La óptica es una rama de la física que estudia la naturaleza de la radiación luminosa, su distribución e interacción con la materia.

La luz tiene una naturaleza dual, tiene propiedades de onda y de partícula:

La luz es una corriente de partículas (fotones); la naturaleza corpuscular se manifiesta en la emisión y absorción de luz (por ejemplo, el fenómeno del efecto fotoeléctrico).

La luz es una onda electromagnética; en la escala EMW - la posición entre las ondas de radio y los rayos X - el rango óptico:

1. Luz visible: longitud de onda 380-760 nm.

   Luz infrarroja: longitud de onda 760 nm - 1 mm.

   Radiación ultravioleta: 10 - 380 nm.

La naturaleza electromagnética se revela en el proceso de propagación de la luz: los fenómenos de interferencia, difracción, polarización, reflexión y refracción.

La refractometría es el método más preciso y sencillo para la determinación cuantitativa de las proteínas del suero sanguíneo: proteína total y el porcentaje de sus fracciones (albúmina, globulinas y fibrinógeno). Además, este método se utiliza para determinar la pureza del agua, identificar diversas sustancias, etc.

La luz, como cualquier onda electromagnética, se propaga desde una fuente en el espacio en todas las direcciones. Las ondas electromagnéticas se propagan en cualquier medio, incluido el vacío. En este caso, la velocidad de la onda depende de las propiedades dieléctricas y magnéticas del medio:

- permitividad relativa del medio

- constante dieléctrica

- constante magnética

- permeabilidad magnética relativa del medio

- velocidad de la luz (y una onda electromagnética) en el vacío.

Un haz es cualquier dirección arbitraria de propagación de una onda de luz. En un medio homogéneo, la luz viaja en línea recta a una velocidad constante.

La reflexión de la luz es un cambio en la dirección de propagación de una onda de luz en la interfaz entre dos medios, en el que la onda regresa al primer medio sin cambiar su velocidad.

Leyes de la reflexión:

Refracción de la luz: un cambio en la dirección de propagación de una onda de luz en el límite de dos medios, en el que la onda pasa al segundo medio y su velocidad cambia.

Leyes de la refracción:

, donde

- índice de refracción del segundo medio relativo al primero (índice de refracción relativo)

Y son los índices de refracción absolutos del primer y segundo medio, es decir los índices de refracción de cada uno de estos medios en relación con el vacío.

El significado físico del índice de refracción: el índice de refracción absoluto es igual a la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un medio:

De la fórmula para la velocidad de una onda electromagnética se sigue:

Por lo tanto, el índice de refracción absoluto
, es decir. depende de las propiedades del medio. De manera similar, el índice de refracción relativo es igual a la relación entre la velocidad de la luz en el primer medio y su velocidad en el segundo medio:

Cuando la luz pasa de un medio a otro, la velocidad puede aumentar o disminuir, dependiendo de las propiedades de estos medios. Un medio con un índice de refracción absoluto más bajo se llama ópticamente menos denso, y un medio con un índice de refracción absoluto más alto se llama ópticamente más denso.

Características de la reflexión y refracción de la luz en el límite de dos medios de diferente densidad óptica:

Cuando la luz pasa de un medio ópticamente menos denso a un medio ópticamente más denso, el ángulo de refracción menor que el ángulo de incidencia .

A medida que aumenta el ángulo de incidencia el ángulo de refracción también aumenta. Ángulo máximo de incidencia
corresponde al ángulo de refracción
. Por lo tanto, los rayos que caen en la interfaz entre dos medios en cualquier ángulo de 0 0 a 90 0 pasan al segundo medio, es decir, hay una refracción completa de la luz. El ángulo de refracción correspondiente al ángulo de incidencia de 90 0 se denomina ángulo límite de refracción total ( ). El valor de este ángulo se puede determinar en base a la ley de refracción:

Cuando la luz pasa de un medio ópticamente más denso a uno menos denso, el ángulo de refracción más ángulo de incidencia :

A medida que aumenta el ángulo de incidencia, también aumenta el ángulo de refracción. A un cierto valor del ángulo de incidencia (
) el ángulo de refracción alcanza un valor máximo de 90 0 , es decir el haz refractado se desliza a lo largo de la interfaz entre los medios. Con un mayor aumento en el ángulo de incidencia (
) el haz de luz no pasa al segundo medio, sino que se refleja completamente en el primer medio. Este fenómeno se llama reflexión interna total. El ángulo de incidencia, que corresponde a un ángulo de refracción de 90 0, se denomina ángulo límite de la reflexión interna total (
). El valor de este ángulo también se puede determinar en base a la ley de refracción:

Cuando un haz de luz pasa de un medio con un índice
en el aire, cuyo índice de refracción aproximadamente igual a uno

.

Condiciones para la reflexión interna total:

La luz pasa de un medio ópticamente más denso a uno menos denso.

El ángulo de incidencia es mayor o igual que el ángulo límite de reflexión interna total.

En general, en la interfase entre medios, los fenómenos de reflexión y refracción de la luz ocurren juntos. La intensidad de la luz incidente es igual a la suma de las intensidades de la luz reflejada y refractada:
. A medida que aumenta el ángulo de incidencia, la intensidad del haz refractado disminuye y la del haz reflejado aumenta. Con la reflexión interna total, toda la energía de la onda de luz regresa al primer medio.

Un refractómetro es un dispositivo para determinar el índice de refracción de una sustancia. Su trabajo en luz transmitida se basa en la determinación del ángulo de refracción límite, que depende del índice de refracción del líquido investigado. La parte principal del refractómetro son dos prismas de vidrio (1 y 2), que están en contacto con las caras de la hipotenusa. Entre estas caras hay un espacio de aproximadamente 0,1 mm de tamaño, donde se coloca el líquido de prueba. La cara hipotenusa del prisma superior (1) es mate. La luz que cae sobre esta cara se dispersa y, habiendo atravesado el líquido en estudio, cae sobre la cara hipotenusa del prisma inferior (2) en diferentes ángulos de 0 0 a 90 0 . El índice de refracción del líquido es menor que el índice de refracción del vidrio, por lo tanto, todos los rayos ingresan al prisma inferior (2) en ángulos de 0 0 al ángulo de refracción límite ( ). Un telescopio se interpone en el camino de los rayos que emergen del segundo prisma. El campo de visión del tubo se divide en 2 partes: claro y oscuro. El borde de luz y sombra corresponde a un rayo que pasa en el ángulo límite de refracción: el espacio dentro de este ángulo está iluminado, afuera está oscuro.

haber medido y conociendo el índice de refracción N del prisma de vidrio, el índice de refracción n del líquido investigado se puede encontrar mediante la fórmula:
.

Para facilitar el uso del dispositivo, la escala de medición se gradúa inmediatamente según el índice de refracción.

Al determinar el índice de refracción de líquidos turbios y coloreados, las mediciones se realizan en luz reflejada para reducir la pérdida de energía cuando la luz atraviesa el líquido. El haz de luz de la fuente atraviesa la cara lateral mate del prisma inferior (2). En este caso, la luz se dispersa y cae sobre su cara de hipotenusa, que está en contacto con el líquido investigado, en diferentes ángulos de 0 0 a 90 0 . Los rayos que inciden sobre el líquido en ángulos menores que el límite pasan a él, y los rayos que inciden en los grandes experimentan una reflexión interna total y salen por la segunda cara lateral del prisma inferior hacia el telescopio. El campo de visión también se divide en partes claras y oscuras, pero la posición de la interfaz en este caso está determinada por el ángulo límite de reflexión total.

Sin embargo, con este dispositivo, es posible medir solo el índice de refracción de las sustancias en las que es menor que el índice de refracción del vidrio de los prismas de medición.

Importante parte integral refractómetro es un compensador de dispersión (ya que funciona con luz blanca, para eliminar la dispersión, es decir, una banda espectral) - un prisma Amici, que se instala frente a la lente del telescopio. El prisma de Amici consta de 3 prismas, seleccionados de modo que la dispersión en ellos sea igual en magnitud pero de signo opuesto a la dispersión en los prismas 1 y 2. Así, la dispersión total se reduce a cero. El único rayo que no se desvía después del prisma de Amici es el amarillo. Los rayos coloreados a la salida del prisma se recogen en un haz de luz blanca correspondiente a la dirección del haz amarillo.

El flujo de energía F es la energía E que atraviesa cualquier superficie por unidad de tiempo:

[W]

Si un flujo de energía Ф 0 cae sobre el cuerpo, entonces, en general, una parte de este flujo Ф ref se refleja desde la superficie del cuerpo, una parte Ф pr pasa a través del cuerpo y una parte Ф absorber es absorbida por las partículas del cuerpo. Por lo tanto, el balance de energía total: Ф 0 = Ф neg + Ф absorber + Ф pr Dividiendo ambas partes por Ф 0 obtenemos:

Actitud
- coeficiente de reflexión, y es de 0 a 1.

Actitud
- coeficiente de absorción, y es de 0 a 1.

Actitud
- transmitancia, y es de 0 a 1.

Si el cuerpo es absolutamente transparente, es decir, no absorbe la radiación, y
, luego
. Si el cuerpo es absolutamente opaco, es decir,
, luego
. Si
, entonces el cuerpo absorbe todos los rayos que caen sobre él.

Estos coeficientes dependen de la longitud de onda de la luz y de la temperatura absoluta del cuerpo:

Los coeficientes de reflexión, absorción y transmisión a una determinada longitud de onda se denominan monocromáticos. En el registro, esto suele indicarse con el subíndice " » con una característica apropiada, por ejemplo, .

Leyes de atenuación de la luz a su paso por la materia.

La intensidad de la radiación es un valor numéricamente igual a
, donde

S es el área de la superficie perpendicular a la dirección de propagación de la onda, a través de la cual se transfiere la energía E.

Sea I 0 la intensidad de la luz que incide sobre cierta capa absorbente, sea I X la intensidad de la luz después de pasar a través de una capa de espesor X. En cada capa delgada, se absorbe dX yo = - niñoX (el signo "-" indica una disminución de la intensidad). Dividiendo las variables, obtenemos:

. Resolvamos la ecuación diferencial:

La última ecuación es la ley de absorción de Bouguer. El factor de proporcionalidad k en la ley de Bouguer depende de la longitud de onda de la luz:
- y para una onda dada se denomina índice de absorción natural monocromática. Además, k depende del tipo de sustancia.

El significado físico del índice de absorción natural: este es el recíproco del espesor de la capa absorbente de una sustancia, durante cuyo paso la intensidad de la luz disminuirá en un factor de e. La dimensión k en el sistema de unidades SI es [m -1].

Para soluciones suficientemente diluidas en las que solo se absorbe el soluto (pero no el solvente), es válida una relación llamada ley de Beer:
, donde

C es la concentración molar de centros de absorción (moléculas cromóforas);

- tasa de absorción molar natural, es decir tasa de absorción de una solución de concentración única. La dimensión es [mol -1 metro -1].

Según la ley de Beer, la tasa de absorción es directamente proporcional a la concentración del soluto (el índice molar, a diferencia de k, no depende de la concentración).

Al sustituir la ley de Beer en la ecuación de la ley de Bouguer, obtenemos la ley combinada de Lambert-Bouguer-Beer:

.

Sin embargo, en la práctica, suelen tomar la base no e, sino 10:

, donde el coeficiente de absorción molar
, porque
. En espectroscopia, el índice de absorción molar se denomina extinción molar.

Espectros de absorción de luz. calorimetría de concentración.

El valor igual al logaritmo decimal del recíproco de la transmitancia es la densidad óptica de la solución:

.

Adiccion desde o
desde es el espectro de absorción de la sustancia dada. La densidad óptica se puede medir en la práctica utilizando un instrumento espectrofotómetro. esto permite determinar la concentración desconocida de una solución de una sustancia cromófora a partir de la concentración conocida de una solución de la misma sustancia. Midiendo las densidades ópticas D 0 de una solución de concentración conocida C 0 y D X de una solución de concentración desconocida C X al mismo espesor de la capa absorbente (espesor de celda), obtenemos la proporción:

, donde

En medicina, este método es ampliamente utilizado, ya que le permite trabajar con bajas concentraciones de una sustancia (10 -8 - 10 -12 M). En particular, se utiliza en medicina forense.

Temas del codificador USE: ley de refracción de la luz, reflexión interna total.

En la interfaz entre dos medios transparentes, junto con el reflejo de la luz, se observa su reflejo. refracción- la luz, al pasar a otro medio, cambia la dirección de su propagación.

La refracción de un haz de luz ocurre cuando oblicuo cayendo en la interfaz (aunque no siempre, siga leyendo sobre la reflexión interna total). Si el rayo cae perpendicular a la superficie, entonces no habrá refracción; en el segundo medio, el rayo conservará su dirección y también irá perpendicular a la superficie.

Ley de la refracción (caso especial).

Comenzaremos con el caso particular donde uno de los medios es el aire. Esta situación está presente en la gran mayoría de tareas. Discutiremos el caso particular correspondiente de la ley de refracción, y luego daremos su formulación más general.

Suponga que un rayo de luz que viaja a través del aire cae oblicuamente sobre la superficie del vidrio, el agua o algún otro medio transparente. Al pasar al medio, el haz se refracta y su curso posterior se muestra en la Fig. una .

Se dibuja una perpendicular en el punto de incidencia (o, como dicen, normal) a la superficie del medio. La viga, como antes, se llama haz incidente, y el ángulo entre el rayo incidente y la normal es Ángulo de incidencia. el rayo es haz refractado; El ángulo entre el rayo refractado y la normal a la superficie se llama ángulo de refracción.

Cualquier medio transparente se caracteriza por una cantidad llamada índice de refracción este ambiente Los índices de refracción de varios medios se pueden encontrar en las tablas. Por ejemplo, para vidrio y para agua. En general, para cualquier ambiente; el índice de refracción es igual a la unidad solo en el vacío. En aire, por lo tanto, para aire con suficiente precisión se puede suponer en problemas (en óptica, el aire no difiere mucho del vacío).

Ley de refracción (transición "aire-medio") .

1) El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie trazada en el punto de incidencia se encuentran en el mismo plano.
2) La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es igual al índice de refracción del medio:

. (1)

Ya que de la relación (1) se sigue que , es decir - el ángulo de refracción es menor que el ángulo de incidencia. Recordar: al pasar del aire al medio, el haz después de la refracción se acerca más a la normal.

El índice de refracción está directamente relacionado con la velocidad de la luz en un medio dado. Esta velocidad es siempre menor que la velocidad de la luz en el vacío: . Y resulta que

. (2)

Por qué sucede esto, lo entenderemos al estudiar la óptica de ondas. Mientras tanto, combinemos las fórmulas. (1) y (2):

. (3)

Dado que el índice de refracción del aire es muy cercano a la unidad, podemos suponer que la velocidad de la luz en el aire es aproximadamente igual a la velocidad de la luz en el vacío. Teniendo esto en cuenta y mirando la fórmula. (3), concluimos: la relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es igual a la relación entre la velocidad de la luz en el aire y la velocidad de la luz en un medio.

Reversibilidad de los rayos de luz.

Ahora considere el curso inverso del haz: su refracción durante la transición del medio al aire. El siguiente principio útil nos ayudará aquí.

El principio de reversibilidad de los rayos de luz. La trayectoria del haz no depende de si es directa o direccion contraria el haz se propaga. Moviéndose en la dirección opuesta, el rayo seguirá exactamente el mismo camino que en la dirección de avance.

De acuerdo con el principio de reversibilidad, al pasar del medio al aire, el haz seguirá la misma trayectoria que durante la transición correspondiente del aire al medio (Fig. 2) La única diferencia en la Fig. 2 de la fig. 1 es que la dirección del haz ha cambiado a la opuesta.

Dado que la imagen geométrica no ha cambiado, la fórmula (1) seguirá siendo la misma: la relación entre el seno del ángulo y el seno del ángulo sigue siendo igual al índice de refracción del medio. Es cierto que ahora los ángulos han cambiado de papel: el ángulo se ha convertido en el ángulo de incidencia y el ángulo se ha convertido en el ángulo de refracción.

En cualquier caso, no importa cómo vaya el haz, del aire al medio ambiente o del medio ambiente al aire, la siguiente regla simple funciona. Tomamos dos ángulos: el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción; la relación entre el seno del ángulo mayor y el seno del ángulo menor es igual al índice de refracción del medio.

Ahora estamos completamente preparados para discutir la ley de refracción en el caso más general.

Ley de la refracción (caso general).

Deje pasar la luz del medio 1 con índice de refracción al medio 2 con índice de refracción. Un medio con un alto índice de refracción se llama ópticamente más denso; en consecuencia, un medio con un índice de refracción más bajo se llama ópticamente menos denso.

Al pasar de un medio ópticamente menos denso a uno ópticamente más denso, el haz de luz después de la refracción se acerca más a la normal (Fig. 3). En este caso, el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo de refracción: .

Arroz. 3.

Por el contrario, al pasar de un medio ópticamente más denso a uno ópticamente menos denso, el haz se desvía más de la normal (Fig. 4). Aquí el ángulo de incidencia es menor que el ángulo de refracción:

Arroz. 4.

Resulta que ambos casos están cubiertos por una fórmula: ley común refracción, válida para dos medios transparentes cualesquiera.

La ley de la refracción.
1) El haz incidente, el haz refractado y la normal a la interfaz entre los medios, dibujada en el punto de incidencia, se encuentran en el mismo plano.
2) La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es igual a la relación entre el índice de refracción del segundo medio y el índice de refracción del primer medio:

. (4)

Es fácil ver que la ley de refracción formulada previamente para la transición "aire-medio" es un caso especial de esta ley. De hecho, suponiendo en la fórmula (4), llegaremos a la fórmula (1).

Recuerde ahora que el índice de refracción es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un medio dado: . Sustituyendo esto en (4) , obtenemos:

. (5)

La fórmula (5) generaliza la fórmula (3) de forma natural. La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es igual a la relación entre la velocidad de la luz en el primer medio y la velocidad de la luz en el segundo medio.

reflexión interna total.

Cuando los rayos de luz pasan de un medio ópticamente más denso a uno ópticamente menos denso, se observa un fenómeno interesante: completa reflexión interna. Veamos qué es.

Supongamos para mayor precisión que la luz pasa del agua al aire. Supongamos que hay una fuente puntual de luz en las profundidades del embalse, que emite rayos en todas las direcciones. Consideraremos algunos de estos rayos (Fig. 5).

El rayo cae sobre la superficie del agua en el ángulo más pequeño. Este haz se refracta en parte (haz) y en parte se refleja de nuevo en el agua (haz). Así, parte de la energía del haz incidente se transfiere al haz refractado y el resto de la energía se transfiere al haz reflejado.

El ángulo de incidencia del haz es mayor. Este haz también se divide en dos haces: refractado y reflejado. Pero la energía del rayo original se distribuye entre ellos de manera diferente: el rayo refractado será más tenue que el rayo (es decir, recibirá una porción menor de la energía), y el rayo reflejado será correspondientemente más brillante que el rayo. rayo (recibirá una mayor parte de la energía).

A medida que aumenta el ángulo de incidencia, se puede observar la misma regularidad: una parte cada vez mayor de la energía del haz incidente va al haz reflejado y una parte cada vez menor al haz refractado. El haz refractado se vuelve cada vez más tenue, ¡y en algún momento desaparece por completo!

Esta desaparición se produce cuando se alcanza el ángulo de incidencia, que corresponde al ángulo de refracción. En esta situación, el haz refractado tendría que ir paralelo a la superficie del agua, pero no hay nada que hacer: toda la energía del haz incidente se dirigió por completo al haz reflejado.

Con un mayor aumento en el ángulo de incidencia, el haz refractado incluso estará ausente.

El fenómeno descrito es la reflexión interna total. El agua no emite rayos hacia el exterior con ángulos de incidencia iguales o superiores a un cierto valor; todos esos rayos se reflejan por completo en el agua. El ángulo se llama ángulo límite de reflexión total.

El valor es fácil de encontrar a partir de la ley de refracción. Tenemos:

Pero, por lo tanto

Entonces, para el agua, el ángulo límite de reflexión total es igual a:

Puedes observar fácilmente el fenómeno de la reflexión interna total en casa. Vierta agua en un vaso, levántelo y mire la superficie del agua ligeramente desde abajo a través de la pared del vaso. Verá un brillo plateado en la superficie; debido a la reflexión interna total, se comporta como un espejo.

El más importante aplicación técnica la reflexión interna total es fibra óptica. Haces de luz lanzados al cable de fibra óptica ( Luz guía) casi paralelos a su eje, caen sobre la superficie en grandes ángulos y completamente, sin pérdida de energía, se reflejan de nuevo en el cable. Reflejados repetidamente, los rayos van más y más lejos, transfiriendo energía a una distancia considerable. La comunicación por fibra óptica se utiliza, por ejemplo, en redes de televisión por cable y acceso a Internet de alta velocidad.

La óptica geométrica es la parte más antigua de la óptica como ciencia.

óptica geométrica- Esta es una rama de la óptica que considera la propagación de la luz en varios sistemas ópticos (lentes, prismas, etc.) sin considerar la naturaleza de la luz.

Uno de los conceptos básicos en óptica y, en particular, en óptica geométrica, es el concepto de rayo.

Un haz de luz es una línea a lo largo de la cual se propaga la energía luminosa.

Haz de luz Es un haz de luz cuyo espesor es mucho menor que la distancia a la que se propaga. Tal definición es cercana, por ejemplo, a la definición de un punto material, que se da en cinemática.

Primera ley de la óptica geométrica.(Ley de propagación rectilínea de la luz): En un medio transparente homogéneo, la luz se propaga en línea recta.

Según el teorema de Fermat: la luz se propaga en tal dirección, el tiempo de propagación en el cual será mínimo.

La segunda ley de la óptica geométrica.(Leyes de la reflexión):

1. El haz reflejado se encuentra en el mismo plano que el haz incidente y es perpendicular a la interfaz entre dos medios.

2. El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión (ver Fig. 1).

∟α = ∟β

Arroz. 1. Ley de reflexión

Tercera ley de la óptica geométrica(Ley de la refracción) (Ver Fig. 2)

1. El rayo refractado se encuentra en el mismo plano que el rayo incidente y la perpendicular restaurada al punto de incidencia.

2. La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es un valor constante para estos dos medios, que se denomina índice de refracción. ( norte).

La intensidad del haz reflejado y refractado depende de cuál sea el medio y cuál sea la interfaz.

Arroz. 2. Ley de refracción

El significado físico del índice de refracción:

El índice de refracción es relativo, ya que las medidas se realizan con respecto a dos medios.

En el caso de que uno de los medios sea un vacío:

DESDE es la velocidad de la luz en el vacío,

n es el índice de refracción absoluto que caracteriza al medio con respecto al vacío.

Si la luz pasa de un medio ópticamente menos denso a un medio ópticamente más denso, la velocidad de la luz disminuye.

Un medio ópticamente más denso es un medio en el que la velocidad de la luz es menor.

Un medio ópticamente menos denso es un medio en el que la velocidad de la luz es mayor.

Ley de reflexión interna total

Hay un ángulo de refracción límite: el ángulo de incidencia más grande del haz, en el que todavía se produce refracción cuando el haz pasa a un medio menos denso. En ángulos de incidencia mayores que el límite, se produce una reflexión interna total (ver Fig. 3).

Arroz. 3. Ley de reflexión interna total

Los límites de aplicabilidad de la óptica geométrica radican en el hecho de que es necesario tener en cuenta el tamaño de los obstáculos a la luz.

La luz tiene una longitud de onda de aproximadamente 10 -9 metros

Si los obstáculos son más grandes que la longitud de onda, entonces se pueden usar las dimensiones de la óptica geométrica.

laboratorio 301

Medición del índice de refracción de un líquido con un refractómetro ABBE

Elementos de óptica geométrica.

Las siguientes leyes forman la base de la óptica geométrica: 1) la ley de propagación rectilínea de la luz; 2) la ley de independencia de los rayos de luz; 3) leyes de reflexión de la luz; 4) las leyes de la refracción de la luz.

La ley de la propagación rectilínea de la luz.:

En un medio transparente homogéneo, la luz se propaga en línea recta.

La ley de la independencia de los rayos de luz.:

Cada haz de luz, cuando se combina con otros, se comporta independientemente de los otros haces, es decir, el principio de superposición es válido.

Leyes de la reflexión de la luz.:

El rayo incidente en la interfaz, la normal a esta superficie en el punto de incidencia y el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano (llamado plano de incidencia).

El ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia.

Leyes de la refracción de la luz:

El haz incidente en la interfase, la normal a esta superficie en el punto de incidencia y el haz reflejado se encuentran en el mismo plano.

La relación de los senos del ángulo de incidencia. I y ángulo de refracción r es un valor constante para dos medios diferentes (ley de Snell):

Valor norte 21 llamado índice de refracción relativo dos ambientes. Índice de refracción relativo norte 21 es igual a la razón de la velocidad de la luz en el primer medio υ 1, a la velocidad de la luz en el segundo medio υ 2:

Este es su significado físico. El índice de refracción de cualquier medio con respecto al vacío se llama índice de refracción absoluto este ambiente Muestra cuántas veces la velocidad de la luz en el vacío es mayor que la velocidad de la luz en un medio dado, y está determinada por la fórmula

donde desde es la velocidad de la luz en el vacío; υ es la velocidad de la luz en el medio. Conocer los índices de refracción absolutos de los dos medios. norte 1 y norte 2, puede encontrar su índice de refracción relativo:

Teniendo en cuenta esta expresión, la ley de Snell (1) se puede reescribir de forma que sea simétrica con respecto a dos medios:

norte 1 pecado yo = norte 2 pecado r. (2)

La relación (2) refleja la propiedad de reversibilidad de los rayos de luz.

Miércoles con un gran norte llamado ópticamente más denso en relación con el medio ambiente con menos norte y viceversa. Si la luz pasa de un medio ópticamente menos denso a uno ópticamente más denso ( norte 1 <norte 2), por ejemplo, del aire al vidrio, entonces el ángulo de refracción es menor que el ángulo de incidencia, r<I(Figura 1a). Si la luz pasa de un medio ópticamente más denso a uno menos denso ( norte 1 >norte 2), por ejemplo, del vidrio al aire, entonces r>I(Figura 1b). En este último caso, es posible que

a un ángulo de incidencia suficientemente grande, el ángulo de refracción alcanza π /2, y la luz ya no penetrará en el segundo medio (Fig. 1c). El ángulo de incidencia en el que el ángulo de refracción es π /2 se llama ángulo límite de incidencia i etc. En ángulos de incidencia I> I pr la luz se refleja completamente desde la interfaz. El fenómeno por el cual un haz de luz no pasa al segundo medio, reflejándose completamente desde la interfase, se denomina reflexión interna total(Figura 1d).

Valor de ángulo límite para dos medios con índice de refracción relativo norte 21 se puede determinar a partir de la ley de Snell (1): si I = I pr, entonces, por definición, r = π/2, por lo tanto,

.

Por ejemplo, al pasar de vidrio ( norte 1 = 1,7) en el aire ( norte 2 = 1) la reflexión interna total se observará en los ángulos de incidencia I> arcsen(1/1.7) = 370 .

El fenómeno de la reflexión interna total se usa ampliamente en tecnología: en refractómetros para medir índices de refracción, guías de luz (fibras ópticas), polarizadores, periscopios y otros dispositivos.

El conjunto de métodos para medir el índice de refracción de las sustancias se denomina refractometría, e instrumentos para medirlo - refractómetros La refractometría es ampliamente utilizada para determinar la composición y estructura de sustancias, así como para controlar la calidad y composición de diversos productos en las industrias química, farmacéutica y alimentaria. Las ventajas de los métodos refractométricos de análisis cuantitativo son la velocidad de las mediciones, el bajo consumo de la sustancia y la alta precisión.

El significado físico del índice de refracción. La luz se refracta debido a un cambio en la velocidad de su propagación al pasar de un medio a otro. El índice de refracción del segundo medio en relación con el primero es numéricamente igual a la relación entre la velocidad de la luz en el primer medio y la velocidad de la luz en el segundo medio:

Así, el índice de refracción muestra cuántas veces la velocidad de la luz en el medio por el que sale el haz es mayor (menor) que la velocidad de la luz en el medio por el que entra.

Dado que la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío es constante, es recomendable determinar los índices de refracción de varios medios con respecto al vacío. relación de velocidad desde La propagación de la luz en el vacío a la velocidad de su propagación en un medio dado se llama índice de refracción absoluto sustancia dada () y es la característica principal de sus propiedades ópticas,

,

esos. el índice de refracción del segundo medio con respecto al primero es igual a la relación de los índices absolutos de estos medios.

Por lo general, las propiedades ópticas de una sustancia se caracterizan por el índice de refracción norte relativo al aire, que difiere poco del índice de refracción absoluto. En este caso, el medio en el que el índice absoluto es mayor se denomina ópticamente más denso.

Limitación del ángulo de refracción. Si la luz pasa de un medio con un índice de refracción más bajo a un medio con un índice de refracción más alto ( n 1< n 2 ), entonces el ángulo de refracción es menor que el ángulo de incidencia

r< i (Fig. 3).

Arroz. 3. Refracción de la luz durante la transición

de medio ópticamente menos denso a medio

ópticamente más denso.

A medida que el ángulo de incidencia aumenta a yo m = 90° (haz 3, Fig. 2) la luz en el segundo medio se propagará solo dentro del ángulo r pr llamado limite del angulo de refraccion. En la región del segundo medio dentro de un ángulo adicional al ángulo límite de refracción (90° - yo pr ), no penetra la luz (esta área está sombreada en la Fig. 3).

Ángulo límite de refracción r pr

Pero sen i m = 1, por lo tanto .

El fenómeno de la reflexión interna total. Cuando la luz pasa de un medio con un alto índice de refracción n 1 > n 2 (Fig. 4), entonces el ángulo de refracción es mayor que el ángulo de incidencia. La luz se refracta (pasa al segundo medio) solo dentro del ángulo de incidencia yo pr , que corresponde al ángulo de refracción = 90°.

Arroz. 4. Refracción de la luz durante la transición de un medio ópticamente más denso a un medio

menos densa ópticamente.

La luz que incide en un ángulo grande se refleja completamente desde el límite del medio (Fig. 4 haz 3). Este fenómeno se llama reflexión interna total, y el ángulo de incidencia yo pr es el ángulo límite de la reflexión interna total.

Ángulo límite de reflexión interna total yo pr determinado según la condición:

, entonces sen r m =1, por lo tanto, .

Si la luz viaja desde cualquier medio al vacío o al aire, entonces

Debido a la reversibilidad de la trayectoria de los rayos para estos dos medios, el ángulo límite de refracción en la transición del primer medio al segundo es igual al ángulo límite de reflexión interna total cuando el haz pasa del segundo medio al primero. .

El ángulo límite de la reflexión interna total del vidrio es inferior a 42°. Por lo tanto, los rayos que viajan a través del vidrio e inciden en su superficie en un ángulo de 45° se reflejan completamente. Esta propiedad del vidrio se usa en prismas rotatorios (Fig. 5a) y reversibles (Fig. 4b), que se usan a menudo en instrumentos ópticos.

Arroz. 5: a – prisma rotatorio; b - prisma inverso.

fibra óptica. La reflexión interna total se utiliza en la construcción de flexible guías de luz. La luz, al entrar en una fibra transparente rodeada por una sustancia con un índice de refracción más bajo, se refleja muchas veces y se propaga a lo largo de esta fibra (Fig. 6).

Figura 6. El paso de la luz por el interior de una fibra transparente rodeada de materia.

con un índice de refracción más bajo.

Para transmitir altos flujos de luz y mantener la flexibilidad del sistema de guía de luz, las fibras individuales se ensamblan en paquetes: guías de luz. La rama de la óptica que se ocupa de la transmisión de luz e imágenes a través de guías de luz se denomina fibra óptica. El mismo término se refiere a las partes y dispositivos de fibra óptica en sí. En medicina, las guías de luz se utilizan para iluminar las cavidades internas con luz fría y transmitir imágenes.

parte práctica

Los instrumentos para determinar el índice de refracción de las sustancias se denominan refractómetros(Figura 7).

Figura 7. Esquema óptico del refractómetro.

1 - espejo, 2 - cabezal de medición, 3 - sistema de prismas para eliminar la dispersión, 4 - lente, 5 - prisma giratorio (rotación del haz en 90 0), 6 - escala (en algunos refractómetros

hay dos escalas: la escala de índices de refracción y la escala de concentración de soluciones),

7 - ocular.

La parte principal del refractómetro es una cabeza de medición, que consta de dos prismas: uno iluminador, que se encuentra en la parte plegable de la cabeza, y uno de medición.

A la salida del prisma iluminador, su superficie mate crea un haz de luz disperso que atraviesa el líquido de prueba (2-3 gotas) entre los prismas. Los rayos caen sobre la superficie del prisma de medición en diferentes ángulos, incluso en un ángulo de 90 0 . En el prisma de medición, los rayos se recogen en la región del ángulo de refracción límite, lo que explica la formación de un límite de luz y sombra en la pantalla del dispositivo.

Figura 8. Trayectoria del haz en el cabezal de medición:

1 – prisma iluminador, 2 – líquido investigado,

3 - prisma de medición, 4 - pantalla.

DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE DE AZÚCAR EN SOLUCIÓN

Luz natural y polarizada. luz visible- esta ondas electromagnéticas con una frecuencia de oscilación en el rango de 4∙10 14 a 7.5∙10 14 Hz. Ondas electromagnéticas están transverso: los vectores E y H de las intensidades de los campos eléctrico y magnético son mutuamente perpendiculares y se encuentran en un plano perpendicular al vector velocidad de propagación de la onda.

Debido a que tanto los efectos químicos como biológicos de la luz están asociados principalmente a la componente eléctrica de la onda electromagnética, el vector mi la intensidad de este campo se llama vector de luz, y el plano de oscilaciones de este vector es el plano de oscilación de la onda de luz.

En cualquier fuente de luz, las ondas son emitidas por muchos átomos y moléculas, los vectores de luz de estas ondas están ubicados en varios planos y las oscilaciones ocurren en diferentes fases. En consecuencia, el plano de oscilaciones del vector luz de la onda resultante cambia continuamente de posición en el espacio (Fig. 1). Esta luz se llama natural, o no polarizado.

Arroz. 1. Representación esquemática de un haz y luz natural.

Si elegimos dos planos perpendiculares entre sí que atraviesan un haz de luz natural y proyectamos los vectores E sobre el plano, entonces, en promedio, estas proyecciones serán las mismas. Por lo tanto, es conveniente representar un rayo de luz natural como una línea recta en la que se ubica el mismo número de ambas proyecciones en forma de rayas y puntos:

Cuando la luz pasa a través de cristales, es posible obtener luz cuyo plano de oscilación de onda ocupa una posición constante en el espacio. Esta luz se llama Departamento- o polarizado linealmente. Debido a la disposición ordenada de átomos y moléculas en una red espacial, el cristal transmite solo oscilaciones de vectores de luz que ocurren en un cierto plano característico de una red dada.

Una onda de luz polarizada plana se representa convenientemente de la siguiente manera:

La polarización de la luz también puede ser parcial. En este caso, la amplitud de las oscilaciones del vector de luz en cualquier plano excede significativamente las amplitudes de las oscilaciones en otros planos.

La luz parcialmente polarizada se puede representar convencionalmente de la siguiente manera: , etc. La relación entre el número de guiones y puntos determina el grado de polarización de la luz.

En todos los métodos para convertir la luz natural en luz polarizada, los componentes con una orientación bien definida del plano de polarización se seleccionan total o parcialmente de la luz natural.

Métodos para obtener luz polarizada: a) reflexión y refracción de la luz en la frontera de dos dieléctricos; b) transmisión de luz a través de cristales uniaxiales ópticamente anisotrópicos; c) la transmisión de la luz a través de medios cuya anisotropía óptica se crea artificialmente por la acción de un campo eléctrico o magnético, así como por deformación. Estos métodos se basan en el fenómeno anisotropía.

Anisotropía es la dependencia de una serie de propiedades (mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas) de la dirección. Los cuerpos cuyas propiedades son iguales en todas las direcciones se llaman isotrópico.

La polarización también se observa durante la dispersión de la luz. El grado de polarización es mayor que tamaños más pequeños partículas sobre las que se produce la dispersión.

Los dispositivos diseñados para producir luz polarizada se llaman polarizadores.

Polarización de la luz durante la reflexión y la refracción en la interfaz entre dos dieléctricos. Cuando la luz natural se refleja y refracta en la interfaz entre dos dieléctricos isotrópicos, se produce su polarización lineal. En un ángulo de incidencia arbitrario, la polarización de la luz reflejada es parcial. El haz reflejado está dominado por oscilaciones perpendiculares al plano de incidencia, mientras que el haz refractado está dominado por oscilaciones paralelas a él (Fig. 2).

Arroz. 2. Polarización parcial de la luz natural durante la reflexión y refracción

Si el ángulo de incidencia satisface la condición tg i B = n 21, entonces la luz reflejada está completamente polarizada (ley de Brewster) y el haz refractado no está completamente polarizado, sino al máximo (Fig. 3). En este caso, los rayos reflejados y refractados son mutuamente perpendiculares.

es el índice de refracción relativo de los dos medios, i B es el ángulo de Brewster.

Arroz. 3. Polarización total del haz reflejado durante la reflexión y la refracción

en la interfaz entre dos dieléctricos isotrópicos.

Doble refracción. Hay una serie de cristales (calcita, cuarzo, etc.) en los que un haz de luz, al refractarse, se divide en dos haces con propiedades diferentes. La calcita (espato islandés) es un cristal con una red hexagonal. El eje de simetría del prisma hexagonal que forma su celda se llama eje óptico. El eje óptico no es una línea, sino una dirección en el cristal. Cualquier línea paralela a esta dirección también es un eje óptico.

Si se corta una placa de un cristal de calcita de modo que sus caras queden perpendiculares al eje óptico y se dirige un haz de luz a lo largo del eje óptico, entonces no se producirán cambios en ella. Sin embargo, si el haz se dirige en ángulo con el eje óptico, se dividirá en dos haces (Fig. 4), de los cuales uno se llama ordinario, el segundo, extraordinario.

Arroz. 4. Birrefringencia cuando la luz atraviesa una placa de calcita.

MN es el eje óptico.

Un haz ordinario se encuentra en el plano de incidencia y tiene el índice de refracción habitual para una sustancia dada. El haz extraordinario se encuentra en un plano que pasa por el haz incidente y el eje óptico del cristal, dibujado en el punto de incidencia del haz. Este avión se llama plano principal del cristal. Los índices de refracción de los haces ordinarios y extraordinarios son diferentes.

Tanto los rayos ordinarios como los extraordinarios están polarizados. El plano de oscilación de los rayos ordinarios es perpendicular al plano principal. Las oscilaciones de los rayos extraordinarios ocurren en el plano principal del cristal.

El fenómeno de la birrefringencia se debe a la anisotropía de los cristales. A lo largo del eje óptico, la velocidad de una onda de luz para rayos ordinarios y extraordinarios es la misma. En otras direcciones, la velocidad de una onda extraordinaria en calcita es mayor que la de una ordinaria. La mayor diferencia entre las velocidades de ambas ondas se da en la dirección perpendicular al eje óptico.

De acuerdo con el principio de Huygens, con birrefringencia en cada punto de la superficie de una onda que alcanza el límite del cristal, surgen simultáneamente dos ondas elementales (no una, como en los medios ordinarios), que se propagan en el cristal.

La velocidad de propagación de una onda en todas las direcciones es la misma, es decir onda tiene forma esférica y se llama ordinario. La velocidad de propagación de otra onda en la dirección del eje óptico del cristal es la misma que la velocidad de una onda ordinaria, y en la dirección perpendicular al eje óptico difiere de ella. La onda tiene forma de elipsoide y se llama extraordinario(Fig. 5).

Arroz. 5. Propagación de una onda ordinaria (o) y extraordinaria (e) en un cristal

con doble refracción.

Prisma Nicolás. Para obtener luz polarizada se utiliza un prisma polarizador Nicol. Se corta un prisma de cierta forma y tamaño de calcita, luego se aserra a lo largo de un plano diagonal y se pega con bálsamo canadiense. Cuando un haz de luz incide en la cara superior a lo largo del eje del prisma (Fig. 6), el haz extraordinario incide en el plano de encolado con un ángulo menor y lo atraviesa casi sin cambiar de dirección. Un rayo ordinario cae con un ángulo mayor que el ángulo de reflexión total del bálsamo canadiense, se refleja desde el plano de encolado y es absorbido por la cara ennegrecida del prisma. El prisma de Nicol produce luz totalmente polarizada, cuyo plano de oscilación se encuentra en el plano principal del prisma.

Arroz. 6. Prisma de Nicolás. Esquema del paso de un ordinario.

y rayos extraordinarios.

dicroísmo. Hay cristales que absorben los rayos ordinarios y extraordinarios de diferentes formas. Entonces, si un haz de luz natural se dirige a un cristal de turmalina perpendicular a la dirección del eje óptico, entonces con un espesor de placa de solo unos pocos milímetros, el haz ordinario se absorberá por completo y solo el haz extraordinario saldrá de el cristal (Fig. 7).

Arroz. 7. Paso de la luz a través de un cristal de turmalina.

La diferente naturaleza de la absorción de los rayos ordinarios y extraordinarios se llama anisotropía de absorción, o dicroísmo. Por lo tanto, los cristales de turmalina también se pueden usar como polarizadores.

Polaroides. Actualmente, los polarizadores son ampliamente utilizados. polaroides Para hacer una polaroid, se pega una película transparente entre dos placas de vidrio o plexiglás, que contiene cristales de una sustancia dicroica que polariza la luz (por ejemplo, sulfato de yodoquinona). Durante el proceso de fabricación de la película, los cristales se orientan de modo que sus ejes ópticos sean paralelos. Todo el sistema está fijado en un marco.

El bajo costo de las polaroids y la posibilidad de fabricar placas con un área grande aseguraron su amplia aplicación en la práctica.

Análisis de la luz polarizada. Para estudiar la naturaleza y el grado de polarización de la luz, los dispositivos llamados analizadores Como analizadores, se utilizan los mismos dispositivos que sirven para obtener luz polarizada linealmente: polarizadores, pero adaptados para girar alrededor del eje longitudinal. El analizador deja pasar solo vibraciones que coinciden con su plano principal. EN de lo contrario sólo la componente de oscilación que coincide con este plano pasa por el analizador.

Si la onda de luz que ingresa al analizador está polarizada linealmente, entonces la intensidad de la onda que sale del analizador satisface Ley de Malus:

,

donde I 0 es la intensidad de la luz entrante, φ es el ángulo entre los planos de la luz entrante y la luz transmitida por el analizador.

El paso de la luz a través del sistema polarizador-analizador se muestra esquemáticamente en la fig. 8.

Arroz. Fig. 8. Esquema del paso de la luz a través del sistema polarizador-analizador (P - polarizador,

A - analizador, E - pantalla):

a) los planos principales del polarizador y del analizador coinciden;

b) los planos principales del polarizador y el analizador están ubicados en un cierto ángulo;

c) los planos principales del polarizador y del analizador son mutuamente perpendiculares.

Si los planos principales del polarizador y el analizador coinciden, entonces la luz atraviesa completamente el analizador e ilumina la pantalla (Fig. 7a). Si están situados en un cierto ángulo, la luz atraviesa el analizador, pero se atenúa (Fig. 7b) cuanto más, cuanto más cerca está este ángulo de 90 0 . Si estos planos son mutuamente perpendiculares, entonces el analizador apaga completamente la luz (Fig. 7c)

Rotación del plano de oscilación de la luz polarizada. Polarimetría. Algunos cristales así como soluciones. materia orgánica tienen la propiedad de hacer girar el plano de oscilación de la luz polarizada que los atraviesa. Estas sustancias se llaman ópticamente pero activo. Estos incluyen azúcares, ácidos, alcaloides, etc.

Para la mayoría de las sustancias ópticamente activas, se encontró la existencia de dos modificaciones que rotan el plano de polarización, respectivamente, en sentido horario y antihorario (para un observador que mira hacia el haz). La primera modificación se llama dextrógiro, o positivo segundo - levógiro, o negativo.

La actividad óptica natural de una sustancia en estado no cristalino se debe a la asimetría de las moléculas. En las sustancias cristalinas, la actividad óptica también puede deberse a las peculiaridades de la disposición de las moléculas en la red.

En sólidos, el ángulo φ de rotación del plano de polarización es directamente proporcional a la longitud d de la trayectoria del haz de luz en el cuerpo:

donde α es capacidad de rotación (rotación específica), dependiendo del tipo de sustancia, temperatura y longitud de onda. Para las modificaciones de rotación hacia la izquierda y hacia la derecha, las capacidades de rotación son de la misma magnitud.

Para soluciones, el ángulo de rotación del plano de polarización

,

donde α es la rotación específica, c es la concentración de la sustancia ópticamente activa en la solución. El valor de α depende de la naturaleza de la sustancia ópticamente activa y del disolvente, la temperatura y la longitud de onda de la luz. Rotacion especifica- este es un ángulo de rotación aumentado 100 veces para una solución de 1 dm de espesor a una concentración de sustancia de 1 gramo por 100 cm 3 de solución a una temperatura de 20 0 C ya una longitud de onda de la luz λ=589 nm. Un método muy sensible para determinar la concentración c, basado en esta relación, se llama polarimetría (sacarimetría).

La dependencia de la rotación del plano de polarización de la longitud de onda de la luz se llama dispersión rotacional. En la primera aproximación, hay Ley de Bio:

donde A es un coeficiente que depende de la naturaleza de la sustancia y la temperatura.

En un entorno clínico, el método polarimetría Se utiliza para determinar la concentración de azúcar en la orina. El dispositivo utilizado para esto se llama sacarímetro(Figura 9).

Arroz. 9. Disposición óptica del sacarímetro:

Y - una fuente de luz natural;

C - filtro de luz (monocromador), que asegura la coordinación de la operación del dispositivo

con la ley de Biot;

L es una lente convergente que da un haz de luz paralelo a la salida;

P - polarizador;

K – tubo con solución de prueba;

A - analizador montado en un disco giratorio D con divisiones.

Al realizar un estudio, el analizador se ajusta primero al oscurecimiento máximo del campo de visión sin la solución de prueba. Luego, se coloca un tubo con una solución en el dispositivo y, al girar el analizador, el campo de visión se oscurece nuevamente. El menor de los dos ángulos que necesita girar el analizador es el ángulo de rotación del analito. El ángulo se usa para calcular la concentración de azúcar en la solución.

Para simplificar los cálculos, el tubo con la solución se hace tan largo que el ángulo de rotación del analizador (en grados) es numéricamente igual a la concentración desde solución (en gramos por 100 cm 3). La longitud del tubo para la glucosa es de 19 cm.

microscopía de polarización. El método se basa en anisotropía algunos componentes de células y tejidos que aparecen cuando se observan con luz polarizada. Las estructuras que consisten en moléculas dispuestas en paralelo o discos dispuestos en forma de pila, cuando se introducen en un medio con un índice de refracción que difiere del índice de refracción de las partículas de la estructura, exhiben la capacidad de doble refracción. Esto significa que la estructura solo transmitirá luz polarizada si el plano de polarización es paralelo a los ejes longitudinales de las partículas. Esto sigue siendo válido incluso cuando las partículas no tienen su propia birrefringencia. Óptico anisotropía observado en músculo, tejido conectivo (colágeno) y fibras nerviosas.

El mismo nombre de músculo esquelético herido" debido a la diferencia en las propiedades ópticas de las secciones individuales de la fibra muscular. Consiste en la alternancia de zonas más oscuras y más claras de la sustancia tisular. Esto le da a la fibra una estría transversal. El estudio de la fibra muscular con luz polarizada revela que las zonas más oscuras son anisótropo y tiene propiedades birrefringencia, mientras que las áreas más oscuras son isotrópico. Colágeno Las fibras son anisotrópicas, su eje óptico se encuentra a lo largo del eje de la fibra. Micelas en pulpa neurofibrillas también son anisotrópicos, pero sus ejes ópticos están ubicados en direcciones radiales. Se utiliza un microscopio polarizador para el examen histológico de estas estructuras.

El componente más importante de un microscopio de polarización es el polarizador, que se encuentra entre la fuente de luz y el condensador. Además, el microscopio dispone de una platina giratoria o portamuestras, un analizador situado entre el objetivo y el ocular, que puede instalarse de modo que su eje quede perpendicular al eje del polarizador, y un compensador.

Cuando el polarizador y el analizador se cruzan y el objeto falta o isotrópico el campo aparece uniformemente oscuro. Si hay un objeto con birrefringencia, y está ubicado de modo que su eje esté en un ángulo con el plano de polarización, diferente de 0 0 o de 90 0 , dividirá la luz polarizada en dos componentes - paralelo y perpendicular al plano del analizador. En consecuencia, parte de la luz pasará a través del analizador, dando como resultado una imagen brillante del objeto contra un fondo oscuro. Cuando el objeto gira, el brillo de su imagen cambiará, alcanzando un máximo en un ángulo de 45 0 con respecto al polarizador o analizador.

La microscopía de polarización se utiliza para estudiar la orientación de las moléculas en estructuras biológicas (p. ej., células musculares), así como durante la observación de estructuras invisibles por otros métodos (p. ej., el huso mitótico durante la división celular), identificación de la estructura helicoidal.

La luz polarizada se utiliza en condiciones modelo para evaluar las tensiones mecánicas que se producen en los tejidos óseos. Este método se basa en el fenómeno de la fotoelasticidad, que consiste en la aparición de anisotropía óptica en sólidos inicialmente isotrópicos bajo la acción de cargas mecánicas.

DETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DE ONDA DE LUZ MEDIANTE UNA REJILLA DE DIFRACCIÓN

Interferencia de luz. La interferencia lumínica es un fenómeno que se produce cuando las ondas luminosas se superponen y va acompañada de su amplificación o atenuación. Un patrón de interferencia estable surge cuando se superponen ondas coherentes. Las ondas coherentes se denominan ondas con frecuencias iguales y las mismas fases o que tienen un cambio de fase constante. La amplificación de las ondas de luz durante la interferencia (condición máxima) ocurre si Δ se ajusta a un número par de medias longitudes de onda:

donde k – orden máximo, k=0,±1,±2,±,…±n;

λ es la longitud de la onda de luz.

Se observa debilitamiento de las ondas de luz durante la interferencia (condición mínima) si un número impar de medias longitudes de onda caben en la diferencia de camino óptico Δ:

donde k es el orden del mínimo.

La diferencia de trayectoria óptica de dos haces es la diferencia de distancias desde las fuentes hasta el punto de observación del patrón de interferencia.

Interferencia en películas delgadas. La interferencia en películas delgadas se puede observar en pompas de jabón, en una mancha de queroseno en la superficie del agua cuando es iluminada por la luz del sol.

Deje que el rayo 1 caiga sobre la superficie de una película delgada (ver Fig. 2). El haz, refractado en la interfaz aire-película, atraviesa la película, se refleja desde su superficie interior, se acerca a la superficie exterior de la película, se refracta en la interfaz película-aire y emerge el haz. Dirigimos el rayo 2 al punto de salida del rayo, que pasa paralelo al rayo 1. El rayo 2 se refleja desde la superficie de la película, se superpone al rayo y ambos rayos interfieren.

Al iluminar la película con luz policromática, obtenemos una imagen de arcoíris. Esto se debe al hecho de que la película no tiene un espesor uniforme. En consecuencia, surgen diferencias de trayectoria de diferente magnitud, que corresponden a diferentes longitudes de onda (películas de jabón coloreadas, colores iridiscentes de las alas de algunos insectos y pájaros, películas de aceite o aceites en la superficie del agua, etc.).

La interferencia de luz se utiliza en dispositivos: interferómetros. Los interferómetros son dispositivos ópticos que se pueden utilizar para separar espacialmente dos haces y crear una cierta diferencia de trayectoria entre ellos. Los interferómetros se utilizan para determinar la longitud de onda con un alto grado de precisión de pequeñas distancias, los índices de refracción de las sustancias y determinar la calidad de las superficies ópticas.

Para fines sanitarios e higiénicos, el interferómetro se utiliza para determinar el contenido de gases nocivos.

La combinación de un interferómetro y un microscopio (microscopio de interferencia) se utiliza en biología para medir el índice de refracción, la concentración de materia seca y el espesor de microobjetos transparentes.

Principio de Huygens-Fresnel. Según Huygens, cada punto del medio, al que llega la onda primaria en un momento dado, es una fuente de ondas secundarias. Fresnel refinó esta posición de Huygens al agregar que las ondas secundarias son coherentes, es decir, cuando se superponen, darán un patrón de interferencia estable.

Difracción de la luz. La difracción de la luz es el fenómeno de la desviación de la luz de la propagación rectilínea.

Difracción en haces paralelos de una rendija. Dejar en el objetivo de par en par en cae un haz paralelo de luz monocromática (ver Fig. 3):

Se instala una lente en el camino de los rayos. L , en cuyo plano focal se encuentra la pantalla mi . La mayoría de los haces no se difractan; no cambian su dirección, y son enfocados por la lente L en el centro de la pantalla, formando un máximo central o máximo de orden cero. Rayos que se difractan bajo ángulos iguales difracción φ , formará máximos en la pantalla 1,2,3,…, norte - pedidos.

Por lo tanto, el patrón de difracción obtenido de una rendija en haces paralelos cuando se ilumina con luz monocromática es una franja brillante con iluminación máxima en el centro de la pantalla, luego viene una franja oscura (mínimo de primer orden), luego viene una franja brillante ( máximo del 1° orden), banda oscura (mínimo del 2° orden), máximo del 2° orden, etc. El patrón de difracción es simétrico con respecto al máximo central. Cuando la rendija se ilumina con luz blanca, se forma un sistema de bandas de colores en la pantalla, sólo el máximo central conservará el color de la luz incidente.

Condiciones máximo Y min difracción. Si en la diferencia de camino óptico Δ ajuste un número impar de segmentos igual a , entonces hay un aumento en la intensidad de la luz ( máximo difracción):

donde k es el orden del máximo; k =±1,±2,±…,± norte;

λ es la longitud de onda.

Si en la diferencia de camino óptico Δ ajuste un número par de segmentos igual a , entonces hay un debilitamiento de la intensidad de la luz ( min difracción):

donde k es el orden del mínimo.

Rejilla de difracción. Una red de difracción consiste en bandas alternas que son opacas al paso de la luz con bandas (ranuras) transparentes a la luz de igual ancho.

La característica principal de una red de difracción es su período. D . el período de la rejilla de difracción es el ancho total de las bandas transparentes y opacas:

Una rejilla de difracción se utiliza en instrumentos ópticos para mejorar la resolución del instrumento. La resolución de una rejilla de difracción depende del orden del espectro k y en el número de golpes norte :

donde R - resolución.

Derivación de la fórmula de la rejilla de difracción. Dirijamos dos haces paralelos sobre la rejilla de difracción: 1 y 2 para que la distancia entre ellos sea igual al período de la rejilla D .

en los puntos PERO Y EN los haces 1 y 2 se difractan, desviándose de la dirección rectilínea en un ángulo φ es el ángulo de difracción.

rayos Y enfocado por lente L en una pantalla ubicada en el plano focal de la lente (Fig. 5). Cada rendija de la rejilla puede considerarse como una fuente de ondas secundarias (principio de Huygens-Fresnel). En la pantalla en el punto D, observamos el máximo del patrón de interferencia.

desde un punto PERO en el camino del rayo suelte la perpendicular y obtenga el punto C. considere un triángulo A B C : triángulo rectángulo РВАС=Рφ como ángulos con lados mutuamente perpendiculares. Desde Δ A B C:

donde AB=d (por construcción),

SW = ∆ es la diferencia de camino óptico.

Como en el punto D observamos la máxima interferencia, entonces

donde k es el orden del máximo,

λ es la longitud de la onda de luz.

Introduciendo los valores AB=d, en la fórmula para sinφ :

De aquí obtenemos:

EN vista general la fórmula de la rejilla de difracción tiene la forma:

Los signos ± muestran que el patrón de interferencia en la pantalla es simétrico con respecto al máximo central.

Fundamentos físicos de la holografía. La holografía es un método de registro y reconstrucción de un campo de ondas, que se basa en los fenómenos de difracción e interferencia de ondas. Si en una fotografía convencional solo se registra la intensidad de las ondas reflejadas por el objeto, las fases de las ondas también se registran en el holograma, lo que da Información adicional sobre el sujeto y le permite obtener una imagen tridimensional del sujeto.