Optika është një degë e fizikës që studion natyrën e rrezatimit të dritës, shpërndarjen dhe ndërveprimin e tij me materien.

Drita ka një natyrë të dyfishtë, ka veti valore dhe grimcash:

Drita është një rrjedhë grimcash (fotone); natyra korpuskulare manifestohet në emetimin dhe thithjen e dritës (për shembull, fenomeni i efektit fotoelektrik).

Drita është një valë elektromagnetike; në shkallën EMW - pozicioni midis valëve të radios dhe rrezeve X - diapazoni optik:

1. Drita e dukshme: gjatësi vale 380-760 nm.

   Drita infra të kuqe: gjatësi vale 760 nm - 1 mm.

   Rrezatimi ultravjollcë: 10 - 380 nm.

Natyra elektromagnetike zbulohet në procesin e përhapjes së dritës - dukuritë e ndërhyrjes, difraksionit, polarizimit, reflektimit dhe përthyerjes.

Refraktometria është metoda më e saktë dhe më e thjeshtë për përcaktimin sasior të proteinave të serumit të gjakut - proteinës totale dhe përqindjes së fraksioneve të saj (albumina, globulinat dhe fibrinogjeni). Gjithashtu, kjo metodë përdoret për të përcaktuar pastërtinë e ujit, për të identifikuar substanca të ndryshme etj.

Drita, si çdo valë elektromagnetike, përhapet nga një burim në hapësirë ​​në të gjitha drejtimet. Valët elektromagnetike përhapen në çdo mjedis, përfshirë vakumin. Në këtë rast, shpejtësia e valës varet nga vetitë dielektrike dhe magnetike të mediumit:

- lejueshmëria relative e mediumit

- konstante dielektrike

- konstante magnetike

- përshkueshmëria relative magnetike e mediumit

- shpejtësia e dritës (dhe një valë elektromagnetike) në vakum.

Një rreze është çdo drejtim arbitrar i përhapjes së një valë drite. Në një mjedis homogjen, drita udhëton në një vijë të drejtë me një shpejtësi konstante.

Reflektimi i dritës është një ndryshim në drejtimin e përhapjes së një valë drite në ndërfaqen midis dy mediave, në të cilën vala kthehet në mediumin e parë pa ndryshuar shpejtësinë e saj.

Ligjet e reflektimit:

Përthyerja e dritës - një ndryshim në drejtimin e përhapjes së një valë drite në kufirin e dy mediave, në të cilën vala kalon në mediumin e dytë dhe shpejtësia e saj ndryshon.

Ligjet e përthyerjes:

, ku

- indeksi i thyerjes së mediumit të dytë në raport me të parin (indeksi relativ i thyerjes)

Dhe janë indekset absolute të thyerjes së medias së parë dhe të dytë, d.m.th. indekset e thyerjes së secilës prej këtyre mediave në raport me vakumin.

Kuptimi fizik i indeksit të thyerjes: indeksi absolut i thyerjes është i barabartë me raportin e shpejtësisë së dritës në vakum me shpejtësinë e dritës në një mjedis:

Nga formula për shpejtësinë e një vale elektromagnetike rezulton:

Kështu, indeksi absolut i thyerjes
, d.m.th. varet nga vetitë e mjedisit. Në mënyrë të ngjashme, indeksi relativ i thyerjes është i barabartë me raportin e shpejtësisë së dritës në mjedisin e parë me shpejtësinë e saj në mjedisin e dytë:

Kur drita kalon nga një medium në tjetrin, shpejtësia mund të rritet ose ulet, në varësi të vetive të këtyre mediave. Një mjedis me një indeks absolut të thyerjes më të ulët quhet optikisht më pak i dendur, dhe një mjedis me një indeks absolut të thyerjes më të lartë quhet optikisht më i dendur.

Karakteristikat e reflektimit dhe thyerjes së dritës në kufirin e dy mediave me densitet optik të ndryshëm:

Kur drita kalon nga një mjedis optikisht më pak i dendur në një mjedis optikisht më të dendur, këndi i përthyerjes më pak se këndi i rënies .

Me rritjen e këndit të rënies rritet edhe këndi i thyerjes. Këndi maksimal i incidencës
korrespondon me këndin e thyerjes
. Kështu, rrezet që bien në ndërfaqen midis dy mediave në çdo kënd nga 0 0 në 90 0 kalojnë në mjedisin e dytë, domethënë ka një thyerje të plotë të dritës. Këndi i thyerjes që korrespondon me këndin e rënies prej 90 0 quhet këndi kufizues i thyerjes totale ( ). Vlera e këtij këndi mund të përcaktohet bazuar në ligjin e thyerjes:

Kur drita kalon nga një mjedis optikisht më i dendur në një mjedis më pak të dendur, këndi i përthyerjes më shumë kënd incidence :

Me rritjen e këndit të rënies, rritet edhe këndi i thyerjes. Në një vlerë të caktuar të këndit të rënies (
) këndi i thyerjes arrin vlerën maksimale prej 90 0 , d.m.th. rrezja e përthyer rrëshqet përgjatë ndërfaqes ndërmjet mediave. Me një rritje të mëtejshme në këndin e incidencës (
) rrezja e dritës nuk kalon në mjedisin e dytë, por reflektohet plotësisht në mjedisin e parë. Ky fenomen quhet reflektim total i brendshëm. Këndi i incidencës, i cili korrespondon me një kënd thyerjeje prej 90 0, quhet këndi kufizues i reflektimit total të brendshëm (
). Vlera e këtij këndi mund të përcaktohet edhe në bazë të ligjit të thyerjes:

Kur një rreze drite kalon nga një medium me një tregues
në ajër, indeksi i thyerjes së të cilit afërsisht e barabartë me një

.

Kushtet për reflektimin total të brendshëm:

Drita kalon nga një mjedis optikisht më i dendur në një medium më pak të dendur.

Këndi i rënies është më i madh ose i barabartë me këndin kufizues të reflektimit total të brendshëm.

Në përgjithësi, në ndërfaqen midis mediave, dukuritë e reflektimit dhe thyerjes së dritës ndodhin së bashku. Intensiteti i dritës rënëse është i barabartë me shumën e intensitetit të dritës së reflektuar dhe të përthyer:
. Me rritjen e këndit të rënies, intensiteti i rrezes së thyer zvogëlohet dhe ai i rrezes së reflektuar rritet. Me reflektimin total të brendshëm, e gjithë energjia e valës së dritës kthehet në mediumin e parë.

Një refraktometër është një pajisje për përcaktimin e indeksit të thyerjes së një substance. Puna e tij në dritën e transmetuar bazohet në përcaktimin e këndit kufizues të thyerjes, i cili varet nga indeksi i thyerjes së lëngut të hulumtuar. Pjesa kryesore e refraktometrit janë dy prizma xhami (1 dhe 2), të cilët janë në kontakt me faqet e hipotenuzës. Midis këtyre fytyrave ka një hendek rreth 0.1 mm në madhësi, ku vendoset lëngu i provës. Faqja e hipotenuzës së prizmit të sipërm (1) është mat. Drita që bie në këtë faqe shpërndahet dhe, pasi ka kaluar nëpër lëngun e hulumtuar, bie në faqen e hipotenuzës së prizmit të poshtëm (2) në kënde të ndryshme nga 0 0 në 90 0 . Indeksi i thyerjes së lëngut është më i vogël se indeksi i thyerjes së qelqit, prandaj, të gjitha rrezet hyjnë në prizmin e poshtëm (2) në kënde nga 0 0 në këndin kufizues thyes ( ). Një teleskop qëndron në rrugën e rrezeve që dalin nga prizmi i dytë. Fusha e shikimit të tubit është e ndarë në 2 pjesë: e lehtë dhe e errët. Kufiri i dritës dhe hijes korrespondon me një rreze që kalon në këndin kufizues të thyerjes: hapësira brenda këtij këndi është e ndriçuar, jashtë është e errët.

Duke matur dhe duke ditur indeksin e thyerjes N të xhamit të prizmit, indeksi i thyerjes n i lëngut të studiuar mund të gjendet me formulën:
.

Për lehtësinë e përdorimit të pajisjes, shkalla matëse gradohet menjëherë sipas indeksit të thyerjes.

Gjatë përcaktimit të indeksit të thyerjes së lëngjeve të turbullta dhe me ngjyrë, matjet bëhen në dritën e reflektuar për të zvogëluar humbjen e energjisë kur drita kalon nëpër lëng. Rrezja e dritës nga burimi kalon nëpër faqen anësore të mat të prizmit të poshtëm (2). Në këtë rast, drita shpërndahet dhe bie mbi faqen e saj të hipotenuzës, e cila është në kontakt me lëngun e studiuar, në kënde të ndryshme nga 0 0 deri në 90 0 . Rrezet që bien në lëng në kënde më të vogla se kufiri kalojnë në të, dhe rrezet që bien në ato të mëdha përjetojnë reflektim total të brendshëm dhe dalin përmes faqes së dytë anësore të prizmit të poshtëm në teleskop. Fusha e shikimit ndahet gjithashtu në pjesë të lehta dhe të errëta, por pozicioni i ndërfaqes në këtë rast përcaktohet nga këndi kufizues i reflektimit total.

Megjithatë, duke përdorur këtë pajisje, është e mundur të matet vetëm indeksi i thyerjes së substancave në të cilat është më i vogël se indeksi i thyerjes së xhamit të prizmave matëse.

e rëndësishme pjesë integrale Refraktometri është një kompensues dispersioni (pasi funksionon në dritë të bardhë, për të eliminuar shpërndarjen, d.m.th., një brez spektral) - një prizëm Amici, i cili është i instaluar përpara thjerrëzës së teleskopit. Prizma Amici përbëhet nga 3 prizma, të zgjedhura në mënyrë që shpërndarja në to të jetë e barabartë në madhësi, por në shenjë e kundërt me dispersionin në prizmat 1 dhe 2. Kështu, shpërndarja totale reduktohet në zero. E vetmja rreze që nuk devijohet pas prizmit Amici është e verdhë. Rrezet me ngjyra në dalje nga prizmi mblidhen në një rreze drite të bardhë që korrespondon me drejtimin e rrezes së verdhë.

Fluksi i energjisë F është energjia E që kalon nëpër çdo sipërfaqe për njësi të kohës:

[W]

Nëse një fluks energjie Ф 0 bie mbi trup, atëherë në rastin e përgjithshëm, një pjesë e kësaj rryme Ф ref reflektohet nga sipërfaqja e trupit, pjesa Ф pr kalon nëpër trup dhe pjesa F absorbohet nga grimcat e trupit. Kështu, bilanci total i energjisë: Ф 0 = Ф neg + Ф absorb + Ф pr Duke pjesëtuar të dyja pjesët me Ф 0 marrim:

Qëndrimi
- koeficienti i reflektimit, dhe është nga 0 në 1.

Qëndrimi
- koeficienti i përthithjes, dhe është nga 0 në 1.

Qëndrimi
- transmetimi, dhe është nga 0 në 1.

Nëse trupi është absolutisht transparent, d.m.th. nuk thith rrezatim dhe
, pastaj
. Nëse trupi është absolutisht opak, d.m.th.
, pastaj
. Nëse
, atëherë trupi thith të gjitha rrezet që bien mbi të.

Këta koeficientë varen nga gjatësia e valës së dritës dhe temperatura absolute e trupit:

Koeficientët e reflektimit, përthithjes dhe transmetimit në një gjatësi vale të caktuar quhen monokromatikë. Në procesverbal, kjo zakonisht tregohet nga nënshkrimi " » me një karakteristikë të përshtatshme, për shembull, .

Ligjet e zbehjes së dritës ndërsa kalon nëpër materie.

Intensiteti i rrezatimit është një vlerë numerikisht e barabartë me
, ku

S është zona e sipërfaqes pingul me drejtimin e përhapjes së valës, përmes së cilës transferohet energjia E.

Le të jetë I 0 intensiteti i rënies së dritës në një shtresë të caktuar thithëse, I X është intensiteti i dritës pasi ka kaluar nëpër një shtresë me trashësi X. Në çdo shtresë të hollë, dX absorbohet unë = - kIdX (shenja "-" tregon një ulje të intensitetit). Duke i ndarë variablat, marrim:

. Le të zgjidhim ekuacionin diferencial:

Ekuacioni i fundit është ligji i përthithjes Bouguer. Faktori i proporcionalitetit k në ligjin e Bouguerit varet nga gjatësia e valës së dritës:
- dhe për një valë të caktuar quhet indeksi i përthithjes natyrore monokromatike. Përveç kësaj, k varet nga lloji i substancës.

Kuptimi fizik i indeksit natyral të përthithjes: kjo është reciproca e trashësisë së shtresës thithëse të substancës, gjatë kalimit të së cilës intensiteti i dritës do të ulet me një faktor e. Dimensioni k në sistemin SI të njësive është [m -1].

Për tretësirat e holluara mjaftueshëm, në të cilat vetëm substanca e tretur (por jo tretësi) absorbohet, vlen një lidhje e quajtur ligji i Birrës:
, ku

C është përqendrimi molar i qendrave absorbuese (molekulat kromofore);

- shkalla natyrale e përthithjes molare, d.m.th. shkalla e përthithjes së një solucioni të vetëm përqendrimi. Dimensioni është [mol -1 metër -1].

Sipas ligjit të Birrës, indeksi i përthithjes është drejtpërdrejt proporcional me përqendrimin e substancës së tretur (indeksi molar, ndryshe nga k, nuk varet nga përqendrimi).

Kur zëvendësojmë ligjin e Birrës në ekuacionin e ligjit të Bouguer-it, marrim ligjin e kombinuar Lambert-Bouguer-Beer:

.

Sidoqoftë, në praktikë, ata zakonisht marrin bazën jo e, por 10:

, ku koeficienti i përthithjes molare
, sepse
. Në spektroskopi, indeksi i përthithjes molare quhet zhdukje molare.

Spektrat e përthithjes së dritës. kalorimetria e përqendrimit.

Vlera e barabartë me logaritmin dhjetor të reciprokut të transmetimit është dendësia optike e zgjidhjes:

.

Varësia nga ose
nga është spektri i përthithjes së substancës së dhënë. Dendësia optike mund të matet në praktikë duke përdorur një instrument spektrofotometri. kjo bën të mundur përcaktimin e përqendrimit të panjohur të një tretësire të një lënde kromofore nga përqendrimi i njohur i një tretësire të së njëjtës substancë. Duke matur densitetin optik D 0 të një tretësire me përqendrim të njohur C 0 dhe D X të një tretësire me përqendrim të panjohur C X në të njëjtën trashësi të shtresës thithëse (trashësia e qelizës), marrim proporcionin:

, ku

Në mjekësi, kjo metodë përdoret gjerësisht, pasi ju lejon të punoni me përqendrime të ulëta të një substance (10 -8 - 10 -12 M). Në veçanti, përdoret në mjekësinë ligjore.

Temat e kodifikuesit USE: ligji i thyerjes së dritës, reflektimi total i brendshëm.

Në ndërfaqen midis dy mediave transparente, së bashku me reflektimin e dritës, vërehet reflektimi i saj. përthyerje- drita, duke kaluar në një mjedis tjetër, ndryshon drejtimin e përhapjes së saj.

Përthyerja e një rreze drite ndodh kur ajo i zhdrejtë duke rënë në ndërfaqe (megjithëse jo gjithmonë - lexoni për reflektimin total të brendshëm). Nëse rrezja bie pingul me sipërfaqen, atëherë nuk do të ketë thyerje - në mediumin e dytë, rrezja do të ruajë drejtimin e saj dhe gjithashtu do të shkojë pingul me sipërfaqen.

Ligji i thyerjes (rast i veçantë).

Do të fillojmë me rastin konkret ku një nga mediat është ajri. Kjo situatë është e pranishme në shumicën dërrmuese të detyrave. Ne do të diskutojmë rastin përkatës përkatës të ligjit të thyerjes dhe më pas do të japim formulimin e tij më të përgjithshëm.

Supozoni se një rreze drite që udhëton nëpër ajër bie në mënyrë të pjerrët në sipërfaqen e qelqit, ujit ose ndonjë mediumi tjetër transparent. Kur kalon në mjedis, rrezja thyhet dhe rrjedha e saj e mëtejshme tregohet në Fig. një.

Një pingul vizatohet në pikën e incidencës (ose, siç thonë ata, normale) në sipërfaqen e mediumit. Rrezja, si më parë, quhet rrezja e incidentit, dhe këndi ndërmjet rrezes rënëse dhe normales është këndi i rënies. Rrezja është rreze e përthyer; quhet këndi ndërmjet rrezes së përthyer dhe normales në sipërfaqe këndi i thyerjes.

Çdo medium transparent karakterizohet nga një sasi e quajtur indeksi i thyerjes këtë mjedis. Indekset refraktive të mediave të ndryshme mund të gjenden në tabela. Për shembull, për gotën dhe ujin. Në përgjithësi, për çdo mjedis; indeksi i thyerjes është i barabartë me unitetin vetëm në vakum. Në ajër, pra, për ajrin me saktësi të mjaftueshme mund të supozohet në probleme (në optikë, ajri nuk ndryshon shumë nga vakum).

Ligji i thyerjes (tranzicioni "ajër-mesatar") .

1) Rrezja rënëse, rrezja e përthyer dhe normalja me sipërfaqen e tërhequr në pikën e rënies shtrihen në të njëjtin rrafsh.
2) Raporti i sinusit të këndit të rënies me sinusin e këndit të thyerjes është i barabartë me indeksin e thyerjes së mediumit:

. (1)

Meqenëse nga relacioni (1) del se , pra - këndi i thyerjes është më i vogël se këndi i rënies. Mbani mend: duke kaluar nga ajri në medium, rrezja pas përthyerjes shkon më afër normales.

Indeksi i thyerjes lidhet drejtpërdrejt me shpejtësinë e dritës në një mjedis të caktuar. Kjo shpejtësi është gjithmonë më e vogël se shpejtësia e dritës në vakum: . Dhe rezulton se

. (2)

Pse ndodh kjo, ne do ta kuptojmë kur studiojmë optikën e valës. Ndërkohë, le të kombinojmë formulat. (1) dhe (2):

. (3)

Meqenëse indeksi i thyerjes së ajrit është shumë afër unitetit, mund të supozojmë se shpejtësia e dritës në ajër është afërsisht e barabartë me shpejtësinë e dritës në vakum. Duke marrë parasysh këtë dhe duke parë formulën. (3), konkludojmë: raporti i sinusit të këndit të rënies me sinusin e këndit të thyerjes është i barabartë me raportin e shpejtësisë së dritës në ajër me shpejtësinë e dritës në një mjedis.

Kthyeshmëria e rrezeve të dritës.

Tani merrni parasysh rrjedhën e kundërt të rrezes: thyerjen e saj gjatë kalimit nga mediumi në ajër. Parimi i mëposhtëm i dobishëm do të na ndihmojë këtu.

Parimi i kthyeshmërisë së rrezeve të dritës. Trajektorja e rrezes nuk varet nëse është e drejtpërdrejtë apo drejtim i kundërt rrezja përhapet. Duke lëvizur në drejtim të kundërt, rrezja do të ndjekë saktësisht të njëjtën rrugë si në drejtimin përpara.

Sipas parimit të kthyeshmërisë, kur kalon nga mediumi në ajër, trau do të ndjekë të njëjtën trajektore si gjatë kalimit përkatës nga ajri në medium (Fig. 2) Dallimi i vetëm në Fig. 2 nga fig. 1 është se drejtimi i rrezes ka ndryshuar në të kundërtën.

Meqenëse fotografia gjeometrike nuk ka ndryshuar, formula (1) do të mbetet e njëjtë: raporti i sinusit të këndit me sinusin e këndit është ende i barabartë me indeksin e thyerjes së mediumit. Vërtetë, tani këndet kanë ndryshuar role: këndi është bërë këndi i rënies dhe këndi është bërë këndi i thyerjes.

Në çdo rast, pavarësisht se si kalon rrezja - nga ajri në mjedis ose nga mjedisi në ajër - funksionon rregulli i thjeshtë i mëposhtëm. Marrim dy kënde - këndin e rënies dhe këndin e thyerjes; raporti i sinusit të këndit më të madh me sinusin e këndit më të vogël është i barabartë me indeksin e thyerjes së mediumit.

Tani ne jemi plotësisht të përgatitur për të diskutuar ligjin e thyerjes në rastin më të përgjithshëm.

Ligji i thyerjes (rast i përgjithshëm).

Lëreni dritën të kalojë nga mesatarja 1 me indeks thyerjeje në mesataren 2 me indeks thyerjeje. Një medium me një indeks të lartë thyes quhet optikisht më të dendur; në përputhje me rrethanat, quhet një medium me një indeks refraktiv më të ulët optikisht më pak i dendur.

Duke kaluar nga një mjedis optikisht më pak i dendur në një medium optikisht më të dendur, rrezja e dritës pas përthyerjes shkon më afër normales (Fig. 3). Në këtë rast, këndi i rënies është më i madh se këndi i thyerjes: .

Oriz. 3.

Përkundrazi, kur kalon nga një mjedis optikisht më i dendur në një optikisht më pak të dendur, rrezja devijon më tej nga normalja (Fig. 4). Këtu këndi i rënies është më i vogël se këndi i thyerjes:

Oriz. 4.

Rezulton se të dyja këto raste mbulohen nga një formulë - e drejta e zakonshme përthyerje, e vlefshme për çdo dy media transparente.

Ligji i thyerjes.
1) Rrezja rënëse, rrezja e përthyer dhe ajo normale në ndërfaqen ndërmjet mediave, të tërhequra në pikën e rënies, shtrihen në të njëjtin rrafsh.
2) Raporti i sinusit të këndit të incidencës me sinusin e këndit të thyerjes është i barabartë me raportin e indeksit të thyerjes së mediumit të dytë me indeksin e thyerjes së mediumit të parë:

. (4)

Është e lehtë të shihet se ligji i formuluar më parë i thyerjes për tranzicionin "ajër-mesatar" është një rast i veçantë i këtij ligji. Në të vërtetë, duke supozuar në formulën (4) , do të vijmë në formulën (1) .

Kujtoni tani se indeksi i thyerjes është raporti i shpejtësisë së dritës në vakum me shpejtësinë e dritës në një mjedis të caktuar: . Duke e zëvendësuar këtë në (4), marrim:

. (5)

Formula (5) e përgjithëson formulën (3) në mënyrë natyrale. Raporti i sinusit të këndit të rënies me sinusin e këndit të thyerjes është i barabartë me raportin e shpejtësisë së dritës në mjedisin e parë me shpejtësinë e dritës në mjedisin e dytë.

pasqyrim total i brendshëm.

Kur rrezet e dritës kalojnë nga një mjedis optikisht më i dendur në një optikisht më pak të dendur, vërehet një fenomen interesant - i plotë reflektimi i brendshëm. Le të shohim se çfarë është.

Le të supozojmë me siguri se drita shkon nga uji në ajër. Le të supozojmë se ekziston një burim pikësor drite në thellësi të rezervuarit, që lëshon rreze në të gjitha drejtimet. Ne do të shqyrtojmë disa nga këto rreze (Fig. 5).

Rrezja bie në sipërfaqen e ujit në këndin më të vogël. Kjo rreze është thyer pjesërisht (rreze) dhe pjesërisht reflektohet përsëri në ujë (rreze). Kështu, një pjesë e energjisë së rrezes rënëse transferohet në rrezen e përthyer, dhe pjesa tjetër e energjisë transferohet në rrezen e reflektuar.

Këndi i rënies së rrezes është më i madh. Kjo rreze gjithashtu ndahet në dy rreze - të përthyera dhe të reflektuara. Por energjia e rrezes origjinale shpërndahet midis tyre në një mënyrë tjetër: rrezja e përthyer do të jetë më e zbehtë se rrezja (d.m.th., ajo do të marrë një pjesë më të vogël të energjisë), dhe rrezja e reflektuar do të jetë përkatësisht më e ndritshme se rrezja. rreze (do të marrë një pjesë më të madhe të energjisë).

Me rritjen e këndit të rënies, e njëjta rregullsi mund të gjurmohet: një pjesë në rritje e energjisë së rrezes rënëse shkon në rrezen e reflektuar dhe një pjesë gjithnjë e më e vogël në rrezen e përthyer. Rrezja e përthyer bëhet gjithnjë e më e zbehtë, dhe në një moment ajo zhduket plotësisht!

Kjo zhdukje ndodh kur arrihet këndi i rënies, i cili korrespondon me këndin e thyerjes. Në këtë situatë, rrezja e thyer do të duhej të shkonte paralelisht me sipërfaqen e ujit, por nuk ka asgjë për të shkuar - e gjithë energjia e rrezes së përplasjes shkoi tërësisht në rrezen e reflektuar.

Me një rritje të mëtejshme në këndin e incidencës, rrezja e thyer madje do të mungojë.

Fenomeni i përshkruar është reflektimi total i brendshëm. Uji nuk lëshon rreze nga jashtë me kënde të incidencës të barabarta ose më të mëdha se një vlerë e caktuar - të gjitha rrezet e tilla reflektohen tërësisht përsëri në ujë. Këndi quhet këndi kufizues i reflektimit total.

Vlera është e lehtë për t'u gjetur nga ligji i thyerjes. Ne kemi:

Por, prandaj

Pra, për ujin, këndi kufizues i reflektimit total është i barabartë me:

Ju mund ta vëzhgoni lehtësisht fenomenin e reflektimit total të brendshëm në shtëpi. Hidhni ujë në një gotë, ngrijeni atë dhe shikoni sipërfaqen e ujit pak nga poshtë përmes murit të gotës. Do të shihni një shkëlqim argjendi në sipërfaqe - për shkak të reflektimit total të brendshëm, ai sillet si një pasqyrë.

Më e rëndësishmja aplikim teknik reflektimi total i brendshëm është fibra optike. Rrezet e dritës lëshohen në kabllon me fibër optike ( udhëzues i dritës) pothuajse paralel me boshtin e tij, bien në sipërfaqe në kënde të mëdha dhe plotësisht, pa humbje energjie, reflektohen përsëri në kabllo. Të reflektuara në mënyrë të përsëritur, rrezet shkojnë gjithnjë e më larg, duke transferuar energji në një distancë të konsiderueshme. Komunikimi me fibër optike përdoret, për shembull, në rrjetet televizive kabllore dhe akses në internet me shpejtësi të lartë.

Optika gjeometrike është pjesa më e lashtë e optikës si shkencë.

optika gjeometrike- Kjo është një degë e optikës që merr në konsideratë përhapjen e dritës në sisteme të ndryshme optike (thjerrëza, prizma, etj.) pa marrë parasysh natyrën e dritës.

Një nga konceptet themelore në optikë dhe, në veçanti, në optikën gjeometrike, është koncepti i një rrezeje.

Një rreze drite është një vijë përgjatë së cilës përhapet energjia e dritës.

rreze driteështë një rreze drite trashësia e së cilës është shumë më e vogël se distanca në të cilën ajo përhapet. Një përkufizim i tillë është i afërt, për shembull, me përkufizimin e një pike materiale, i cili jepet në kinematikë.

Ligji i parë i optikës gjeometrike(Ligji i përhapjes drejtvizore të dritës): Në një mjedis homogjen transparent, drita përhapet në vijë të drejtë.

Sipas teoremës së Fermatit: drita përhapet në një drejtim të tillë, koha e përhapjes në të cilën do të jetë minimale.

Ligji i dytë i optikës gjeometrike(Ligjet e reflektimit):

1. Rrezja e reflektuar shtrihet në të njëjtin rrafsh si rrezja rënëse dhe është pingul me ndërfaqen ndërmjet dy mediave.

2. Këndi i rënies është i barabartë me këndin e reflektimit (shih Fig. 1).

∟α = ∟β

Oriz. 1. Ligji i reflektimit

Ligji i tretë i optikës gjeometrike(Ligji i thyerjes) (Shih Fig. 2)

1. Rrezja e përthyer shtrihet në të njëjtin rrafsh me rrezen rënëse dhe pingulja e rikthyer në pikën e rënies.

2. Raporti i sinusit të këndit të rënies me sinusin e këndit të thyerjes është një vlerë konstante për këto dy media, e cila quhet indeksi i thyerjes. ( n).

Intensiteti i rrezes së reflektuar dhe të përthyer varet nga ajo që është mediumi dhe cila është ndërfaqja.

Oriz. 2. Ligji i thyerjes

Kuptimi fizik i indeksit të thyerjes:

Indeksi i thyerjes është relativ, pasi matjet kryhen në lidhje me dy media.

Në rast se një nga mediat është vakum:

NGAështë shpejtësia e dritës në vakum,

n është indeksi absolut i thyerjes që karakterizon mjedisin në lidhje me vakumin.

Nëse drita kalon nga një mjedis optikisht më pak i dendur në një mjedis optikisht më të dendur, atëherë shpejtësia e dritës zvogëlohet.

Një mjedis optikisht më i dendur është një mjedis në të cilin shpejtësia e dritës është më e ulët.

Një mjedis optikisht më pak i dendur është një mjedis në të cilin shpejtësia e dritës është më e madhe.

Ligji i reflektimit total të brendshëm

Ekziston një kënd kufizues i thyerjes - këndi më i madh i incidencës së rrezes, në të cilin përthyerja ndodh akoma kur rrezja kalon në një mjedis më pak të dendur. Në kënde të incidencës më të mëdha se kufiri, ndodh reflektimi total i brendshëm (shih Fig. 3).

Oriz. 3. Ligji i reflektimit total të brendshëm

Kufijtë e zbatueshmërisë së optikës gjeometrike qëndrojnë në faktin se është e nevojshme të merret parasysh madhësia e pengesave ndaj dritës.

Drita ka një gjatësi vale afërsisht 10 -9 metra

Nëse pengesat janë më të mëdha se gjatësia e valës, atëherë mund të përdoren dimensionet e optikës gjeometrike.

Laboratori 301

Matja e indeksit të thyerjes së një lëngu me një refraktometër ABBE

Elementet e optikës gjeometrike

Ligjet e mëposhtme përbëjnë bazën e optikës gjeometrike: 1) ligji i përhapjes drejtvizore të dritës; 2) ligji i pavarësisë së rrezeve të dritës; 3) ligjet e reflektimit të dritës; 4) ligjet e thyerjes së dritës.

Ligji i përhapjes drejtvizore të dritës:

Në një mjedis homogjen transparent, drita përhapet në një vijë të drejtë.

Ligji i pavarësisë së rrezeve të dritës:

Çdo rreze drite, kur kombinohet me të tjerat, sillet në mënyrë të pavarur nga rrezet e tjera, d.m.th. vlen parimi i mbivendosjes.

Ligjet e reflektimit të dritës:

Rrezja e rënë në ndërfaqe, normalja në këtë sipërfaqe në pikën e incidencës dhe rrezja e reflektuar shtrihen në të njëjtin rrafsh (i quajtur rrafshi i incidencës).

Këndi i reflektimit është i barabartë me këndin e rënies.

Ligjet e përthyerjes së dritës:

Rrezja e rënë në ndërfaqe, normalja në këtë sipërfaqe në pikën e rënies dhe rrezja e reflektuar shtrihen në të njëjtin rrafsh.

Raporti i sinuseve të këndit të rënies i dhe këndi i thyerjes rështë një vlerë konstante për dy media të ndryshme (ligji i Snell):

Vlera n 21 thirri indeksi relativ i thyerjes dy ambiente. Indeksi relativ i thyerjes n 21 është e barabartë me raportin e shpejtësisë së dritës në mjedisin e parë υ 1, me shpejtësinë e dritës në mediumin e dytë υ 2:

Ky është kuptimi i tij fizik. Indeksi i thyerjes së çdo mediumi në lidhje me vakum quhet indeksi absolut i thyerjes këtë mjedis. Ai tregon se sa herë shpejtësia e dritës në vakum është më e madhe se shpejtësia e dritës në një mjedis të caktuar dhe përcaktohet nga formula

ku ngaështë shpejtësia e dritës në vakum; υ është shpejtësia e dritës në medium. Njohja e indekseve absolute të thyerjes së dy mediave n 1 dhe n 2, ju mund të gjeni indeksin e tyre relativ të thyerjes:

Duke marrë parasysh këtë shprehje, ligji i Snell (1) mund të rishkruhet në një formë që është simetrike në lidhje me dy media:

n 1 mëkat i = n 2 mëkat r. (2)

Lidhja (2) pasqyron vetinë e kthyeshmërisë së rrezeve të dritës.

E mërkurë me një të madhe n thirrur optikisht më të dendur në raport me mjedisin me më pak n dhe anasjelltas. Nëse drita kalon nga një mjedis optikisht më pak i dendur në një medium optikisht më të dendur ( n 1 <n 2), për shembull, nga ajri në xhami, atëherë këndi i thyerjes është më i vogël se këndi i incidencës, r<i(Fig. 1a). Nëse drita kalon nga një mjedis optikisht më i dendur në një më pak të dendur ( n 1 >n 2), për shembull, nga xhami në ajër, atëherë r>i(Fig. 1b). Në rastin e fundit, është e mundur që

në një kënd mjaft të madh të rënies, këndi i thyerjes arrin π /2, dhe drita nuk do të depërtojë më në mediumin e dytë (Fig. 1c). Këndi i rënies në të cilin është këndi i thyerjes π /2 quhet këndi kufizues i rënies i etj.Në këndet e rënies i> i drita pr reflektohet plotësisht nga ndërfaqja. Fenomeni në të cilin një rreze drite nuk kalon në mjedisin e dytë, duke u reflektuar plotësisht nga ndërfaqja, quhet pasqyrim total i brendshëm(Fig. 1d).

Vlera e këndit kufizues për dy media me indeks relativ të thyerjes n 21 mund të përcaktohet nga ligji i Snell-it (1): nëse i = i pr, atëherë, sipas përkufizimit, r = π/2, pra,

.

Për shembull, kur kaloni nga xhami ( n 1 = 1.7) në ajër ( n 2 = 1) reflektimi total i brendshëm do të vërehet në këndet e incidencës i> harksin(1/1.7) = 370 .

Fenomeni i reflektimit total të brendshëm përdoret gjerësisht në teknologji: në refraktometra për matjen e indekseve të thyerjes, udhëzuesit e dritës (fibrat optike), polarizuesit, periskopët dhe pajisje të tjera.

Tërësia e metodave për matjen e indeksit të thyerjes së substancave quhet refraktometria, dhe instrumentet për matjen e tij - refraktometra. Refraktometria përdoret gjerësisht për të përcaktuar përbërjen dhe strukturën e substancave, si dhe për të kontrolluar cilësinë dhe përbërjen e produkteve të ndryshme në industrinë kimike, farmaceutike dhe ushqimore. Përparësitë e metodave refraktometrike të analizës sasiore janë shpejtësia e matjeve, konsumi i ulët i substancës dhe saktësia e lartë.

Kuptimi fizik i indeksit të thyerjes. Drita thyhet për shkak të një ndryshimi në shpejtësinë e përhapjes së saj kur lëviz nga një medium në tjetrin. Indeksi i thyerjes së mediumit të dytë në raport me të parën është numerikisht i barabartë me raportin e shpejtësisë së dritës në mjedisin e parë me shpejtësinë e dritës në mjedisin e dytë:

Kështu, indeksi i thyerjes tregon se sa herë shpejtësia e dritës në mjedisin nga i cili del rrezja është më e madhe (më e vogël) se shpejtësia e dritës në mjedisin në të cilin hyn.

Meqenëse shpejtësia e përhapjes së valëve elektromagnetike në vakum është konstante, këshillohet që të përcaktohen indekset e thyerjes së mediave të ndryshme në lidhje me vakumin. Raporti i shpejtësisë nga Përhapja e dritës në vakum deri në shpejtësinë e përhapjes së saj në një mjedis të caktuar quhet indeksi absolut i thyerjes substancë e dhënë () dhe është karakteristika kryesore e vetive të saj optike,

,

ato. indeksi i thyerjes së mediumit të dytë në raport me të parin është i barabartë me raportin e indekseve absolute të këtyre mediave.

Zakonisht, vetitë optike të një substance karakterizohen nga indeksi i thyerjes n në raport me ajrin, i cili ndryshon pak nga indeksi absolut i thyerjes. Në këtë rast, mjedisi, në të cilin indeksi absolut është më i madh, quhet optikisht më i dendur.

Këndi kufizues i thyerjes. Nëse drita kalon nga një mjedis me një indeks thyes më të ulët në një mjedis me një indeks thyes më të lartë ( n 1< n 2 ), atëherë këndi i thyerjes është më i vogël se këndi i rënies

r< i (Fig. 3).

Oriz. 3. Përthyerja e dritës gjatë tranzicionit

nga mediumi optikisht më pak i dendur në mesatar

optikisht më të dendur.

Me rritjen e këndit të rënies në i m = 90° (rreze 3, Fig. 2) drita në mjedisin e dytë do të përhapet vetëm brenda këndit r pr thirrur këndi kufizues i thyerjes. Në rajonin e mediumit të dytë brenda një këndi shtesë të këndit kufizues të thyerjes (90° - i pr ), nuk depërton dritë (kjo zonë është e hijezuar në Fig. 3).

Kufizoni këndin e thyerjes r pr

Por sin i m = 1, pra .

Fenomeni i reflektimit total të brendshëm. Kur drita kalon nga një mjedis me një indeks të lartë thyerjeje n 1 > n 2 (Fig. 4), atëherë këndi i thyerjes është më i madh se këndi i rënies. Drita thyhet (kalon në mjedisin e dytë) vetëm brenda këndit të rënies i pr , që i përgjigjet këndit të përthyerjes rm = 90°.

Oriz. 4. Përthyerja e dritës gjatë kalimit nga një mjedis optikisht më i dendur në një mjedis

më pak i dendur optikisht.

Goditja e dritës në një kënd të madh reflektohet plotësisht nga kufiri i medias (Fig. 4 rreze 3). Ky fenomen quhet reflektim total i brendshëm, dhe këndi i incidencës i pr është këndi kufizues i reflektimit total të brendshëm.

Këndi kufizues i reflektimit total të brendshëm i pr përcaktohet sipas kushtit:

, atëherë sin r m =1, pra, .

Nëse drita udhëton nga ndonjë medium në vakum ose në ajër, atëherë

Për shkak të kthyeshmërisë së rrugës së rrezeve për këto dy media, këndi kufizues i thyerjes në kalimin nga mediumi i parë në të dytin është i barabartë me këndin kufizues të reflektimit total të brendshëm kur rrezja kalon nga mjedisi i dytë në i pari. .

Këndi kufizues i reflektimit total të brendshëm për xhamin është më pak se 42°. Prandaj, rrezet që udhëtojnë nëpër xhami dhe bien në sipërfaqen e tij në një kënd prej 45° reflektohen plotësisht. Kjo veti e qelqit përdoret në prizmat rrotulluese (Fig. 5a) dhe të kthyeshme (Fig. 4b), të cilat përdoren shpesh në instrumentet optike.

Oriz. 5: a – prizëm rrotullues; b - prizëm i kundërt.

fibra optike. Reflektimi total i brendshëm përdoret në ndërtimin e fleksibilit udhërrëfyes të dritës. Drita, duke u futur brenda një fije transparente të rrethuar nga një substancë me një indeks thyes më të ulët, reflektohet shumë herë dhe përhapet përgjatë kësaj fije (Fig. 6).

Fig.6. Kalimi i dritës brenda një fije transparente të rrethuar nga materie

me një indeks refraktiv më të ulët.

Për të transmetuar flukse të larta të dritës dhe për të ruajtur fleksibilitetin e sistemit udhëzues të dritës, fibrat individuale mblidhen në tufa - udhërrëfyes të dritës. Dega e optikës që merret me transmetimin e dritës dhe imazheve përmes udhërrëfyesve të dritës quhet fibër optike. I njëjti term i referohet vetë pjesëve dhe pajisjeve me fibër optike. Në mjekësi, udhëzuesit e dritës përdoren për të ndriçuar zgavrat e brendshme me dritë të ftohtë dhe për të transmetuar imazhe.

Pjesa praktike

Instrumentet për përcaktimin e indeksit të thyerjes së substancave quhen refraktometra(Fig. 7).

Fig.7. Skema optike e refraktometrit.

1 - pasqyrë, 2 - koka matëse, 3 - sistem prizmash për të eliminuar shpërndarjen, 4 - lente, 5 - prizëm rrotullues (rotacioni i rrezes me 90 0), 6 - shkallë (në disa refraktometra

ekzistojnë dy shkallë: shkalla e indekseve refraktive dhe shkalla e përqendrimit të tretësirave),

7 - okular.

Pjesa kryesore e refraktometrit është një kokë matës, e përbërë nga dy prizma: një ndriçues, i cili ndodhet në pjesën e palosshme të kokës dhe një matës.

Në dalje të prizmit ndriçues, sipërfaqja e saj mat krijon një rreze të shpërndarë drite që kalon përmes lëngut të provës (2-3 pika) midis prizmave. Rrezet bien në sipërfaqen e prizmit matës në kënde të ndryshme, duke përfshirë në një kënd prej 90 0 . Në prizmin matës, rrezet mblidhen në rajonin e këndit kufizues të thyerjes, gjë që shpjegon formimin e një kufiri dritëhije në ekranin e pajisjes.

Fig.8. Rruga e rrezes në kokën matëse:

1 – prizëm ndriçues, 2 – lëng i hulumtuar,

3 - prizëm matës, 4 - ekran.

PËRCAKTIMI I PËRQINDJES SË SHEQERIT NË Tretësirë

Dritë natyrale dhe e polarizuar. dritë e dukshme- kjo valët elektromagnetike me një frekuencë lëkundjeje në intervalin nga 4∙10 14 deri në 7.5∙10 14 Hz. Valët elektromagnetike janë tërthore: vektorët E dhe H të fuqive të fushave elektrike dhe magnetike janë reciprokisht pingul dhe shtrihen në një rrafsh pingul me vektorin e shpejtësisë së përhapjes së valës.

Për shkak të faktit se si efektet kimike ashtu edhe ato biologjike të dritës lidhen kryesisht me komponentin elektrik të valës elektromagnetike, vektorin E intensiteti i kësaj fushe quhet vektor i dritës, dhe rrafshi i lëkundjeve të këtij vektori është rrafshi i lëkundjes së valës së dritës.

Në çdo burim drite, valët emetohen nga shumë atome dhe molekula, vektorët e dritës së këtyre valëve janë të vendosur në plane të ndryshme dhe lëkundjet ndodhin në faza të ndryshme. Rrjedhimisht, rrafshi i lëkundjeve të vektorit të dritës së valës që rezulton vazhdimisht ndryshon pozicionin e tij në hapësirë ​​(Fig. 1). Kjo dritë quhet natyrale, ose i papolarizuar.

Oriz. 1. Paraqitja skematike e një rreze dhe dritë natyrore.

Nëse zgjedhim dy plane reciproke pingul që kalojnë nëpër një rreze drite natyrale dhe projektojmë vektorët E në rrafsh, atëherë mesatarisht këto projeksione do të jenë të njëjta. Kështu, është e përshtatshme të përshkruhet një rreze e dritës natyrore si një vijë e drejtë, në të cilën ndodhet i njëjti numër i të dy projeksioneve në formën e pikave dhe pikave:

Kur drita kalon nëpër kristale, është e mundur të përftohet drita, rrafshi i lëkundjes së valës së së cilës zë një pozicion konstant në hapësirë. Kjo dritë quhet banesë- ose polarizuar në mënyrë lineare. Për shkak të renditjes së rregullt të atomeve dhe molekulave në një rrjetë hapësinore, kristali transmeton vetëm lëkundjet e vektorit të dritës që ndodhin në një plan të caktuar karakteristik për një rrjetë të caktuar.

Një valë drite e polarizuar e rrafshët përshkruhet si më poshtë:

Polarizimi i dritës mund të jetë gjithashtu i pjesshëm. Në këtë rast, amplituda e lëkundjeve të vektorit të dritës në çdo rrafsh tejkalon ndjeshëm amplitudat e lëkundjeve në plane të tjera.

Drita pjesërisht e polarizuar mund të përshkruhet në mënyrë konvencionale si më poshtë: , etj. Raporti i numrit të pikave dhe pikave përcakton shkallën e polarizimit të dritës.

Në të gjitha metodat e shndërrimit të dritës natyrore në dritë të polarizuar, përbërësit me një orientim të mirëpërcaktuar të planit të polarizimit zgjidhen plotësisht ose pjesërisht nga drita natyrale.

Metodat për marrjen e dritës së polarizuar: a) reflektimi dhe thyerja e dritës në kufirin e dy dielektrikëve; b) transmetimi i dritës nëpërmjet kristaleve njëaksiale optikisht anizotropike; c) transmetimi i dritës nëpërmjet mediave, anizotropia optike e së cilës krijohet artificialisht nga veprimi i një fushe elektrike ose magnetike, si dhe nga deformimi. Këto metoda bazohen në fenomenin anizotropia.

Anizotropiaështë varësia e një numri vetive (mekanike, termike, elektrike, optike) nga drejtimi. Trupat, vetitë e të cilëve janë të njëjta në të gjitha drejtimet quhen izotropike.

Polarizimi vërehet edhe gjatë shpërndarjes së dritës. Shkalla e polarizimit është më e lartë se madhësive më të vogla grimcat mbi të cilat ndodh shpërndarja.

Pajisjet e projektuara për të prodhuar dritë të polarizuar quhen polarizues.

Polarizimi i dritës gjatë reflektimit dhe thyerjes në ndërfaqen midis dy dielektrikëve. Kur drita natyrale reflektohet dhe përthyhet në ndërfaqen midis dy dielektrikëve izotropikë, ndodh polarizimi i saj linear. Në një kënd të rastësishëm të incidencës, polarizimi i dritës së reflektuar është i pjesshëm. Rrezja e reflektuar dominohet nga lëkundjet pingul me rrafshin e rënies, ndërsa rrezja e përthyer dominohet nga lëkundjet paralele me të (Fig. 2).

Oriz. 2. Polarizimi i pjesshëm i dritës natyrore gjatë reflektimit dhe thyerjes

Nëse këndi i rënies plotëson kushtin tg i B = n 21, atëherë drita e reflektuar është plotësisht e polarizuar (ligji i Brewster-it), dhe rrezja e thyer polarizohet jo plotësisht, por maksimalisht (Fig. 3). Në këtë rast, rrezet e reflektuara dhe të përthyera janë reciproke pingul.

është indeksi relativ i thyerjes së dy mediave, i B është këndi Brewster.

Oriz. 3. Polarizimi total i rrezes së reflektuar gjatë reflektimit dhe thyerjes

në ndërfaqen ndërmjet dy dielektrikëve izotropikë.

Përthyerje e dyfishtë. Ekzistojnë një numër kristalesh (kalcit, kuarc, etj.) në të cilët një rreze drite thyhet dhe ndahet në dy rreze me veti të ndryshme. Kalciti (spari islandez) është një kristal me një grilë gjashtëkëndore. Boshti i simetrisë së prizmit gjashtëkëndor që formon qelizën e tij quhet bosht optik. Boshti optik nuk është një vijë, por një drejtim në kristal. Çdo vijë paralele me këtë drejtim është gjithashtu një bosht optik.

Nëse një pllakë pritet nga një kristal kalciti në mënyrë që fytyrat e saj të jenë pingul me boshtin optik, dhe një rreze drite drejtohet përgjatë boshtit optik, atëherë nuk do të ketë ndryshime në të. Nëse, megjithatë, rrezja drejtohet në një kënd me boshtin optik, atëherë ai do të ndahet në dy rreze (Fig. 4), nga të cilët njëri quhet i zakonshëm, i dyti - i jashtëzakonshëm.

Oriz. 4. Dythyerja kur drita kalon nëpër një pllakë kalciti.

MN është boshti optik.

Një rreze e zakonshme shtrihet në rrafshin e incidencës dhe ka indeksin e zakonshëm të thyerjes për një substancë të caktuar. Rrezja e jashtëzakonshme shtrihet në një rrafsh që kalon përmes rrezes rënëse dhe boshtit optik të kristalit, të tërhequr në pikën e rënies së rrezes. Ky aeroplan quhet rrafshi kryesor i kristalit. Indekset e thyerjes për rrezet e zakonshme dhe të jashtëzakonshme janë të ndryshme.

Si rrezet e zakonshme ashtu edhe ato të jashtëzakonshme janë të polarizuara. Rrafshi i lëkundjes së rrezeve të zakonshme është pingul me rrafshin kryesor. Lëkundjet e rrezeve të jashtëzakonshme ndodhin në rrafshin kryesor të kristalit.

Fenomeni i dypërthyerjes është për shkak të anizotropisë së kristaleve. Përgjatë boshtit optik, shpejtësia e valës së dritës për rrezet e zakonshme dhe të jashtëzakonshme është e njëjtë. Në drejtime të tjera, shpejtësia e një vale të jashtëzakonshme në kalcit është më e madhe se ajo e një vale të zakonshme. Dallimi më i madh midis shpejtësive të të dy valëve ndodh në drejtimin pingul me boshtin optik.

Sipas parimit të Huygens, me dythyerje në çdo pikë të sipërfaqes së një valë që arrin kufirin e kristalit, lindin njëkohësisht dy valë elementare (jo një, si në mediat e zakonshme), të cilat përhapen në kristal.

Shpejtësia e përhapjes së një vale në të gjitha drejtimet është e njëjtë, d.m.th. vala ka trajtë sferike dhe quhet e zakonshme. Shpejtësia e përhapjes së një vale tjetër në drejtim të boshtit optik të kristalit është e njëjtë me shpejtësinë e një vale të zakonshme, dhe në drejtim pingul me boshtin optik, ndryshon nga ajo. Vala ka formë elipsoidale dhe quhet e jashtëzakonshme(Fig.5).

Oriz. 5. Përhapja e një vale të zakonshme (o) dhe të jashtëzakonshme (e) në një kristal

me përthyerje të dyfishtë.

Prizma Nikolla. Për të marrë dritë të polarizuar, përdoret një prizëm polarizues Nicol. Një prizëm i një forme dhe madhësie të caktuar pritet nga kalciti, më pas sharrohet përgjatë një rrafshi diagonal dhe ngjitet me balsam kanadez. Kur një rreze drite bie në faqen e sipërme përgjatë boshtit të prizmit (Fig. 6), rrezja e jashtëzakonshme bie në rrafshin ngjitës në një kënd më të vogël dhe kalon pothuajse pa ndryshuar drejtimin. Një rreze e zakonshme bie në një kënd më të madh se këndi i reflektimit total për balsamin kanadez, reflektohet nga rrafshi i ngjitjes dhe absorbohet nga faqja e nxirë e prizmit. Prizma e Nicol prodhon dritë plotësisht të polarizuar, rrafshi i lëkundjes së së cilës shtrihet në rrafshin kryesor të prizmit.

Oriz. 6. Prizma e Nikollës. Skema e kalimit të një të zakonshme

dhe rrezet e jashtëzakonshme.

Dikroizmi. Ka kristale që thithin rrezet e zakonshme dhe të jashtëzakonshme në mënyra të ndryshme. Pra, nëse një rreze natyrale drite drejtohet në një kristal turmalinë pingul me drejtimin e boshtit optik, atëherë me një trashësi pllake prej vetëm disa milimetrash, rrezja e zakonshme do të përthithet plotësisht dhe vetëm rrezja e jashtëzakonshme do të dalë nga kristali (Fig. 7).

Oriz. 7. Kalimi i dritës përmes një kristali turmalinë.

Natyra e ndryshme e përthithjes së rrezeve të zakonshme dhe të jashtëzakonshme quhet anizotropia e përthithjes, ose dikroizëm. Kështu, kristalet turmalinë mund të përdoren gjithashtu si polarizues.

Polaroidet. Aktualisht, polarizuesit përdoren gjerësisht. polaroidet. Për të bërë një polaroid, një film transparent është ngjitur midis dy pllakave prej qelqi ose pleksiglas, i cili përmban kristale të një substance dikroike që polarizon dritën (për shembull, sulfat jodokinon). Gjatë procesit të prodhimit të filmit, kristalet janë të orientuara në mënyrë që boshtet e tyre optike të jenë paralele. I gjithë sistemi është i fiksuar në një kornizë.

Kostoja e ulët e polaroideve dhe mundësia e prodhimit të pllakave me një sipërfaqe të madhe siguruan aplikimin e tyre të gjerë në praktikë.

Analiza e dritës së polarizuar. Për të studiuar natyrën dhe shkallën e polarizimit të dritës, pajisjet e quajtura analizues. Si analizues përdoren të njëjtat pajisje që shërbejnë për të marrë dritë të polarizuar linearisht - polarizues, por të përshtatur për rrotullim rreth boshtit gjatësor. Analizatori kalon vetëm dridhjet që përkojnë me planin e tij kryesor. NË ndryshe përmes analizatorit kalon vetëm komponenti i lëkundjes që përkon me këtë rrafsh.

Nëse vala e dritës që hyn në analizues është e polarizuar në mënyrë lineare, atëherë intensiteti i valës që del nga analizuesi kënaq Ligji i Malus:

,

ku I 0 është intensiteti i dritës hyrëse, φ është këndi ndërmjet planeve të dritës hyrëse dhe dritës së transmetuar nga analizuesi.

Kalimi i dritës përmes sistemit polarizues-analizues është paraqitur në mënyrë skematike në fig. 8.

Oriz. Fig. 8. Skema e kalimit të dritës përmes sistemit polarizues-analizues (P - polarizues,

A - analizues, E - ekran):

a) rrafshet kryesore të polarizuesit dhe analizuesit përkojnë;

b) rrafshet kryesore të polarizuesit dhe analizatorit janë të vendosura në një kënd të caktuar;

c) rrafshet kryesore të polarizuesit dhe analizatorit janë pingul reciprokisht.

Nëse rrafshet kryesore të polarizuesit dhe analizatorit përkojnë, atëherë drita kalon plotësisht përmes analizuesit dhe ndriçon ekranin (Fig. 7a). Nëse janë të vendosura në një kënd të caktuar, drita kalon nëpër analizues, por zbutet (Fig. 7b) aq më shumë, aq më afër është ky kënd me 90 0 . Nëse këto plane janë reciproke pingul, atëherë drita shuhet plotësisht nga analizuesi (Fig. 7c)

Rrotullimi i planit të lëkundjes së dritës së polarizuar. Polarimetria. Disa kristale si dhe solucione çështje organike kanë vetinë e rrotullimit të rrafshit të lëkundjes së dritës së polarizuar që kalon nëpër to. Këto substanca quhen optikisht por aktive. Këtu përfshihen sheqernat, acidet, alkaloidet, etj.

Për shumicën e substancave optikisht aktive, u gjet ekzistenca e dy modifikimeve që rrotullojnë rrafshin e polarizimit, përkatësisht në drejtim të akrepave të orës dhe kundër akrepave të orës (për një vëzhgues që shikon drejt rrezes). Modifikimi i parë quhet drejtpërsëdrejti, ose pozitive e dyta - levorotary, ose negative.

Aktiviteti optik natyror i një substance në një gjendje jo kristalore është për shkak të asimetrisë së molekulave. Në substancat kristalore, aktiviteti optik mund të jetë gjithashtu për shkak të veçorive të rregullimit të molekulave në rrjetë.

Në trupat e ngurtë, këndi φ i rrotullimit të planit të polarizimit është drejtpërdrejt proporcional me gjatësinë d të shtegut të rrezes së dritës në trup:

ku është α aftësia rrotulluese (rotacion specifik), në varësi të llojit të substancës, temperaturës dhe gjatësisë së valës. Për modifikimet e rrotullimit majtas dhe djathtas, aftësitë rrotulluese janë të njëjta në madhësi.

Për zgjidhjet, këndi i rrotullimit të planit të polarizimit

,

ku α është rrotullimi specifik, c është përqendrimi i substancës optike aktive në tretësirë. Vlera e α varet nga natyra e substancës optike aktive dhe tretësit, temperatura dhe gjatësia e valës së dritës. Rrotullim specifik- ky është një kënd rrotullimi 100 herë i rritur për një tretësirë ​​me trashësi 1 dm me përqendrim të substancës 1 gram për 100 cm 3 tretësirë ​​në temperaturë 20 0 C dhe në gjatësi vale të dritës λ=589 nm. Një metodë shumë e ndjeshme për përcaktimin e përqendrimit c, bazuar në këtë raport, quhet polarimetria (sakarimetria).

Varësia e rrotullimit të planit të polarizimit nga gjatësia valore e dritës quhet dispersion rrotullues. Në përafrimin e parë, ekziston Ligji i Bio:

ku A është një koeficient në varësi të natyrës së substancës dhe temperaturës.

Në një mjedis klinik, metoda polarimetria përdoret për të përcaktuar përqendrimin e sheqerit në urinë. Pajisja e përdorur për këtë quhet sakarimetër(Fig. 9).

Oriz. 9. Paraqitja optike e sakarimetrit:

Dhe - një burim i dritës natyrore;

C - filtër i dritës (monokromator), i cili siguron koordinimin e funksionimit të pajisjes

me ligjin e Biotit;

L është një lente konvergjente që jep një rreze paralele drite në dalje;

P - polarizues;

K – tub me tretësirë ​​provë;

A - analizues i montuar në një disk rrotullues D me ndarje.

Gjatë kryerjes së një studimi, analizuesi vendoset fillimisht në errësimin maksimal të fushës së shikimit pa zgjidhjen e provës. Pastaj një tub me një zgjidhje vendoset në pajisje dhe, duke rrotulluar analizuesin, fusha e shikimit errësohet përsëri. Më i vogli nga dy këndet nëpër të cilët duhet të rrotullohet analizuesi është këndi i rrotullimit për analitin. Këndi përdoret për të llogaritur përqendrimin e sheqerit në tretësirë.

Për të thjeshtuar llogaritjet, tubi me tretësirën është bërë aq i gjatë sa këndi i rrotullimit të analizuesit (në gradë) është numerikisht i barabartë me përqendrimin. nga tretësirë ​​(në gram për 100 cm 3). Gjatësia e tubit për glukozë është 19 cm.

mikroskopi polarizues. Metoda bazohet në anizotropia disa komponentë të qelizave dhe indeve që shfaqen kur vëzhgohen në dritën e polarizuar. Strukturat e përbëra nga molekula të renditura paralelisht ose disqe të renditura në formën e një pirg, kur futen në një mjedis me një indeks thyes që ndryshon nga indeksi i thyerjes së grimcave të strukturës, shfaqin aftësinë për të përthyerje e dyfishtë. Kjo do të thotë që struktura do të transmetojë dritë të polarizuar vetëm nëse rrafshi i polarizimit është paralel me boshtet e gjata të grimcave. Kjo mbetet e vlefshme edhe kur grimcat nuk kanë dythyeshmërinë e tyre. Optike anizotropia vërehet në muskuj, indin lidhor (kolagjen) dhe fibrat nervore.

Vetë emri i muskujve skeletorë strijuar" për shkak të ndryshimit në vetitë optike të seksioneve individuale të fibrës muskulore. Ai përbëhet nga zona të alternuara më të errëta dhe më të lehta të substancës së indeve. Kjo i jep fibrës një striacion tërthor. Studimi i fibrës muskulore në dritën e polarizuar zbulon se zonat më të errëta janë anizotropike dhe kanë veti dypërthyerje, ndërsa zonat më të errëta janë izotropike. Kolagjeni fijet janë anizotropike, boshti i tyre optik ndodhet përgjatë boshtit të fibrës. Micelat në pulpë neurofibrile janë gjithashtu anizotropikë, por boshtet e tyre optike janë të vendosura në drejtime radiale. Për ekzaminimin histologjik të këtyre strukturave përdoret një mikroskop polarizues.

Komponenti më i rëndësishëm i një mikroskopi polarizues është polarizuesi, i cili ndodhet midis burimit të dritës dhe kondensatorit. Përveç kësaj, mikroskopi ka një fazë rrotulluese ose mbajtëse kampioni, një analizues të vendosur midis objektivit dhe okularit, i cili mund të instalohet në mënyrë që boshti i tij të jetë pingul me boshtin e polarizuesit dhe një kompensues.

Kur polarizuesi dhe analizuesi janë kryqëzuar dhe objekti mungon ose izotropike fusha duket uniformisht e errët. Nëse ekziston një objekt me dythyeshmëri dhe ai është i vendosur në mënyrë që boshti i tij të jetë në një kënd me planin e polarizimit, i ndryshëm nga 0 0 ose nga 90 0, ai do ta ndajë dritën e polarizuar në dy komponentë - paralel dhe pingul me rrafshi i analizuesit. Rrjedhimisht, një pjesë e dritës do të kalojë përmes analizuesit, duke rezultuar në një imazh të ndritshëm të objektit në një sfond të errët. Kur objekti rrotullohet, shkëlqimi i imazhit të tij do të ndryshojë, duke arritur një maksimum në një kënd prej 45 0 në krahasim me polarizuesin ose analizuesin.

Mikroskopi polarizues përdoret për të studiuar orientimin e molekulave në strukturat biologjike (p.sh. qelizat e muskujve), si dhe gjatë vëzhgimit të strukturave të padukshme me metoda të tjera (p.sh. boshti mitotik gjatë ndarjes së qelizave), identifikimin e strukturës spirale.

Drita e polarizuar përdoret në kushtet e modelit për të vlerësuar streset mekanike që ndodhin në indet e eshtrave. Kjo metodë bazohet në fenomenin e fotoelasticitetit, i cili konsiston në shfaqjen e anizotropisë optike në trupat e ngurtë fillimisht izotropikë nën veprimin e ngarkesave mekanike.

PËRCAKTIMI I GJATESISË SË VALËS SË DRITËS ME TË PËRDORUR NJË RRETA DIFRAKSIONI

Ndërhyrje e lehtë. Ndërhyrja e dritës është një fenomen që ndodh kur valët e dritës mbivendosen dhe shoqërohet me amplifikimin ose zbutjen e tyre. Një model i qëndrueshëm i ndërhyrjes lind kur valët koherente mbivendosen. Valët koherente quhen valë me frekuenca të barabarta dhe faza të njëjta ose që kanë një zhvendosje fazore konstante. Përforcimi i valëve të dritës gjatë interferencës (gjendja maksimale) ndodh nëse Δ përshtatet me një numër çift të gjatësive të valëve gjysmë:

ku k – rendi maksimal, k=0,±1,±2,±,…±n;

λ është gjatësia e valës së dritës.

Dobësimi i valëve të dritës gjatë interferencës (gjendja minimale) vërehet nëse një numër tek i gjysmë gjatësi vale përshtatet në ndryshimin e rrugës optike Δ:

ku k është rendi i minimumit.

Dallimi i rrugës optike të dy rrezeve është ndryshimi në distancat nga burimet deri në pikën e vëzhgimit të modelit të ndërhyrjes.

Ndërhyrje në filma të hollë. Ndërhyrja në filmat e hollë mund të vërehet në flluskat e sapunit, në një vend vajguri në sipërfaqen e ujit kur ndriçohet nga rrezet e diellit.

Lëreni rreze 1 të bjerë në sipërfaqen e një filmi të hollë (shih Fig. 2). Rrezja, e thyer në ndërfaqen film-ajër, kalon nëpër film, reflektohet nga sipërfaqja e saj e brendshme, i afrohet sipërfaqes së jashtme të filmit, thyhet në ndërfaqen film-ajër dhe rrezja del. Ne e drejtojmë rrezen 2 në pikën e daljes së rrezes, e cila kalon paralelisht me rrezen 1. Rrezja 2 reflektohet nga sipërfaqja e filmit, mbivendosur mbi rreze dhe të dy trarët ndërhyjnë.

Kur ndriçojmë filmin me dritë polikromatike, marrim një pamje ylberi. Kjo është për shkak të faktit se filmi nuk është uniform në trashësi. Rrjedhimisht, lindin dallime në rrugë me përmasa të ndryshme, të cilat korrespondojnë me gjatësi vale të ndryshme (filma sapuni me ngjyra, ngjyra të ylberta të krahëve të disa insekteve dhe zogjve, filma vaji ose vajrash në sipërfaqen e ujit, etj.).

Ndërhyrja e dritës përdoret në pajisjet - interferometrat. Interferometrat janë pajisje optike që mund të përdoren për të ndarë në hapësirë ​​dy rreze dhe për të krijuar një ndryshim të caktuar të rrugës ndërmjet tyre. Interferometrat përdoren për të përcaktuar gjatësinë e valës me një shkallë të lartë saktësie të distancave të vogla, indekset e thyerjes së substancave dhe për të përcaktuar cilësinë e sipërfaqeve optike.

Për qëllime sanitare dhe higjienike, interferometri përdoret për të përcaktuar përmbajtjen e gazrave të dëmshëm.

Kombinimi i një interferometri dhe një mikroskopi (mikroskopi i ndërhyrjes) përdoret në biologji për të matur indeksin e thyerjes, përqendrimin e lëndës së thatë dhe trashësinë e mikro-objekteve transparente.

Parimi Huygens-Fresnel. Sipas Huygens-it, çdo pikë e mediumit, tek e cila arrin vala primare në një moment të caktuar, është burim i valëve dytësore. Fresnel e përsosi këtë pozicion të Huygens duke shtuar se valët dytësore janë koherente, d.m.th. kur mbivendosen, ato do të japin një model të qëndrueshëm ndërhyrjeje.

Difraksioni i dritës. Difraksioni i dritës është fenomeni i devijimit të dritës nga përhapja drejtvizore.

Difraksioni në trarët paralelë nga një çarje. Lëreni në objektiv të gjerë në një rreze paralele drite monokromatike bie (shih Fig. 3):

Një lente është instaluar në rrugën e rrezeve L , në rrafshin fokal të të cilit ndodhet ekrani E . Shumica e trarëve nuk shpërthejnë; mos e ndryshoni drejtimin e tyre dhe ato fokusohen nga thjerrëzat L në qendër të ekranit, duke formuar një maksimum qendror ose maksimum të rendit zero. Rrezet që shpërthejnë nën kënde të barabarta difraksioni φ , do të formojë maksimumin në ekran 1,2,3,…, n - porositë.

Kështu, modeli i difraksionit i marrë nga një çarje në rrezet paralele kur ndriçohet me dritë monokromatike është një shirit i ndritshëm me ndriçim maksimal në qendër të ekranit, pastaj vjen një shirit i errët (minimumi i rendit të parë), pastaj vjen një shirit i ndritshëm ( maksimumi i rendit të 1-rë).rendit), brezi i errët (minimumi i rendit të dytë), maksimumi i rendit të dytë, etj. Modeli i difraksionit është simetrik në lidhje me maksimumin qendror. Kur çarja ndriçohet me dritë të bardhë, në ekran formohet një sistem brezash me ngjyra, vetëm maksimumi qendror do të ruajë ngjyrën e dritës rënëse.

Kushtet maksimumi Dhe min difraksioni. Nëse në ndryshimin e rrugës optike Δ përshtatni një numër tek segmentesh të barabartë me , atëherë ka një rritje në intensitetin e dritës ( maksimumi difraksioni):

ku k është rendi i maksimumit; k =±1,±2,±…,± n;

λ është gjatësia e valës.

Nëse në ndryshimin e rrugës optike Δ përshtatni një numër çift segmentesh të barabartë me , atëherë ka një dobësim të intensitetit të dritës ( min difraksioni):

ku k është rendi i minimumit.

Grilë difraksioni. Një grilë difraksioni përbëhet nga breza të alternuar që janë të errët ndaj kalimit të dritës me breza (të çara) që janë transparente ndaj dritës dhe me gjerësi të barabartë.

Karakteristika kryesore e një grilë difraksioni është periudha e saj d . periudha e grilës së difraksionit është gjerësia totale e brezave transparentë dhe të errët:

Një grilë difraksioni përdoret në instrumentet optike për të rritur rezolucionin e instrumentit. Rezolucioni i një grilë difraksioni varet nga rendi i spektrit k dhe në numrin e goditjeve N :

ku R - rezolucioni.

Nxjerrja e formulës së grilave të difraksionit. Le të drejtojmë dy trarë paralelë, 1 dhe 2, në rrjetën e difraksionit në mënyrë që distanca ndërmjet tyre të jetë e barabartë me periudhën e grilës d .

Në pika POR Dhe NË trarët 1 dhe 2 difraktohen, duke devijuar nga drejtimi drejtvizor në një kënd φ është këndi i difraksionit.

Rrezet Dhe fokusuar nga lente L në një ekran të vendosur në rrafshin fokal të thjerrëzës (Fig. 5). Çdo çarje e grilës mund të konsiderohet si burim i valëve dytësore (parimi Huygens-Fresnel). Në ekran në pikën D, ne vëzhgojmë maksimumin e modelit të ndërhyrjes.

Nga një pikë POR në rrugën e traut hidhni pingulën dhe merrni pikën C. merrni parasysh një trekëndësh ABC : trekëndësh kënddrejtë РВАС=Рф si kënde me brinjë reciproke pingule. Nga Δ ABC:

ku AB=d (nga ndërtimi),

SW = ∆ është ndryshimi i rrugës optike.

Meqenëse në pikën D vëzhgojmë interferencën maksimale, atëherë

ku k është rendi i maksimumit,

λ është gjatësia e valës së dritës.

Lidhja e vlerave AB=d, në formulën për sinφ :

Nga këtu marrim:

NË pamje e përgjithshme formula e grilës së difraksionit ka formën:

Shenjat ± tregojnë se modeli i ndërhyrjes në ekran është simetrik në lidhje me maksimumin qendror.

Bazat fizike të holografisë. Holografia është një metodë e regjistrimit dhe rindërtimit të një fushe valore, e cila bazohet në dukuritë e difraksionit dhe interferencës së valës. Nëse vetëm intensiteti i valëve të reflektuara nga objekti regjistrohet në një fotografi konvencionale, atëherë fazat e valëve regjistrohen shtesë në hologram, i cili jep Informacion shtese rreth subjektit dhe ju lejon të merrni një imazh tredimensional të subjektit.