване анализаторът първо се настройва на максимално затъмняване на зрителното поле без тестовия разтвор. След това в устройството се поставя епруветка с разтвор и при завъртане на анализатора зрителното поле отново се затъмнява. По-малкият от двата ъгъла, през които трябва да се завърти анализаторът, е ъгълът на завъртане на аналита. Ъгълът се използва за изчисляване на концентрацията на захар в разтвора.

За да се опростят изчисленията, епруветката с разтвора е направена толкова дълга, че ъгълът на въртене на анализатора (в градуси) е числено равен на концентрацията отразтвор (в грамове на 100 cm 3). Дължината на епруветката за глюкоза е 19 см.

поляризационна микроскопия.Методът се основава на анизотропиянякои компоненти на клетките и тъканите, които се появяват, когато се наблюдават в поляризирана светлина. Структури, състоящи се от молекули, подредени успоредно, или дискове, подредени под формата на купчина, когато се въвеждат в среда с показател на пречупване, който се различава от индекса на пречупване на частиците на структурата, проявяват способността да двойно пречупване.Това означава, че структурата ще предава поляризирана светлина само ако равнината на поляризация е успоредна на дългите оси на частиците. Това остава валидно дори когато частиците нямат собствено двойно пречупване. Оптичен анизотропиянаблюдава се в мускулите, съединителната тъкан (колаген) и нервните влакна.

Самото име на скелетния мускул набраздено"поради разликата в оптичните свойства на отделните участъци от мускулното влакно. Състои се от редуващи се по-тъмни и по-светли участъци от тъканното вещество. Това придава на влакното напречно набраздяване. Изследването на мускулното влакно в поляризирана светлина разкрива, че по-тъмните зони са анизотропени имат имоти двойно пречупване, докато по-тъмните зони са изотропен. Колагенвлакната са анизотропни, тяхната оптична ос е разположена по оста на влакното. Мицели в пулпа неврофибрилисъщо са анизотропни, но техните оптични оси са разположени в радиални посоки. За хистологично изследване на тези структури се използва поляризационен микроскоп.

Най-важният компонент на поляризационния микроскоп е поляризаторът, който се намира между източника на светлина и кондензатора. Освен това микроскопът има въртящо се стъпало или държач за проба, анализатор, разположен между обектива и окуляра, който може да се монтира така, че оста му да е перпендикулярна на оста на поляризатора, и компенсатор.

Когато поляризаторът и анализаторът са кръстосани и обектът липсва или изотропенполето изглежда равномерно тъмно. Ако има обект с двойно пречупване и той е разположен така, че оста му е под ъгъл спрямо равнината на поляризация, различен от 0 0 или от 90 0 , той ще раздели поляризираната светлина на два компонента - успоредна и перпендикулярна на равнината на анализатора. Следователно част от светлината ще премине през анализатора, което ще доведе до ярко изображение на обекта на тъмен фон. Когато обектът се завърти, яркостта на изображението му ще се промени, достигайки максимум под ъгъл от 45 0 спрямо поляризатора или анализатора.

Поляризиращата микроскопия се използва за изследване на ориентацията на молекулите в биологични структури (например мускулни клетки), както и по време на наблюдение на структури, невидими от други методи (например митотично вретено по време на клетъчното делене), идентифициране на спиралната структура.

Поляризираната светлина се използва в условия на модел за оценка на механичните напрежения, които възникват в костните тъкани. Този метод се основава на явлението фотоеластичност, което се състои в появата на оптична анизотропия в първоначално изотропните твърди тела под действието на механични натоварвания.

ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ДЪЛЖИНАТА НА СВЕТЛИННАТА ВЪЛНА С ПОМОЩ НА ДИФРАКЦИОННА РЕШЕТКА

Светлинни смущения.Светлинната интерференция е явление, което възниква при наслагване на светлинни вълни и е придружено от тяхното усилване или затихване. Стабилна интерференционна картина възниква, когато се наслагват кохерентни вълни. Кохерентните вълни се наричат ​​вълни с еднакви честоти и еднакви фази или с постоянно фазово изместване. Усилването на светлинните вълни по време на интерференция (максимално условие) се получава, ако Δ отговаря на четен брой дължини на половин вълни:

където к – максимален ред, k=0,±1,±2,±,…±n;

λ е дължината на светлинната вълна.

Отслабването на светлинните вълни по време на интерференция (минимално условие) се наблюдава, ако нечетен брой дължини на половин вълни се вписват в оптичната разлика в пътя Δ:

където к е от порядъка на минимума.

Оптичната разлика в пътя на два лъча е разликата в разстоянията от източниците до точката на наблюдение на интерференционната картина.

Интерференция в тънки филми.Интерференция в тънките филми може да се наблюдава в сапунени мехурчета, в петно ​​от керосин върху повърхността на водата, когато е осветено от слънчева светлина.

Оставете лъч 1 да падне върху повърхността на тънък филм (виж фиг. 2). Лъчът, пречупен на интерфейса въздух-филм, преминава през филма, отразява се от вътрешната му повърхност, приближава се до външната повърхност на филма, пречупва се на интерфейса филм-въздух и лъчът излиза. Насочваме лъч 2 към изходната точка на лъча, който минава успоредно на лъч 1. Лъч 2 се отразява от повърхността на филма, насложен върху лъча, и двата лъча пречат.

Когато осветим филма с полихроматична светлина, получаваме картина на дъгата. Това се дължи на факта, че филмът не е еднакъв по дебелина. Вследствие на това възникват разлики в пътищата с различна величина, които съответстват на различни дължини на вълната (цветни сапунени филми, преливащи цветове на крилата на някои насекоми и птици, филми от масло или масла върху повърхността на водата и др.).

Светлинната интерференция се използва в устройства - интерферометри. Интерферометрите са оптични устройства, които могат да се използват за пространствено разделяне на два лъча и създаване на определена разлика в пътя между тях. Интерферометрите се използват за определяне на дължината на вълната с висока степен на точност на малки разстояния, показателите на пречупване на веществата и определяне на качеството на оптичните повърхности.

За санитарно-хигиенни цели интерферометърът се използва за определяне на съдържанието на вредни газове.

Комбинацията от интерферометър и микроскоп (интерференционен микроскоп) се използва в биологията за измерване на индекса на пречупване, концентрацията на сухо вещество и дебелината на прозрачните микрообекти.

Принцип на Хюйгенс-Френел.Според Хюйгенс всяка точка от средата, до която достига първичната вълна в даден момент, е източник на вторични вълни. Френел прецизира тази позиция на Хюйгенс, като добави, че вторичните вълни са кохерентни, т.е. когато се наслагват, те ще дадат стабилна интерференционна картина.

Дифракция на светлината.Дифракцията на светлината е явлението на отклонение на светлината от праволинейното разпространение.

Дифракция на успоредни лъчи от един процеп.Нека на целта широк в пада паралелен лъч монохроматична светлина (виж фиг. 3):

По пътя на лъчите е инсталирана леща Л , в чиято фокална равнина се намира екранът Е . Повечето лъчи не дифрагират; не променят посоката си и се фокусират от обектива Л в центъра на екрана, образувайки централен максимум или максимум от нулев порядък. Лъчи, дифрагиращи под равни ъглидифракция φ , ще образува максимуми на екрана 1,2,3,…, н - поръчки.

Така дифракционната картина, получена от един процеп в успоредни лъчи, когато е осветена с монохроматична светлина, е ярка ивица с максимално осветяване в центъра на екрана, след това идва тъмна ивица (минимум от 1-ви порядък), след това идва ярка ивица ( максимум от 1-ви ред).порядък), тъмна лента (минимум от 2-ри ред), максимум от 2-ри ред и др. Дифракционната картина е симетрична по отношение на централния максимум. Когато процепът е осветен с бяла светлина, на екрана се образува система от цветни ленти, само централният максимум ще запази цвета на падащата светлина.

Условия максИ миндифракция.Ако в оптичния път разлика Δ побере нечетен брой сегменти, равен на , тогава има увеличение на интензитета на светлината ( макс дифракция):

където к е порядъкът на максимума; к =±1,±2,±…,± н;

λ е дължината на вълната.

Ако в оптичния път разлика Δ побере четен брой сегменти, равен на , тогава има отслабване на интензитета на светлината ( мин дифракция):

където к е от порядъка на минимума.

Дифракционна решетка.Дифракционната решетка се състои от редуващи се ивици, които са непрозрачни за преминаването на светлината с ивици (цепи), прозрачни за светлина с еднаква ширина.

Основната характеристика на дифракционната решетка е нейният период д . периодът на дифракционната решетка е общата ширина на прозрачните и непрозрачните ленти:

Дифракционната решетка се използва в оптичните инструменти за подобряване на разделителната способност на инструмента. Разделителната способност на дифракционната решетка зависи от реда на спектъра к и на броя на ударите н :

където Р - резолюция.

Извеждане на формулата на дифракционната решетка.Нека насочим два успоредни лъча към дифракционната решетка: 1 и 2, така че разстоянието между тях да е равно на периода на решетката д .

В точки НО И IN лъчи 1 и 2 дифрагират, отклонявайки се от праволинейната посока под ъгъл φ е ъгълът на дифракция.

Лъчи И фокусиран от обектива Л върху екран, разположен във фокалната равнина на обектива (фиг. 5). Всеки процеп на решетката може да се разглежда като източник на вторични вълни (принципа на Хюйгенс-Френел). На екрана в точка D наблюдаваме максимума на интерференционната картина.

От една точка НО по пътя на лъча пуснете перпендикуляра и вземете точка C. разгледайте триъгълник ABC : правоъгълен триъгълник РВАС=Рφ като ъгли с взаимно перпендикулярни страни. От Δ ABC:

където AB=d (по конструкция),

SW = ∆ е разликата в оптичния път.

Тъй като в точка D наблюдаваме максимална интерференция, тогава

където к е от порядъка на максимума,

λ е дължината на светлинната вълна.

Включване на стойностите AB=d, във формулата за sinφ :

От тук получаваме:

IN общ изгледформулата на дифракционната решетка има формата:

Знаците ± показват, че интерференционната картина на екрана е симетрична по отношение на централния максимум.

Физически основи на холографията.Холографията е метод за записване и реконструкция на вълново поле, който се основава на явленията на вълновата дифракция и интерференцията. Ако в конвенционална снимка се записва само интензитетът на вълните, отразени от обекта, тогава фазите на вълните се записват допълнително върху холограмата, което дава Допълнителна информацияза обекта и ви позволява да получите триизмерно изображение на обекта.