ทัศนศาสตร์เป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาธรรมชาติของการแผ่รังสีแสง การกระจายและการมีปฏิสัมพันธ์กับสสาร

แสงมีลักษณะเป็นคู่ มีคลื่นและคุณสมบัติของอนุภาค:

แสงเป็นกระแสของอนุภาค (โฟตอน); ธรรมชาติของเม็ดเลือดนั้นแสดงออกในการเปล่งแสงและการดูดกลืนแสง (เช่น ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก)

แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในระดับ EMW - ตำแหน่งระหว่างคลื่นวิทยุและรังสีเอกซ์ - ช่วงแสง:

1. แสงที่มองเห็นได้: ความยาวคลื่น 380-760 นาโนเมตร

   แสงอินฟราเรด ความยาวคลื่น 760 nm - 1 mm.

   รังสีอัลตราไวโอเลต: 10 - 380 นาโนเมตร

ธรรมชาติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกเปิดเผยในกระบวนการของการแพร่กระจายของแสง - ปรากฏการณ์ของการรบกวน การเลี้ยวเบน โพลาไรซ์ การสะท้อนและการหักเหของแสง

การวัดการหักเหของแสงเป็นวิธีการที่แม่นยำและง่ายที่สุดสำหรับการกำหนดปริมาณโปรตีนในเลือดในซีรัม - โปรตีนทั้งหมดและเปอร์เซ็นต์ของเศษส่วน (อัลบูมิน โกลบูลิน และไฟบริโนเจน) นอกจากนี้ วิธีนี้ใช้เพื่อกำหนดความบริสุทธิ์ของน้ำ เพื่อระบุสารต่างๆ เป็นต้น

แสงก็เหมือนกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายจากแหล่งกำเนิดในอวกาศในทุกทิศทาง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายในตัวกลางใด ๆ รวมถึงสุญญากาศ ในกรณีนี้ ความเร็วของคลื่นจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของไดอิเล็กตริกและแม่เหล็กของตัวกลาง:

- การยอมจำนนสัมพัทธ์ของตัวกลาง

- ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก

- ค่าคงที่แม่เหล็ก

- การซึมผ่านของแม่เหล็กสัมพัทธ์ของตัวกลาง

- ความเร็วของแสง (และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ในสุญญากาศ

ลำแสงคือทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นแสงตามอำเภอใจใดๆ ในตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกัน แสงเดินทางเป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่

การสะท้อนของแสงคือการเปลี่ยนแปลงในทิศทางของการแพร่กระจายของคลื่นแสงที่ส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางสองตัว ซึ่งคลื่นจะกลับสู่ตัวกลางแรกโดยไม่เปลี่ยนความเร็ว

กฎของการสะท้อน:

การหักเหของแสง - การเปลี่ยนแปลงในทิศทางของการแพร่กระจายของคลื่นแสงที่ขอบเขตของตัวกลางสองตัวซึ่งคลื่นผ่านเข้าไปในตัวกลางที่สองและความเร็วของมันจะเปลี่ยนไป

กฎการหักเหของแสง:

, ที่ไหน

- ดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลางที่สองเทียบกับตัวแรก (ดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์)

และ เป็นดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ของสื่อที่หนึ่งและที่สอง กล่าวคือ ดัชนีการหักเหของแสงของแต่ละสื่อเหล่านี้สัมพันธ์กับสุญญากาศ

ความหมายทางกายภาพของดัชนีการหักเหของแสง: ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์เท่ากับอัตราส่วนของความเร็วของแสงในสุญญากาศต่อความเร็วของแสงในตัวกลาง:

จากสูตรความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนี้

ดังนั้น ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์
, เช่น. ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสิ่งแวดล้อม ในทำนองเดียวกัน ดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์จะเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วของแสงในตัวกลางแรกต่อความเร็วในตัวกลางที่สอง:

เมื่อแสงผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง ความเร็วจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงก็ได้ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสื่อเหล่านี้ ตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ต่ำกว่าจะเรียกว่าความหนาแน่นเชิงแสงน้อยกว่า และตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์สูงกว่าจะเรียกว่าความหนาแน่นเชิงแสงมากกว่า

คุณสมบัติของแสงสะท้อนและการหักเหของแสงที่ขอบของตัวกลางสองตัวที่มีความหนาแน่นของแสงต่างกัน:

เมื่อแสงผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าทางแสงไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงมากกว่า มุมของการหักเหของแสง น้อยกว่ามุมตกกระทบ .

เมื่อมุมตกกระทบเพิ่มขึ้น มุมหักเหก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน มุมตกกระทบสูงสุด
สอดคล้องกับมุมหักเห
. ดังนั้นรังสีที่ตกลงมาบนส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางสองตัวที่มุมใดก็ได้ตั้งแต่ 0 0 ถึง 90 0 ผ่านเข้าไปในตัวกลางที่สองนั่นคือมีการหักเหของแสงโดยสมบูรณ์ มุมหักเหที่สอดคล้องกับมุมตกกระทบ 90 0 เรียกว่ามุมจำกัดของการหักเหทั้งหมด ( ). ค่าของมุมนี้สามารถกำหนดได้ตามกฎการหักเหของแสง:

เมื่อแสงผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นทางแสงมากกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า มุมของการหักเหของแสง มุมตกกระทบมากขึ้น :

เมื่อมุมตกกระทบเพิ่มขึ้น มุมหักเหก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ที่ค่าหนึ่งของมุมตกกระทบ (
) มุมหักเหถึงค่าสูงสุด 90 0 นั่นคือ ลำแสงหักเหจะเลื่อนไปตามส่วนต่อประสานระหว่างสื่อ ด้วยมุมตกกระทบที่เพิ่มขึ้นอีก (
) ลำแสงไม่ผ่านเข้าไปในตัวกลางที่สอง แต่สะท้อนเข้าสู่ตัวกลางแรกอย่างสมบูรณ์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการสะท้อนภายในทั้งหมด มุมตกกระทบซึ่งสอดคล้องกับมุมหักเหของแสง 90 0 เรียกว่ามุมจำกัดของการสะท้อนภายในทั้งหมด (
). ค่าของมุมนี้สามารถกำหนดได้ตามกฎการหักเหของแสง:

เมื่อลำแสงส่องผ่านจากตัวกลางที่มีดัชนี
ขึ้นไปในอากาศซึ่งมีดัชนีการหักเหของแสง ประมาณเท่ากับหนึ่ง

.

เงื่อนไขสำหรับการสะท้อนภายในทั้งหมด:

แสงผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นทางแสงมากกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า

มุมตกกระทบมากกว่าหรือเท่ากับมุมจำกัดของการสะท้อนภายในทั้งหมด

โดยทั่วไป ที่รอยต่อระหว่างตัวกลาง ปรากฏการณ์ของการสะท้อนและการหักเหของแสงจะเกิดขึ้นพร้อมกัน ความเข้มของแสงตกกระทบเท่ากับผลรวมของความเข้มของแสงสะท้อนและแสงหักเห:
. เมื่อมุมตกกระทบเพิ่มขึ้น ความเข้มของลำแสงหักเหจะลดลงและของลำแสงสะท้อนกลับจะเพิ่มขึ้น ด้วยการสะท้อนภายในทั้งหมด พลังงานทั้งหมดของคลื่นแสงจะกลับสู่ตัวกลางแรก

เครื่องวัดการหักเหของแสงเป็นอุปกรณ์สำหรับกำหนดดัชนีการหักเหของแสงของสาร การทำงานในแสงส่องผ่านขึ้นอยู่กับการกำหนดมุมการหักเหของแสง ซึ่งขึ้นอยู่กับดัชนีการหักเหของแสงของของเหลวที่ตรวจสอบ ส่วนหลักของเครื่องวัดการหักเหของแสงคือปริซึมแก้วสองอัน (1 และ 2) ซึ่งสัมผัสกับใบหน้าด้านตรงข้ามมุมฉาก ระหว่างใบหน้าเหล่านี้ จะมีช่องว่างขนาดประมาณ 0.1 มม. ซึ่งวางของเหลวทดสอบไว้ ด้านตรงข้ามมุมฉากของปริซึมบน (1) เป็นด้าน แสงที่ตกบนใบหน้านี้จะกระจัดกระจายและเมื่อผ่านของเหลวที่ตรวจสอบแล้ว ตกลงบนใบหน้าด้านตรงข้ามมุมฉากของปริซึมด้านล่าง (2) ที่มุมต่างๆ ตั้งแต่ 0 0 ถึง 90 0 ดัชนีการหักเหของแสงของของเหลวมีค่าน้อยกว่าดัชนีการหักเหของแสงของแก้ว ดังนั้น รังสีทั้งหมดจะเข้าสู่ปริซึมล่าง (2) ที่มุม 0 0 ถึงมุมการหักเหของแสงจำกัด ( ). กล้องโทรทรรศน์ยืนอยู่ในทางของรังสีที่โผล่ออกมาจากปริซึมที่สอง ระยะการมองเห็นของหลอดแบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ ส่วนสว่างและส่วนมืด เส้นขอบของแสงและเงาสอดคล้องกับลำแสงที่ส่องผ่านในมุมการหักเหของแสง: พื้นที่ภายในมุมนี้จะสว่าง ด้านนอกมืด

มีวัด และเมื่อทราบดัชนีการหักเหของแสง N ของแก้วปริซึม ดัชนีการหักเหของแสง n ของของเหลวที่ตรวจสอบหาได้จากสูตร:
.

เพื่อความสะดวกในการใช้งานอุปกรณ์ มาตราส่วนการวัดจะเลื่อนระดับทันทีตามดัชนีการหักเหของแสง

เมื่อกำหนดดัชนีการหักเหของแสงของของเหลวสีขุ่นและสี การวัดจะทำในแสงสะท้อนเพื่อลดการสูญเสียพลังงานเมื่อแสงผ่านเข้าไปในของเหลว ลำแสงจากแหล่งกำเนิดแสงส่องผ่านด้านข้างของปริซึมด้านล่าง (2) ในกรณีนี้ แสงจะกระจัดกระจายและตกลงมาบนใบหน้าด้านตรงข้ามมุมฉากซึ่งสัมผัสกับของเหลวที่ตรวจสอบในมุมต่างๆ ตั้งแต่ 0 0 ถึง 90 0 . รังสีที่ตกกระทบบนของเหลวในมุมที่น้อยกว่าขีดจำกัดจะทะลุผ่านเข้าไป และรังสีที่ตกกระทบที่วัตถุขนาดใหญ่จะเกิดการสะท้อนภายในทั้งหมดและออกจากใบหน้าด้านที่สองของปริซึมล่างเข้าสู่กล้องโทรทรรศน์ ขอบเขตการมองเห็นยังแบ่งออกเป็นส่วนที่สว่างและส่วนมืดด้วย แต่ตำแหน่งของอินเทอร์เฟซในกรณีนี้ถูกกำหนดโดยมุมจำกัดของการสะท้อนทั้งหมด

อย่างไรก็ตาม การใช้อุปกรณ์นี้ สามารถวัดได้เฉพาะดัชนีการหักเหของแสงของสาร ซึ่งมีค่าน้อยกว่าดัชนีการหักเหของแสงของแก้วของปริซึมวัด

สิ่งสำคัญ ส่วนสำคัญเครื่องวัดการหักเหของแสงเป็นตัวชดเชยการกระจายตัว (เนื่องจากทำงานในแสงสีขาว เพื่อขจัดการกระจายตัว กล่าวคือ แถบสเปกตรัม) - ปริซึม Amici ซึ่งติดตั้งอยู่ด้านหน้าเลนส์ของกล้องโทรทรรศน์ ปริซึม Amici ประกอบด้วยปริซึม 3 ตัว เลือกเพื่อให้การกระจายตัวในนั้นมีขนาดเท่ากัน แต่มีเครื่องหมายตรงกันข้ามกับการกระจายตัวในปริซึม 1 และ 2 ดังนั้น การกระจายตัวทั้งหมดจึงลดลงเป็นศูนย์ รังสีเดียวที่ไม่เบี่ยงเบนหลังจากปริซึม Amici เป็นสีเหลือง รังสีสีที่ทางออกจากปริซึมจะถูกรวบรวมเป็นลำแสงสีขาวซึ่งสอดคล้องกับทิศทางของลำแสงสีเหลือง

ฟลักซ์พลังงาน F คือพลังงาน E ที่ไหลผ่านพื้นผิวใดๆ ต่อหน่วยเวลา:

[W]

หากฟลักซ์พลังงาน Ф 0 ตกบนร่างกาย ในกรณีทั่วไป ส่วนหนึ่งของกระแส Ф อ้างอิงจะสะท้อนจากพื้นผิวของร่างกาย ส่วน Ф pr ผ่านร่างกาย และส่วนที่ Ф ดูดซับ จะถูกดูดซับโดยอนุภาคของร่างกาย ดังนั้นความสมดุลของพลังงานทั้งหมด: Ф 0 = Ф neg + Ф ดูดซับ + Ф pr. หารทั้งสองส่วนด้วย Ф 0 เราจะได้:

ทัศนคติ
- ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน และมีค่าตั้งแต่ 0 ถึง 1

ทัศนคติ
- ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนและมีค่าตั้งแต่ 0 ถึง 1

ทัศนคติ
- การส่งผ่านและเป็นจาก 0 ถึง 1

หากร่างกายมีความโปร่งใสอย่างแท้จริง กล่าวคือ ไม่ดูดซับรังสีและ
, แล้ว
. หากร่างกายมีความทึบแสงอย่างยิ่ง กล่าวคือ
, แล้ว
. ถ้า
จากนั้นร่างกายจะดูดซับรังสีทั้งหมดที่ตกลงมา

ค่าสัมประสิทธิ์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแสงและอุณหภูมิสัมบูรณ์ของร่างกาย:

ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน การดูดกลืน และการส่งผ่านที่ความยาวคลื่นหนึ่งเรียกว่าเอกรงค์ ในบันทึกนี้มักจะระบุโดยตัวห้อย " » มีลักษณะที่เหมาะสม เช่น .

กฎการลดทอนของแสงเมื่อผ่านสสาร

ความเข้มของการแผ่รังสีเป็นค่าตัวเลขเท่ากับ
, ที่ไหน

S คือพื้นที่ของพื้นผิวตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจายของคลื่นซึ่งพลังงาน E ถูกถ่ายโอน

ให้ I 0 เป็นความเข้มของแสงตกกระทบบนชั้นดูดซับบางชั้น I X เป็นความเข้มของแสงหลังจากผ่านชั้นความหนา X ในแต่ละชั้นบางๆ dX จะถูกดูดกลืน ดิ = - kIdX (เครื่องหมาย "-" หมายถึงความเข้มลดลง) การแบ่งตัวแปรเราได้รับ:

. มาแก้สมการอนุพันธ์กัน:

สมการสุดท้ายคือกฎการดูดกลืนของบูเกอร์ ปัจจัยสัดส่วน k ในกฎของบูเกร์ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแสง:
- และสำหรับคลื่นที่กำหนดเรียกว่าดัชนีการดูดกลืนธรรมชาติแบบเอกรงค์ นอกจากนี้ k ยังขึ้นอยู่กับชนิดของสารด้วย

ความหมายทางกายภาพของดัชนีการดูดกลืนธรรมชาติ: นี่คือส่วนกลับของความหนาของชั้นดูดซับของสาร ในระหว่างที่ความเข้มของแสงจะลดลงตามปัจจัยของ e มิติ k ในระบบ SI ของหน่วยคือ [m -1]

สำหรับสารละลายเจือจางเพียงพอ ซึ่งมีเพียงตัวถูกละลาย (แต่ไม่ใช่ตัวทำละลาย) ดูดซับ ความสัมพันธ์ที่เรียกว่ากฎของเบียร์นั้นใช้ได้:
, ที่ไหน

C คือความเข้มข้นของโมลาร์ของศูนย์ดูดซับ (โมเลกุลของโครโมฟอร์);

- อัตราการดูดซึมของฟันกรามตามธรรมชาติ กล่าวคือ อัตราการดูดซึมของสารละลายความเข้มข้นเดียว ขนาดคือ [โมล -1 เมตร -1]

ตามกฎของเบียร์ ดัชนีการดูดซึมเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มข้นของตัวถูกละลาย (ดัชนีโมลาร์ ซึ่งแตกต่างจาก k ไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้น)

เมื่อแทนที่กฎของเบียร์ลงในสมการของกฎของบูเกอร์ เราจะได้กฎของแลมเบิร์ต-บูเกอร์-เบียร์รวมกัน:

.

อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติพวกเขามักจะใช้ฐานไม่ใช่ e แต่ 10:

โดยที่ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนกราม
, เพราะ
. ในสเปกโทรสโกปี ดัชนีการดูดกลืนแสงของฟันกรามเรียกว่าการสูญพันธุ์ของฟันกราม

สเปกตรัมการดูดกลืนแสง การวัดความเข้มข้นของแคลอรี

ค่าที่เท่ากับลอการิทึมทศนิยมของส่วนกลับของการส่งผ่านคือความหนาแน่นเชิงแสงของสารละลาย:

.

ติดยาเสพติด จาก หรือ
จาก คือสเปกตรัมการดูดกลืนของสารที่กำหนด สามารถวัดความหนาแน่นของแสงได้ในทางปฏิบัติโดยใช้เครื่องสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ ทำให้สามารถระบุความเข้มข้นที่ไม่ทราบได้ของสารละลายของสาร chromophore จากความเข้มข้นที่ทราบของสารละลายของสารชนิดเดียวกัน โดยการวัดความหนาแน่นของแสง D 0 ของสารละลายที่มีความเข้มข้นที่ทราบ C 0 และ D X ของสารละลายที่ไม่ทราบความเข้มข้น C X ที่ความหนาเท่ากันของชั้นดูดซับ (ความหนาของเซลล์) เราจะได้สัดส่วนดังนี้

, ที่ไหน

ในทางการแพทย์ วิธีนี้ใช้กันอย่างแพร่หลาย เนื่องจากช่วยให้คุณทำงานกับสารที่มีความเข้มข้นต่ำ (10 -8 - 10 -12 M) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันถูกใช้ในนิติเวช.

หัวข้อของรหัส USE: กฎการหักเหของแสง, การสะท้อนภายในทั้งหมด

ที่รอยต่อระหว่างสื่อโปร่งใสสองตัวพร้อมกับการสะท้อนของแสงจะสังเกตการสะท้อนของมัน การหักเหของแสง- แสงที่ผ่านไปยังตัวกลางอื่นเปลี่ยนทิศทางของการแพร่กระจาย

การหักเหของแสงจะเกิดขึ้นเมื่อ เฉียงตกลงบนอินเทอร์เฟซ (แม้ว่าจะไม่เสมอไป - อ่านเกี่ยวกับการสะท้อนภายในทั้งหมด) หากลำแสงตกในแนวตั้งฉากกับพื้นผิวจะไม่มีการหักเหของแสง - ในตัวกลางที่สองลำแสงจะคงทิศทางของมันไว้และตั้งฉากกับพื้นผิวด้วย

กฎการหักเหของแสง (กรณีพิเศษ)

เราจะเริ่มด้วยกรณีเฉพาะที่สื่อรายการใดรายการหนึ่งออกอากาศ สถานการณ์นี้มีอยู่ในงานส่วนใหญ่ เราจะหารือเกี่ยวกับกรณีพิเศษที่เกี่ยวข้องกันของกฎการหักเหของแสง จากนั้นเราจะให้สูตรทั่วไปมากที่สุด

สมมุติว่ารังสีของแสงที่เดินทางผ่านอากาศตกลงมาบนผิวแก้ว น้ำ หรือตัวกลางโปร่งแสงอื่นๆ โดยเฉียง เมื่อผ่านเข้าไปในตัวกลาง ลำแสงจะหักเห และเส้นทางต่อไปจะแสดงในรูปที่ หนึ่ง .

มีการวาดเส้นตั้งฉากที่จุดเกิด (หรืออย่างที่พวกเขาพูด ปกติ) ถึงผิวของตัวกลาง คานเช่นเดิมเรียกว่า ลำแสงตกกระทบและมุมระหว่างรังสีตกกระทบกับเส้นตั้งฉากคือ มุมตกกระทบลำแสงคือ ลำแสงหักเห; มุมระหว่างรังสีหักเหกับเส้นตั้งฉากกับพื้นผิวเรียกว่า มุมหักเห.

สื่อโปร่งใสใด ๆ มีลักษณะเป็นปริมาณที่เรียกว่า ดัชนีการหักเหของแสงสภาพแวดล้อมนี้ ดัชนีการหักเหของแสงของสื่อต่างๆ สามารถพบได้ในตาราง ตัวอย่างเช่นสำหรับแก้วและน้ำ โดยทั่วไป สำหรับสภาพแวดล้อมใดๆ ดัชนีหักเหเท่ากับเอกภาพในสุญญากาศเท่านั้น ที่อากาศ ดังนั้น สำหรับอากาศที่มีความแม่นยำเพียงพอสามารถสันนิษฐานได้ในปัญหา (ในทัศนศาสตร์ อากาศไม่แตกต่างจากสุญญากาศมากนัก)

กฎการหักเหของแสง (การเปลี่ยน "อากาศ-กลาง") .

1) รังสีตกกระทบ รังสีหักเห และเส้นปกติสู่พื้นผิวที่ลากที่จุดตกกระทบ อยู่ในระนาบเดียวกัน
2) อัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมหักเหเท่ากับดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลาง:

. (1)

เนื่องจากจากความสัมพันธ์ (1) เป็นไปตามนั้น นั่นคือ - มุมหักเหน้อยกว่ามุมตกกระทบ จดจำ: ผ่านจากอากาศไปยังตัวกลางลำแสงหลังจากการหักเหของแสงจะเข้าใกล้ค่าปกติมากขึ้น

ดัชนีการหักเหของแสงมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความเร็วของแสงในตัวกลางที่กำหนด ความเร็วนี้จะน้อยกว่าความเร็วแสงในสุญญากาศเสมอ: และปรากฎว่า

. (2)

ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้นเราจะเข้าใจเมื่อศึกษาเลนส์คลื่น ในระหว่างนี้ เรามารวมสูตรกัน (1) และ (2) :

. (3)

เนื่องจากดัชนีหักเหของอากาศอยู่ใกล้กับเอกภาพมาก เราสามารถสรุปได้ว่าความเร็วของแสงในอากาศมีค่าเท่ากับความเร็วของแสงในสุญญากาศโดยประมาณ โดยพิจารณาและพิจารณาจากสูตร (3) เราสรุป: อัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมหักเหเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วแสงในอากาศต่อความเร็วของแสงในตัวกลาง

การกลับตัวของรังสีแสง

ตอนนี้ให้พิจารณาเส้นทางย้อนกลับของลำแสง: การหักเหของแสงระหว่างการเปลี่ยนจากตัวกลางสู่อากาศ หลักการที่เป็นประโยชน์ต่อไปนี้จะช่วยเราที่นี่

หลักการกลับตัวของรังสีแสง วิถีของลำแสงไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าตรงหรือ ทิศทางย้อนกลับลำแสงแพร่กระจาย เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม ลำแสงจะไปตามเส้นทางเดียวกับทิศทางไปข้างหน้า

ตามหลักการของการย้อนกลับ เมื่อส่งผ่านจากตัวกลางสู่อากาศ ลำแสงจะเคลื่อนที่ไปตามวิถีเดียวกันกับในระหว่างการเปลี่ยนจากอากาศสู่ตัวกลาง (รูปที่ 2) ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวในรูปที่ 2 จากรูป 1 คือ ทิศทางของลำแสงเปลี่ยนไปเป็นตรงกันข้าม

เนื่องจากรูปเรขาคณิตไม่เปลี่ยนแปลง สูตร (1) จะยังคงเหมือนเดิม: อัตราส่วนของไซน์ของมุมต่อไซน์ของมุมยังคงเท่ากับดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลาง จริงอยู่ ตอนนี้มุมเปลี่ยนบทบาทแล้ว มุมกลายเป็นมุมตกกระทบ และมุมกลายเป็นมุมหักเห

ไม่ว่าในกรณีใด ไม่ว่าลำแสงจะเคลื่อนที่อย่างไร - จากอากาศสู่สิ่งแวดล้อมหรือจากสิ่งแวดล้อมสู่อากาศ - กฎง่ายๆ ต่อไปนี้ก็ใช้ได้ เราใช้มุมสองมุม - มุมตกกระทบและมุมหักเห อัตราส่วนของไซน์ของมุมที่ใหญ่กว่าต่อไซน์ของมุมที่เล็กกว่านั้นเท่ากับดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลาง

ตอนนี้เราพร้อมอย่างเต็มที่ที่จะหารือเกี่ยวกับกฎการหักเหของแสงในกรณีทั่วไปส่วนใหญ่

กฎการหักเหของแสง (กรณีทั่วไป)

ปล่อยให้แสงผ่านจากตัวกลาง 1 ที่มีดัชนีการหักเหของแสงไปยังตัวกลาง 2 ที่มีดัชนีการหักเหของแสง ตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงเรียกว่า หนาแน่นขึ้น; ดังนั้น ตัวกลางที่มีค่าดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่าจึงเรียกว่า มีความหนาแน่นน้อยกว่าออปติคัล.

เมื่อผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าแบบออปติคัลไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงมากกว่า ลำแสงหลังจากการหักเหของแสงจะเข้าใกล้ค่าปกติมากขึ้น (รูปที่ 3) ในกรณีนี้ มุมตกกระทบมากกว่ามุมหักเห:

ข้าว. 3.

ในทางตรงกันข้าม เมื่อส่งผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นทางแสงมากกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า ลำแสงจะเบี่ยงเบนไปจากปกติมากขึ้น (รูปที่ 4) มุมตกกระทบน้อยกว่ามุมหักเห:

ข้าว. 4.

ปรากฎว่าทั้งสองกรณีครอบคลุมในสูตรเดียว - กฏหมายสามัญการหักเหของแสงใช้ได้กับสื่อโปร่งใสสองชนิด

กฎการหักเหของแสง
1) ลำแสงตกกระทบ ลำแสงหักเห และเส้นปกติกับส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางที่ลากที่จุดตกกระทบ อยู่ในระนาบเดียวกัน
2) อัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมหักเหเท่ากับอัตราส่วนของดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลางที่สองต่อดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลางตัวแรก:

. (4)

เป็นเรื่องง่ายที่จะเห็นว่ากฎการหักเหของแสงที่กำหนดไว้ก่อนหน้านี้สำหรับการเปลี่ยนสถานะ "อากาศ-ปานกลาง" เป็นกรณีพิเศษของกฎหมายนี้ แน่นอน สมมติว่าในสูตร (4) เราจะมาที่สูตร (1) .

โปรดจำไว้ว่าดัชนีการหักเหของแสงคืออัตราส่วนของความเร็วของแสงในสุญญากาศกับความเร็วของแสงในตัวกลางที่กำหนด: แทนค่านี้ลงใน (4) เราได้รับ:

. (5)

สูตร (5) สรุปสูตร (3) ในลักษณะที่เป็นธรรมชาติ อัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมหักเหเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วแสงในตัวกลางตัวแรกต่อความเร็วของแสงในตัวกลางที่สอง

การสะท้อนภายในทั้งหมด

เมื่อแสงส่องผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นทางแสงมากกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า จะสังเกตเห็นปรากฏการณ์ที่น่าสนใจ - สมบูรณ์ ภาพสะท้อนภายใน. เรามาดูกันว่ามันคืออะไร

ให้เราสมมติความชัดเจนว่าแสงไปจากน้ำสู่อากาศ สมมติว่ามีแหล่งกำเนิดแสงอยู่ที่ส่วนลึกของอ่างเก็บน้ำ เปล่งรังสีออกไปในทุกทิศทาง เราจะพิจารณาบางส่วนของรังสีเหล่านี้ (รูปที่ 5)

ลำแสงตกลงบนผิวน้ำในมุมที่เล็กที่สุด ลำแสงนี้หักเหบางส่วน (บีม ) และสะท้อนกลับลงไปในน้ำบางส่วน (บีม ) ดังนั้นพลังงานส่วนหนึ่งของลำแสงตกกระทบจะถูกถ่ายโอนไปยังลำแสงหักเห และพลังงานที่เหลือจะถูกถ่ายโอนไปยังลำแสงสะท้อน

มุมตกกระทบของลำแสงจะมากกว่า ลำแสงนี้ยังแบ่งออกเป็นสองคาน - หักเหและสะท้อนแสง แต่พลังงานของลำแสงดั้งเดิมถูกกระจายระหว่างกันในวิธีที่ต่างกัน: ลำแสงหักเหจะหรี่กว่าลำแสง (นั่นคือจะได้รับพลังงานส่วนน้อย) และลำแสงสะท้อนจะสว่างกว่าตามลำดับ ลำแสง (จะได้รับส่วนแบ่งพลังงานที่มากขึ้น)

เมื่อมุมตกกระทบเพิ่มขึ้น สามารถตรวจสอบความสม่ำเสมอเดียวกันได้: ส่วนแบ่งพลังงานที่เพิ่มขึ้นของลำแสงตกกระทบจะส่งไปที่ลำแสงสะท้อน และส่วนแบ่งที่น้อยลงของลำแสงหักเห ลำแสงหักเหจะหรี่ลงและหรี่ลง และเมื่อถึงจุดหนึ่งก็จะหายไปโดยสิ้นเชิง!

การหายตัวไปนี้เกิดขึ้นเมื่อถึงมุมตกกระทบซึ่งสอดคล้องกับมุมการหักเหของแสง ในสถานการณ์นี้ ลำแสงหักเหจะต้องขนานกับผิวน้ำ แต่ไม่มีอะไรจะไป - พลังงานทั้งหมดของลำแสงตกกระทบไปที่ลำแสงสะท้อนทั้งหมด

เมื่อมุมตกกระทบเพิ่มขึ้นอีก ลำแสงหักเหจะหายไปด้วยซ้ำ

ปรากฏการณ์ที่อธิบายไว้คือการสะท้อนภายในทั้งหมด น้ำไม่ปล่อยรังสีออกไปด้านนอกด้วยมุมตกกระทบเท่ากับหรือมากกว่าค่าหนึ่ง - รังสีดังกล่าวทั้งหมดจะสะท้อนกลับลงไปในน้ำทั้งหมด มุมเรียกว่า มุมจำกัดของการสะท้อนทั้งหมด.

ค่าหาได้ง่ายจากกฎการหักเหของแสง เรามี:

แต่เพราะฉะนั้น

ดังนั้น สำหรับน้ำ มุมจำกัดของการสะท้อนทั้งหมดเท่ากับ:

คุณสามารถสังเกตปรากฏการณ์การสะท้อนภายในทั้งหมดได้อย่างง่ายดายที่บ้าน เทน้ำลงในแก้ว ยกขึ้นแล้วมองดูผิวน้ำเล็กน้อยจากด้านล่างผ่านผนังกระจก คุณจะเห็นเงาสีเงินบนพื้นผิว - เนื่องจากการสะท้อนภายในทั้งหมดจึงมีลักษณะเหมือนกระจกเงา

ที่สำคัญที่สุด การประยุกต์ใช้ทางเทคนิคการสะท้อนภายในทั้งหมดคือ ใยแก้วนำแสง. ลำแสงที่ปล่อยเข้าสู่สายไฟเบอร์ออปติก ( คู่มือแสง) เกือบจะขนานกับแกนของมัน ตกลงบนพื้นผิวในมุมกว้าง และสะท้อนกลับเข้าไปในสายเคเบิลอย่างสมบูรณ์โดยไม่สูญเสียพลังงาน สะท้อนซ้ำแล้วซ้ำเล่า รังสีจะพุ่งออกไปไกลขึ้นเรื่อยๆ โดยถ่ายเทพลังงานในระยะทางที่ไกลพอสมควร ใช้การสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติก เช่น ในเครือข่ายเคเบิลทีวีและอินเทอร์เน็ตความเร็วสูง

ทัศนศาสตร์เรขาคณิตเป็นส่วนที่เก่าแก่ที่สุดของทัศนศาสตร์ในฐานะวิทยาศาสตร์

เลนส์ทางเรขาคณิต- เป็นสาขาของทัศนศาสตร์ที่พิจารณาการแพร่กระจายของแสงในระบบออพติคอลต่างๆ (เลนส์ ปริซึม ฯลฯ) โดยไม่คำนึงถึงธรรมชาติของแสง

แนวคิดพื้นฐานอย่างหนึ่งในด้านทัศนศาสตร์และโดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านทัศนศาสตร์ทางเรขาคณิตคือแนวคิดของรังสี

ลำแสงเป็นเส้นที่พลังงานแสงแพร่กระจายไป

ลำแสงคือลำแสงที่มีความหนาน้อยกว่าระยะที่มันแพร่กระจายไปมาก คำจำกัดความดังกล่าวใกล้เคียงกับคำจำกัดความของจุดวัสดุซึ่งกำหนดไว้ในจลนศาสตร์

กฎข้อที่หนึ่งของทัศนศาสตร์เรขาคณิต(กฎของการแพร่กระจายเป็นเส้นตรงของแสง): ในตัวกลางโปร่งใสที่เป็นเนื้อเดียวกัน แสงจะแพร่กระจายเป็นเส้นตรง

ตามทฤษฎีบทของแฟร์มาต์: แสงแพร่กระจายไปในทิศทางดังกล่าว เวลาการแพร่กระจายจะน้อยที่สุด

กฎข้อที่สองของทัศนศาสตร์เรขาคณิต(กฎแห่งการสะท้อน):

1. ลำแสงสะท้อนอยู่ในระนาบเดียวกันกับลำแสงตกกระทบ และตั้งฉากกับส่วนต่อประสานระหว่างสื่อทั้งสอง

2. มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน (ดูรูปที่ 1)

∟α = ∟β

ข้าว. 1. กฎแห่งการสะท้อน

กฎข้อที่สามของทัศนศาสตร์เรขาคณิต(กฎการหักเหของแสง) (ดูรูปที่ 2)

1. รังสีหักเหอยู่ในระนาบเดียวกับรังสีตกกระทบและเส้นตั้งฉากกลับคืนสู่จุดตกกระทบ

2. อัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมหักเหเป็นค่าคงที่ของสื่อทั้งสองนี้ ซึ่งเรียกว่าดัชนีการหักเหของแสง (น)

ความเข้มของลำแสงสะท้อนและหักเหขึ้นอยู่กับตัวกลางและส่วนต่อประสานคืออะไร

ข้าว. 2. กฎการหักเหของแสง

ความหมายทางกายภาพของดัชนีการหักเหของแสง:

ดัชนีการหักเหของแสงมีค่าสัมพัทธ์ เนื่องจากการวัดจะดำเนินการกับสื่อสองตัว

ในกรณีที่สื่อตัวใดตัวหนึ่งเป็นสุญญากาศ:

จากคือ ความเร็วแสงในสุญญากาศ

n คือดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ที่กำหนดลักษณะเฉพาะของตัวกลางเทียบกับสุญญากาศ

หากแสงผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าทางแสงไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นทางแสงมากกว่า ความเร็วของแสงจะลดลง

ตัวกลางที่มีแสงหนาแน่นกว่าคือตัวกลางที่ความเร็วแสงต่ำกว่า

ตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าทางแสงคือตัวกลางที่ความเร็วแสงมากกว่า

กฎของการสะท้อนภายในทั้งหมด

มีมุมหักเหที่จำกัด ซึ่งเป็นมุมตกกระทบที่ใหญ่ที่สุดของลำแสง ซึ่งการหักเหของแสงยังคงเกิดขึ้นเมื่อลำแสงผ่านเข้าไปในตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า ที่มุมตกกระทบที่มากกว่าขีดจำกัด การสะท้อนภายในทั้งหมดจะเกิดขึ้น (ดูรูปที่ 3)

ข้าว. 3. กฎของการสะท้อนกลับภายในทั้งหมด

ข้อจำกัดของการบังคับใช้เลนส์ทางเรขาคณิตนั้นขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่าจำเป็นต้องคำนึงถึงขนาดของสิ่งกีดขวางต่อแสง

แสงมีความยาวคลื่นประมาณ 10 -9 เมตร

หากสิ่งกีดขวางมีขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่น ก็สามารถใช้ขนาดของออปติกเรขาคณิตได้

แล็บ 301

การวัดดัชนีการหักเหของแสงของของเหลวด้วยเครื่องวัดการหักเหของแสง ABBE

องค์ประกอบของเลนส์เรขาคณิต

กฎต่อไปนี้เป็นพื้นฐานของทัศนศาสตร์เรขาคณิต: 1) กฎของการแพร่กระจายของแสงเป็นเส้นตรง; 2) กฎความเป็นอิสระของรังสีของแสง 3) กฎการสะท้อนของแสง 4) กฎการหักเหของแสง

กฎการแพร่กระจายของแสงเป็นเส้นตรง:

ในตัวกลางโปร่งใสที่เป็นเนื้อเดียวกัน แสงจะกระจายเป็นเส้นตรง

กฎความเป็นอิสระของรังสี:

ลำแสงแต่ละลำเมื่อรวมกับลำแสงอื่นๆ จะทำงานเป็นอิสระจากลำแสงอื่น กล่าวคือ หลักการทับซ้อนนั้นถูกต้อง

กฎของการสะท้อนแสง:

รังสีตกกระทบบนผิวสัมผัส ความปกติของพื้นผิวนี้ ณ จุดเกิด และรังสีสะท้อนอยู่ในระนาบเดียวกัน (เรียกว่า ระนาบอุบัติการณ์).

มุมสะท้อนเท่ากับมุมตกกระทบ

กฎการหักเหของแสง:

ลำแสงตกกระทบที่ส่วนต่อประสาน ความปกติของพื้นผิวนี้ ณ จุดเกิด และลำแสงสะท้อนอยู่ในระนาบเดียวกัน

อัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบ ฉันและมุมหักเห rเป็นค่าคงที่ของสื่อสองชนิดที่แตกต่างกัน (กฎของสเนลล์):

ค่า น 21 เรียกว่า ดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์สองสภาพแวดล้อม ดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ น 21 เท่ากับอัตราส่วนความเร็วแสงในตัวกลางตัวแรก υ 1 ถึงความเร็วแสงในตัวกลางที่สอง υ 2:

นี่คือความหมายทางกายภาพของมัน ดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลางใด ๆ ที่เกี่ยวกับสุญญากาศเรียกว่า ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์สภาพแวดล้อมนี้ มันแสดงให้เห็นว่าความเร็วของแสงในสุญญากาศมากกว่าความเร็วของแสงในตัวกลางที่กำหนดเป็นจำนวนเท่าใดและถูกกำหนดโดยสูตร

ที่ไหน จากคือ ความเร็วแสงในสุญญากาศ υ คือ ความเร็วแสงในตัวกลาง การรู้ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ของสื่อทั้งสอง น 1 และ น 2 คุณสามารถค้นหาดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ได้:

เมื่อคำนึงถึงนิพจน์นี้ กฎของสเนลล์ (1) สามารถเขียนใหม่ในรูปแบบที่สมมาตรเมื่อเทียบกับสื่อสองชนิด:

น 1 บาป ผม = น 2 บาป r. (2)

ความสัมพันธ์ (2) สะท้อนคุณสมบัติการย้อนกลับของรังสีแสง

วันพุธกับใหญ่ นเรียกว่า หนาแน่นขึ้นที่สัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมน้อยลง นและในทางกลับกัน. หากแสงส่องผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงน้อยกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงมากกว่า ( น 1 <น 2) ตัวอย่างเช่น จากอากาศสู่กระจก มุมหักเหจะน้อยกว่ามุมตกกระทบ r<ฉัน(รูปที่ 1a). หากแสงส่องผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นทางแสงมากกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า ( น 1 >น 2) ตัวอย่างเช่น จากแก้วสู่อากาศ แล้ว r>ฉัน(รูปที่ 1b). ในกรณีหลังนี้ เป็นไปได้ว่า

ที่มุมตกกระทบที่ใหญ่เพียงพอ มุมหักเหถึง π /2 และแสงจะไม่ทะลุผ่านตัวกลางที่สองอีกต่อไป (รูปที่ 1c) มุมตกกระทบที่มุมหักเหเป็น π /2 เรียกว่า จำกัดมุมตกกระทบ iเป็นต้น ที่มุมตกกระทบ ฉัน> ฉันแสง pr สะท้อนจากอินเทอร์เฟซอย่างสมบูรณ์ ปรากฏการณ์ที่ลำแสงไม่ผ่านเข้าไปในตัวกลางที่สองซึ่งสะท้อนออกมาจากส่วนต่อประสานอย่างสมบูรณ์เรียกว่า การสะท้อนกลับภายในทั้งหมด(รูปที่ 1d).

ค่ามุมจำกัดสำหรับสื่อสองตัวที่มีดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ น 21 สามารถกำหนดได้จากกฎของสเนลล์ (1): if ฉัน = ฉัน pr ตามคำจำกัดความ r = π/2 ดังนั้น

.

ตัวอย่างเช่น เมื่อผ่านจากกระจก ( น 1 = 1.7) ขึ้นไปในอากาศ ( น 2 = 1) การสะท้อนกลับภายในทั้งหมดจะถูกสังเกตที่มุมตกกระทบ ฉัน> arcsin(1/1.7) = 370 .

ปรากฏการณ์ของการสะท้อนภายในทั้งหมดมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยี: ในเครื่องวัดการหักเหของแสงสำหรับการวัดดัชนีการหักเหของแสง, ตัวนำแสง (เส้นใยแก้วนำแสง), โพลาไรเซอร์, กล้องปริทรรศน์ และอุปกรณ์อื่นๆ

ชุดวิธีการวัดดัชนีการหักเหของแสงเรียกว่า การวัดการหักเหของแสง,และเครื่องมือวัด - เครื่องวัดการหักเหของแสงการวัดการหักเหของแสงใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อกำหนดองค์ประกอบและโครงสร้างของสาร ตลอดจนควบคุมคุณภาพและองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ต่างๆ ในอุตสาหกรรมเคมี ยา และอาหาร ข้อดีของวิธีหักเหของแสงในการวิเคราะห์เชิงปริมาณคือความเร็วของการวัด ปริมาณการใช้สารที่ต่ำ และความแม่นยำสูง

ความหมายทางกายภาพของดัชนีการหักเหของแสงแสงหักเหเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความเร็วของการแพร่กระจายเมื่อเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง ดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลางที่สองที่สัมพันธ์กับอันแรกจะเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วของแสงในตัวกลางตัวแรกต่อความเร็วของแสงในตัวกลางที่สอง:

ดังนั้น ดัชนีการหักเหของแสงจะแสดงจำนวนเท่าของความเร็วของแสงในตัวกลางที่ลำแสงออกไปนั้นมากกว่า (น้อยกว่า) ความเร็วของแสงในตัวกลางที่มันเข้าไป

เนื่องจากความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศมีค่าคงที่ จึงแนะนำให้กำหนดดัชนีการหักเหของแสงของสื่อต่างๆ เกี่ยวกับสุญญากาศ อัตราส่วนความเร็ว จาก การแพร่กระจายของแสงในสุญญากาศด้วยความเร็วของการแพร่กระจายในตัวกลางที่กำหนดเรียกว่า ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์สารที่กำหนด () และเป็นคุณสมบัติหลักของคุณสมบัติทางแสง

,

เหล่านั้น. ดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลางที่สองที่สัมพันธ์กับอันแรกจะเท่ากับอัตราส่วนของดัชนีสัมบูรณ์ของสื่อเหล่านี้

โดยปกติ คุณสมบัติทางแสงของสารจะมีลักษณะเป็นดัชนีการหักเหของแสง น เทียบกับอากาศซึ่งแตกต่างจากดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์เพียงเล็กน้อย ในกรณีนี้ ตัวกลางซึ่งดัชนีสัมบูรณ์มีค่ามากกว่า จะเรียกว่าความหนาแน่นเชิงแสงมากขึ้น

มุมจำกัดของการหักเหของแสงหากแสงผ่านจากตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่าไปยังตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่า ( น 1< n 2 ) แล้วมุมหักเหจะน้อยกว่ามุมตกกระทบ

r< i (รูปที่ 3).

ข้าว. 3. การหักเหของแสงระหว่างการเปลี่ยนภาพ

จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าถึงปานกลาง

หนาแน่นขึ้น

เมื่อมุมตกกระทบเพิ่มขึ้นถึง ฉันม = 90° (ลำแสง 3, รูปที่ 2) แสงในตัวกลางที่สองจะแพร่กระจายภายในมุมเท่านั้น r pr เรียกว่า มุมการหักเหของแสง. ในบริเวณของตัวกลางที่สองภายในมุมเพิ่มเติมจากมุมจำกัดของการหักเหของแสง (90° - ฉันพูด ) ไม่มีแสงส่องผ่าน (บริเวณนี้แรเงาในรูปที่ 3)

มุมจำกัดของการหักเหของแสง r pr

แต่บาป ผม ม = 1 ดังนั้น .

ปรากฏการณ์การสะท้อนภายในทั้งหมดเมื่อแสงผ่านจากตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูง n 1 > n 2 (รูปที่ 4) มุมหักเหจะมากกว่ามุมตกกระทบ แสงหักเห (ผ่านเข้าไปในตัวกลางที่สอง) ภายในมุมตกกระทบเท่านั้น ฉันพูด ซึ่งสอดคล้องกับมุมการหักเหของแสง rm = 90 องศา

ข้าว. 4. การหักเหของแสงระหว่างการเปลี่ยนจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นทางแสงเป็นตัวกลาง

มีความหนาแน่นน้อยกว่า

แสงตกกระทบในมุมกว้างสะท้อนจากขอบของตัวกลางอย่างสมบูรณ์ (รูปที่ 4 ลำแสง 3) ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการสะท้อนภายในทั้งหมด และมุมตกกระทบ ฉันพูด คือมุมจำกัดของการสะท้อนภายในทั้งหมด

มุมจำกัดของการสะท้อนภายในทั้งหมด ฉันพูด กำหนดตามเงื่อนไข:

แล้วบาป r m =1 ดังนั้น .

ถ้าแสงเดินทางจากตัวกลางใด ๆ เข้าสู่สุญญากาศหรือในอากาศ ดังนั้น

เนื่องจากการย้อนกลับของเส้นทางของรังสีสำหรับสื่อทั้งสองนี้ มุมจำกัดของการหักเหของแสงในการเปลี่ยนจากตัวกลางที่หนึ่งไปยังตัวกลางที่สองจึงเท่ากับมุมจำกัดของการสะท้อนภายในทั้งหมดเมื่อลำแสงผ่านจากตัวกลางที่สองไปยังตัวกลางแรก .

มุมจำกัดของการสะท้อนแสงภายในทั้งหมดของกระจกน้อยกว่า 42° ดังนั้นรังสีที่เดินทางผ่านกระจกและตกกระทบบนพื้นผิวของมันที่มุม 45° จะถูกสะท้อนอย่างสมบูรณ์ คุณสมบัติของแก้วนี้ใช้ในปริซึมแบบหมุน (รูปที่ 5a) และแบบพลิกกลับได้ (รูปที่ 4b) ซึ่งมักใช้ในอุปกรณ์เกี่ยวกับสายตา

ข้าว. 5: a – ปริซึมหมุน; b - ปริซึมย้อนกลับ

ใยแก้วนำแสง.การสะท้อนกลับภายในทั้งหมดใช้ในการสร้างความยืดหยุ่น ไฟนำทาง. แสงที่เข้าไปในเส้นใยโปร่งใสที่ล้อมรอบด้วยสารที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่านั้นสะท้อนออกมาหลายครั้งและแพร่กระจายไปตามเส้นใยนี้ (รูปที่ 6)

รูปที่ 6 การส่องผ่านของแสงภายในเส้นใยโปร่งใสที่ล้อมรอบด้วยสสาร

ด้วยดัชนีการหักเหของแสงที่ต่ำกว่า

ในการส่งฟลักซ์แสงสูงและรักษาความยืดหยุ่นของระบบนำแสง เส้นใยแต่ละเส้นจะถูกประกอบเป็นมัด - ไฟนำทาง. สาขาของออปติกที่เกี่ยวข้องกับการส่งแสงและภาพผ่านตัวนำทางแสงเรียกว่าไฟเบอร์ออปติก คำเดียวกันนี้หมายถึงชิ้นส่วนและอุปกรณ์ใยแก้วนำแสงเอง ในทางการแพทย์ ตัวนำทางแสงใช้ส่องช่องภายในด้วยแสงเย็นและส่งภาพ

ภาคปฏิบัติ

เครื่องมือสำหรับกำหนดดัชนีการหักเหของแสงเรียกว่า เครื่องวัดการหักเหของแสง(รูปที่ 7)

รูปที่ 7 โครงร่างแสงของเครื่องวัดการหักเหของแสง

1 - กระจก, 2 - หัววัด, 3 - ระบบปริซึมเพื่อขจัดการกระจาย, 4 - เลนส์, 5 - ปริซึมแบบหมุน (การหมุนลำแสง 90 0), 6 - มาตราส่วน (ในเครื่องวัดการหักเหของแสงบางรุ่น

มีสองสเกล: สเกลของดัชนีการหักเหของแสงและสเกลของความเข้มข้นของสารละลาย)

7 - ช่องมองภาพ

ส่วนหลักของเครื่องวัดการหักเหของแสงคือหัววัดซึ่งประกอบด้วยปริซึมสองตัว: ตัวเรืองแสงซึ่งอยู่ในส่วนที่พับของศีรษะและตัววัด

ที่ทางออกของปริซึมที่ให้แสงสว่าง พื้นผิวด้านของมันจะสร้างลำแสงที่กระจัดกระจายซึ่งไหลผ่านของเหลวทดสอบ (2-3 หยด) ระหว่างปริซึม รังสีตกลงบนพื้นผิวของปริซึมวัดในมุมต่างๆ รวมทั้งที่มุม 90 0 . ในปริซึมการวัด รังสีจะถูกเก็บรวบรวมในบริเวณมุมจำกัดของการหักเหของแสง ซึ่งจะอธิบายการก่อตัวของขอบเงาของแสงบนหน้าจออุปกรณ์

รูปที่ 8 ทางเดินของลำแสงในหัววัด:

1 – ปริซึมส่องสว่าง 2 – ของเหลวที่ตรวจสอบแล้ว

3 - ปริซึมวัด 4 - หน้าจอ

การกำหนดเปอร์เซ็นต์ของน้ำตาลในสารละลาย

แสงธรรมชาติและโพลาไรซ์ แสงที่มองเห็น- นี้ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยความถี่การสั่นในช่วงตั้งแต่ 4∙10 14 ถึง 7.5∙10 14 Hz คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็น ตามขวาง: เวกเตอร์ E และ H ของความแรงของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากกันและอยู่ในระนาบตั้งฉากกับเวกเตอร์ความเร็วการแพร่กระจายคลื่น

เนื่องจากทั้งผลกระทบทางเคมีและชีวภาพของแสงส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบทางไฟฟ้าของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เวกเตอร์ อีความเข้มของสนามนี้เรียกว่า เวกเตอร์แสง,และระนาบการแกว่งของเวกเตอร์นี้คือ ระนาบการสั่นของคลื่นแสง.

ในแหล่งกำเนิดแสงใดๆ คลื่นจะถูกปล่อยออกมาจากอะตอมและโมเลกุลจำนวนมาก เวกเตอร์แสงของคลื่นเหล่านี้ตั้งอยู่ในระนาบต่างๆ และการสั่นเกิดขึ้นในเฟสต่างๆ ดังนั้นระนาบของการแกว่งของเวกเตอร์แสงของคลื่นที่เกิดจะเปลี่ยนตำแหน่งในอวกาศอย่างต่อเนื่อง (รูปที่ 1) แสงนี้เรียกว่า เป็นธรรมชาติ,หรือ ไม่มีขั้ว.

ข้าว. 1. แผนผังแสดงลำแสงและแสงธรรมชาติ

หากเราเลือกระนาบตั้งฉากกันสองระนาบที่ลอดผ่านลำแสงธรรมชาติและฉายเวกเตอร์ E บนระนาบ โดยเฉลี่ยแล้ว การฉายภาพเหล่านี้จะเหมือนกัน ดังนั้นจึงสะดวกที่จะถ่ายทอดรังสีของแสงธรรมชาติเป็นเส้นตรงซึ่งมีการฉายภาพทั้งสองจำนวนเท่ากันอยู่ในรูปแบบของเส้นประและจุด:

เมื่อแสงส่องผ่านผลึก เป็นไปได้ที่จะได้แสงที่ระนาบการสั่นของคลื่นอยู่ในตำแหน่งคงที่ในอวกาศ แสงนี้เรียกว่า แบน-หรือ โพลาไรซ์เชิงเส้น. เนื่องจากการจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบของอะตอมและโมเลกุลในโครงตาข่ายเชิงพื้นที่ คริสตัลจะส่งเฉพาะการสั่นของเวกเตอร์แสงที่เกิดขึ้นในลักษณะระนาบหนึ่งของโครงตาข่ายที่กำหนด

คลื่นแสงโพลาไรซ์ของระนาบถูกแสดงไว้อย่างสะดวกดังนี้:

โพลาไรซ์ของแสงยังสามารถเป็นบางส่วนได้ ในกรณีนี้ แอมพลิจูดของการสั่นของเวกเตอร์แสงในระนาบใดระนาบหนึ่งมีค่ามากกว่าแอมพลิจูดของการแกว่งในระนาบอื่นอย่างมีนัยสำคัญ

แสงโพลาไรซ์บางส่วนสามารถแสดงตามอัตภาพได้ดังนี้: , ฯลฯ อัตราส่วนของจำนวนเส้นประและจุดกำหนดระดับของโพลาไรซ์แสง

ในวิธีการทั้งหมดในการแปลงแสงธรรมชาติเป็นแสงโพลาไรซ์ ส่วนประกอบที่มีการวางแนวระนาบโพลาไรซ์ที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนจะได้รับการคัดเลือกจากแสงธรรมชาติทั้งหมดหรือบางส่วน

วิธีการรับแสงโพลาไรซ์: ก) การสะท้อนและการหักเหของแสงที่ขอบของไดอิเล็กทริกสองตัว b) การส่งผ่านแสงผ่านผลึกแกนเดียวแบบแอนไอโซทรอปิกเชิงแสง ค) การส่งผ่านแสงผ่านสื่อ แอนไอโซโทรปีเชิงแสงซึ่งถูกสร้างขึ้นโดยการกระทำของสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก รวมถึงการเสียรูป วิธีการเหล่านี้ขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ แอนไอโซโทรปี.

Anisotropyคือการพึ่งพาคุณสมบัติจำนวนหนึ่ง (เครื่องกล ความร้อน ไฟฟ้า แสง) ในทิศทาง กายที่มีสมบัติเหมือนกันทุกประการเรียกว่า ไอโซโทรปิก.

โพลาไรซ์ยังสังเกตได้ในระหว่างการกระเจิงของแสง ระดับของโพลาไรเซชันสูงกว่า ขนาดเล็กลงอนุภาคที่เกิดการกระเจิง

อุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อผลิตแสงโพลาไรซ์เรียกว่า โพลาไรเซอร์.

โพลาไรเซชันของแสงระหว่างการสะท้อนและการหักเหของแสงที่ส่วนต่อประสานระหว่างไดอิเล็กทริกสองตัวเมื่อแสงธรรมชาติสะท้อนและหักเหที่ส่วนต่อประสานระหว่างไดอิเล็กทริกแบบไอโซโทรปิกสองตัว โพลาไรเซชันเชิงเส้นจะเกิดขึ้น ที่มุมตกกระทบตามอำเภอใจ โพลาไรซ์ของแสงสะท้อนจะบางส่วน ลำแสงสะท้อนถูกครอบงำด้วยการแกว่งในแนวตั้งฉากกับระนาบของอุบัติการณ์ ในขณะที่ลำแสงหักเหถูกครอบงำด้วยการแกว่งขนานไปกับลำแสงนั้น (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. โพลาไรซ์บางส่วนของแสงธรรมชาติในระหว่างการสะท้อนและการหักเหของแสง

หากมุมตกกระทบเป็นไปตามเงื่อนไข tg i B = n 21 แสงที่สะท้อนกลับจะถูกโพลาไรซ์อย่างสมบูรณ์ (กฎของเบียร์) และลำแสงหักเหจะไม่ถูกโพลาไรซ์อย่างสมบูรณ์ แต่ให้มากที่สุด (รูปที่ 3) ในกรณีนี้ รังสีสะท้อนและหักเหจะตั้งฉากกัน

คือดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ของสื่อทั้งสอง, i B คือมุมของบรูว์สเตอร์

ข้าว. 3. โพลาไรซ์รวมของลำแสงสะท้อนระหว่างการสะท้อนและการหักเหของแสง

ที่ส่วนต่อประสานระหว่างไดอิเล็กทริกไอโซโทรปิกสองตัว

การหักเหของแสงสองครั้งมีคริสตัลจำนวนหนึ่ง (แคลไซต์ ควอตซ์ ฯลฯ) ที่ลำแสงหักเหแยกออกเป็นสองคานที่มีคุณสมบัติต่างกัน แคลไซต์ (สปาร์ไอซ์แลนด์) เป็นคริสตัลที่มีตาข่ายหกเหลี่ยม แกนสมมาตรของปริซึมหกเหลี่ยมที่สร้างเซลล์เรียกว่าแกนแสง แกนแสงไม่ใช่เส้น แต่เป็นทิศทางในผลึก เส้นใดๆ ที่ขนานกับทิศทางนี้ก็คือแกนแสงเช่นกัน

หากแผ่นผลึกแคลไซต์ถูกตัดออกโดยให้ใบหน้าตั้งฉากกับแกนแสง และลำแสงพุ่งไปตามแกนแสง จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ หากเรากำหนดทิศทางลำแสงในมุมหนึ่งไปยังแกนออปติคัล ลำแสงนั้นจะถูกแบ่งออกเป็นสองคาน (รูปที่ 4) ซึ่งอันหนึ่งเรียกว่าธรรมดา อันที่สอง - ไม่ธรรมดา

ข้าว. 4. การหักเหของแสงเมื่อแสงผ่านแผ่นแคลไซต์

MN คือแกนแสง

ลำแสงธรรมดาอยู่ในระนาบของอุบัติการณ์และมีดัชนีการหักเหของแสงปกติสำหรับสารที่กำหนด ลำแสงพิเศษอยู่ในระนาบที่เคลื่อนผ่านลำแสงตกกระทบและแกนออปติคอลของคริสตัล ซึ่งลากไปที่จุดตกกระทบของลำแสง เครื่องบินลำนี้มีชื่อว่า ระนาบหลักของคริสตัล. ดัชนีการหักเหของแสงสำหรับคานธรรมดาและคานพิเศษต่างกัน

ทั้งรังสีธรรมดาและรังสีพิเศษมีโพลาไรซ์ ระนาบการสั่นของรังสีธรรมดาตั้งฉากกับระนาบหลัก การสั่นของรังสีพิเศษเกิดขึ้นในระนาบหลักของผลึก

ปรากฏการณ์ birefringence เกิดจากแอนไอโซโทรปีของผลึก ตามแกนแสง ความเร็วของคลื่นแสงสำหรับรังสีธรรมดาและพิเศษจะเท่ากัน ในอีกทางหนึ่ง ความเร็วของคลื่นพิเศษในแคลไซต์มีค่ามากกว่าความเร็วของคลื่นธรรมดา ความแตกต่างที่ยิ่งใหญ่ที่สุดระหว่างความเร็วของคลื่นทั้งสองเกิดขึ้นในทิศทางตั้งฉากกับแกนแสง

ตามหลักการของ Huygens ด้วย birefringence ในแต่ละจุดบนพื้นผิวของคลื่นที่ไปถึงขอบเขตของผลึก คลื่นพื้นฐานสองคลื่นเกิดขึ้นพร้อม ๆ กัน (ไม่ใช่หนึ่งคลื่นเหมือนกับในสื่อธรรมดา) ซึ่งแพร่กระจายในคริสตัล

ความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นลูกเดียวในทุกทิศทางจะเท่ากัน กล่าวคือ คลื่นมีลักษณะเป็นทรงกลมเรียกว่า สามัญ. ความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นอื่นในทิศทางของแกนแสงของคริสตัลนั้นเหมือนกับความเร็วของคลื่นธรรมดาและในทิศทางตั้งฉากกับแกนแสงจะแตกต่างจากมัน คลื่นมีรูปร่างเป็นวงรีเรียกว่า พิเศษ(รูปที่ 5).

ข้าว. 5. การขยายพันธุ์ของคลื่นธรรมดา (o) และคลื่นพิเศษ (e) ในผลึก

ด้วยการหักเหสองเท่า

ปริซึม นิโคลัส.เพื่อให้ได้แสงโพลาไรซ์ จะใช้ปริซึมโพลาไรซ์ Nicol ปริซึมที่มีรูปร่างและขนาดที่แน่นอนถูกตัดออกจากแคลไซต์แล้วเลื่อยตามระนาบแนวทแยงและติดกาวด้วยยาหม่องแคนาดา เมื่อลำแสงตกกระทบที่ใบหน้าส่วนบนตามแนวแกนปริซึม (รูปที่ 6) ลำแสงพิเศษจะตกกระทบบนระนาบการติดกาวในมุมที่เล็กกว่าและทะลุผ่านแทบไม่มีการเปลี่ยนแปลงทิศทาง ลำแสงธรรมดาตกลงไปที่มุมที่มากกว่ามุมของการสะท้อนทั้งหมดสำหรับยาหม่องของแคนาดา ซึ่งสะท้อนจากระนาบการติดกาวและดูดซับโดยหน้าดำของปริซึม ปริซึม Nicol ทำให้เกิดแสงโพลาไรซ์อย่างเต็มที่ ซึ่งระนาบการสั่นอยู่ในระนาบหลักของปริซึม

ข้าว. 6. ปริซึมนิโคลัส แผนผังของทางเดินของสามัญ

และรังสีพิเศษ

ลัทธินิยมนิยมมีผลึกที่ดูดซับรังสีธรรมดาและพิเศษในรูปแบบต่างๆ ดังนั้น หากลำแสงธรรมชาติพุ่งไปที่ผลึกทัวร์มาลีนตั้งฉากกับแกนออปติคัล จากนั้นด้วยความหนาของแผ่นเพียงไม่กี่มิลลิเมตร ลำแสงธรรมดาจะถูกดูดกลืนอย่างสมบูรณ์ และมีเพียงลำแสงพิเศษเท่านั้นที่จะออกมา คริสตัล (รูปที่ 7)

ข้าว. 7. แสงส่องผ่านคริสตัลทัวร์มาลีน

ลักษณะที่แตกต่างกันของการดูดกลืนรังสีธรรมดาและพิเศษเรียกว่า การดูดซึม anisotropy,หรือ การแบ่งแยกเชื้อชาติดังนั้นคริสตัลทัวร์มาลีนจึงสามารถใช้เป็นโพลาไรเซอร์ได้

โพลารอยด์.ปัจจุบันมีการใช้โพลาไรเซอร์กันอย่างแพร่หลาย โพลารอยด์ในการทำโพลารอยด์ ฟิล์มใสจะติดกาวระหว่างแผ่นแก้วหรือลูกแก้วสองแผ่นซึ่งมีผลึกของสารไดโครอิกโพลาไรซ์ (เช่น ไอโอโดควิโนนซัลเฟต) ในระหว่างกระบวนการผลิตฟิล์ม คริสตัลจะถูกวางแนวเพื่อให้แกนลำแสงของพวกมันขนานกัน ระบบทั้งหมดได้รับการแก้ไขในกรอบ

โพลารอยด์ราคาถูกและความเป็นไปได้ในการผลิตเพลทที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะนำไปใช้ได้จริงในทางปฏิบัติ

การวิเคราะห์แสงโพลาไรซ์เพื่อศึกษาลักษณะและระดับของโพลาไรเซชันของแสง อุปกรณ์ที่เรียกว่า เครื่องวิเคราะห์ในฐานะเครื่องวิเคราะห์ อุปกรณ์เดียวกันกับที่ใช้เพื่อให้ได้แสงโพลาไรซ์เชิงเส้น - โพลาไรเซอร์ แต่ปรับให้เหมาะกับการหมุนรอบแกนตามยาว เครื่องวิเคราะห์ส่งผ่านเฉพาะการสั่นที่ตรงกับระนาบหลักเท่านั้น ใน มิฉะนั้นเฉพาะองค์ประกอบการสั่นที่ตรงกับระนาบนี้เท่านั้นที่ผ่านเครื่องวิเคราะห์

หากคลื่นแสงที่เข้าสู่เครื่องวิเคราะห์มีโพลาไรซ์เชิงเส้น แสดงว่าความเข้มของคลื่นที่ออกจากเครื่องวิเคราะห์จะเป็นไปตาม กฎของมาลัส:

,

โดยที่ I 0 คือความเข้มของแสงที่เข้ามา φ คือมุมระหว่างระนาบของแสงที่เข้ามาและแสงที่ส่งผ่านโดยเครื่องวิเคราะห์

การส่องผ่านของแสงผ่านระบบโพลาไรเซอร์-วิเคราะห์จะแสดงเป็นแผนผังในรูปที่ 8.

ข้าว. มะเดื่อ 8. แผนผังทางเดินของแสงผ่านระบบโพลาไรเซอร์ - วิเคราะห์ (P - โพลาไรเซอร์

A - เครื่องวิเคราะห์ E - หน้าจอ):

ก) ระนาบหลักของโพลาไรเซอร์และตัววิเคราะห์ตรงกัน

b) ระนาบหลักของโพลาไรเซอร์และเครื่องวิเคราะห์อยู่ที่มุมหนึ่ง

c) ระนาบหลักของโพลาไรเซอร์และเครื่องวิเคราะห์จะตั้งฉากกัน

หากระนาบหลักของโพลาไรเซอร์และเครื่องวิเคราะห์ตรงกัน แสงจะผ่านเครื่องวิเคราะห์อย่างสมบูรณ์และทำให้หน้าจอสว่างขึ้น (รูปที่ 7a) หากอยู่ในมุมใดมุมหนึ่ง แสงจะผ่านเครื่องวิเคราะห์ แต่ยิ่งลดทอนลง (รูปที่ 7b) ยิ่งมุมนี้อยู่ใกล้ 90 0 มากเท่านั้น หากระนาบเหล่านี้ตั้งฉากกัน ไฟก็จะดับโดยเครื่องวิเคราะห์ (รูปที่ 7c)

การหมุนระนาบของการสั่นของแสงโพลาไรซ์ โพลาริเมทรีผลึกและสารละลายบางชนิด อินทรียฺวัตถุมีคุณสมบัติในการหมุนระนาบการสั่นของแสงโพลาไรซ์ที่ส่องผ่าน สารเหล่านี้เรียกว่า สายตาแต่ คล่องแคล่ว. ได้แก่ น้ำตาล กรด อัลคาลอยด์ เป็นต้น

สำหรับสารออกฤทธิ์ทางแสงส่วนใหญ่ พบว่ามีการดัดแปลงสองแบบที่หมุนระนาบของโพลาไรเซชันตามลำดับตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกา (สำหรับผู้สังเกตที่มองไปทางลำแสง) การปรับเปลี่ยนครั้งแรกเรียกว่า dextrorotatory,หรือ เชิงบวกที่สอง - เลโวโรตารี,หรือเชิงลบ

กิจกรรมทางแสงตามธรรมชาติของสารในสถานะที่ไม่ใช่ผลึกเกิดจากความไม่สมดุลของโมเลกุล ในสารที่เป็นผลึก กิจกรรมทางแสงอาจเกิดจากลักษณะเฉพาะของการจัดเรียงโมเลกุลในโครงข่าย

ในของแข็ง มุม φ ของการหมุนระนาบโพลาไรซ์จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความยาว d ของเส้นทางของลำแสงในตัว:

โดยที่ α คือ ความสามารถในการหมุน (การหมุนเฉพาะ)ขึ้นอยู่กับชนิดของสาร อุณหภูมิ และความยาวคลื่น สำหรับการปรับเปลี่ยนการหมุนซ้ายและขวา ความสามารถในการหมุนจะเท่ากันในขนาด

สำหรับการแก้ปัญหา มุมการหมุนของระนาบโพลาไรซ์

,

โดยที่ α คือการหมุนจำเพาะ c คือความเข้มข้นของสารออกฤทธิ์ทางแสงในสารละลาย ค่าของ α ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของสารออกฤทธิ์ทางแสงและตัวทำละลาย อุณหภูมิและความยาวคลื่นของแสง การหมุนเฉพาะ- นี่คือมุมการหมุนที่เพิ่มขึ้น 100 เท่า สำหรับสารละลายที่มีความหนา 1 dm ที่ความเข้มข้นของสาร 1 กรัมต่อ 100 cm 3 ของสารละลายที่อุณหภูมิ 20 0 C และที่ความยาวคลื่นแสง λ=589 nm วิธีการที่ละเอียดอ่อนมากในการกำหนดความเข้มข้น c ตามอัตราส่วนนี้เรียกว่า การวัดขั้ว (saccharimetry)

การพึ่งพาการหมุนของระนาบโพลาไรซ์กับความยาวคลื่นของแสงเรียกว่า การกระจายตัวแบบหมุนในการประมาณแรกมี กฎของไบโอ:

โดยที่ A คือสัมประสิทธิ์ขึ้นอยู่กับลักษณะของสารและอุณหภูมิ

ในการตั้งค่าทางคลินิก วิธีการ การวัดขั้วใช้เพื่อกำหนดความเข้มข้นของน้ำตาลในปัสสาวะ เครื่องที่ใช้เรียกสิ่งนี้ว่า saccharimeter(รูปที่ 9)

ข้าว. 9. รูปแบบแสงของ saccharimeter:

และ - แหล่งกำเนิดแสงธรรมชาติ

C - ตัวกรองแสง (ขาวดำ) ซึ่งให้การประสานงานของการทำงานของอุปกรณ์

ด้วยกฎของ Biot;

L เป็นเลนส์บรรจบกันที่ให้ลำแสงคู่ขนานที่เอาต์พุต

P - โพลาไรเซอร์;

K – หลอดพร้อมสารละลายทดสอบ

เอ - เครื่องวิเคราะห์ที่ติดตั้งบนดิสก์หมุน D พร้อมดิวิชั่น

เมื่อทำการศึกษา ขั้นแรกให้เครื่องวิเคราะห์ได้รับการตั้งค่าให้ช่องรับภาพมืดลงสูงสุดก่อนโดยไม่ต้องใช้วิธีทดสอบ จากนั้นวางหลอดที่มีสารละลายลงในอุปกรณ์และเมื่อหมุนเครื่องวิเคราะห์ ขอบเขตการมองเห็นจะมืดลงอีกครั้ง มุมที่เล็กกว่าของสองมุมที่ต้องหมุนเครื่องวิเคราะห์คือมุมของการหมุนสำหรับตัววิเคราะห์ มุมนี้ใช้ในการคำนวณความเข้มข้นของน้ำตาลในสารละลาย

เพื่อลดความซับซ้อนในการคำนวณ ท่อที่มีสารละลายถูกทำให้ยาวจนมุมการหมุนของเครื่องวิเคราะห์ (เป็นองศา) เป็นตัวเลขเท่ากับความเข้มข้น จากสารละลาย (เป็นกรัมต่อ 100 ซม. 3) ความยาวของท่อกลูโคส 19 ซม.

กล้องจุลทรรศน์โพลาไรซ์วิธีการจะขึ้นอยู่กับ แอนไอโซโทรปีส่วนประกอบบางอย่างของเซลล์และเนื้อเยื่อที่ปรากฏขึ้นเมื่อถูกสังเกตในแสงโพลาไรซ์ โครงสร้างที่ประกอบด้วยโมเลกุลที่จัดเรียงขนานกันหรือจานที่จัดเรียงเป็นกอง เมื่อนำเข้าสู่ตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างจากดัชนีการหักเหของแสงของอนุภาคของโครงสร้าง จะแสดงความสามารถในการ การหักเหของแสงสองครั้งซึ่งหมายความว่าโครงสร้างจะส่งแสงโพลาไรซ์ก็ต่อเมื่อระนาบโพลาไรซ์ขนานกับแกนยาวของอนุภาค สิ่งนี้ยังคงใช้ได้แม้ว่าอนุภาคจะไม่มีการหักเหของแสงในตัวเอง ออปติคัล แอนไอโซโทรปีพบในกล้ามเนื้อ เนื้อเยื่อเกี่ยวพัน (คอลลาเจน) และเส้นใยประสาท

ชื่อกล้ามเนื้อโครงร่าง ลาย"เนื่องจากความแตกต่างของคุณสมบัติทางแสงของแต่ละส่วนของเส้นใยกล้ามเนื้อ ประกอบด้วยการสลับบริเวณที่มืดกว่าและสว่างกว่าของสารในเนื้อเยื่อ สิ่งนี้ทำให้เส้นใยมีเส้นขวางตามขวาง การศึกษาเส้นใยกล้ามเนื้อในแสงโพลาไรซ์พบว่าบริเวณที่มืดกว่าคือ แอนไอโซโทรปิกและมีคุณสมบัติ birefringenceในขณะที่บริเวณที่มืดกว่าคือ ไอโซโทรปิก. คอลลาเจนเส้นใยเป็นแบบแอนไอโซทรอปิก แกนออปติกของพวกมันตั้งอยู่ตามแกนไฟเบอร์ ไมเซลล์ในเนื้อ เส้นใยประสาทเป็นแบบแอนไอโซทรอปิกเช่นกัน แต่แกนออปติคัลของพวกมันอยู่ในทิศทางแนวรัศมี กล้องจุลทรรศน์โพลาไรซ์ใช้สำหรับการตรวจเนื้อเยื่อของโครงสร้างเหล่านี้

องค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของกล้องจุลทรรศน์โพลาไรซ์คือโพลาไรเซอร์ซึ่งตั้งอยู่ระหว่างแหล่งกำเนิดแสงและตัวเก็บประจุ นอกจากนี้ กล้องจุลทรรศน์ยังมีแท่นหมุนหรือตัวยึดตัวอย่าง ซึ่งเป็นเครื่องวิเคราะห์ที่ตั้งอยู่ระหว่างวัตถุประสงค์กับเลนส์ตา ซึ่งสามารถติดตั้งได้เพื่อให้แกนตั้งฉากกับแกนโพลาไรเซอร์ และตัวชดเชย

เมื่อข้ามโพลาไรเซอร์และตัววิเคราะห์และวัตถุหายไปหรือ ไอโซโทรปิกสนามดูมืดสม่ำเสมอ หากมีวัตถุที่มีการหักเหของแสงและตั้งอยู่โดยให้แกนของมันทำมุมกับระนาบโพลาไรเซชัน ซึ่งแตกต่างจาก 0 0 หรือจาก 90 0 มันจะแบ่งแสงโพลาไรซ์ออกเป็นสองส่วน - ขนานและตั้งฉากกับ ระนาบของเครื่องวิเคราะห์ ดังนั้น แสงบางส่วนจะลอดผ่านเครื่องวิเคราะห์ ส่งผลให้ได้ภาพที่สว่างของวัตถุตัดกับพื้นหลังสีเข้ม เมื่อวัตถุหมุน ความสว่างของภาพจะเปลี่ยนไป โดยทำมุมสูงสุดที่ 45 0 เทียบกับโพลาไรเซอร์หรือเครื่องวิเคราะห์

กล้องจุลทรรศน์โพลาไรซ์ใช้เพื่อศึกษาการวางแนวของโมเลกุลในโครงสร้างทางชีววิทยา (เช่น เซลล์กล้ามเนื้อ) เช่นเดียวกับในระหว่างการสังเกตโครงสร้างที่มองไม่เห็นด้วยวิธีการอื่น (เช่น ไมโทติคสปินเดิลระหว่างการแบ่งเซลล์) การระบุโครงสร้างเป็นเกลียว

แสงโพลาไรซ์ใช้ในสภาวะของแบบจำลองเพื่อประเมินความเครียดทางกลที่เกิดขึ้นในเนื้อเยื่อกระดูก วิธีนี้ขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ความยืดหยุ่นของแสง ซึ่งประกอบด้วยการเกิดแอนไอโซโทรปีเชิงแสงในของแข็งไอโซโทรปิกในขั้นต้นภายใต้การกระทำของโหลดทางกล

การหาความยาวคลื่นแสงโดยใช้ตะแกรงเลี้ยวเบน

การรบกวนของแสงการรบกวนของแสงเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นแสงซ้อนทับกันและมาพร้อมกับการขยายหรือการลดทอนของคลื่นแสง รูปแบบการรบกวนที่เสถียรเกิดขึ้นเมื่อคลื่นที่เชื่อมโยงกันซ้อนทับกัน คลื่นที่สอดคล้องกันเรียกว่าคลื่นที่มีความถี่เท่ากันและมีเฟสเดียวกันหรือมีการเปลี่ยนเฟสคงที่ การขยายคลื่นแสงในระหว่างการรบกวน (สภาวะสูงสุด) จะเกิดขึ้นหาก Δ พอดีกับความยาวครึ่งคลื่นเป็นจำนวนคู่:

ที่ไหน k – ลำดับสูงสุด k=0,±1,±2,±,…±n;

λ คือ ความยาวของคลื่นแสง

การอ่อนตัวของคลื่นแสงระหว่างการรบกวน (สภาวะขั้นต่ำ) จะสังเกตได้หากความยาวครึ่งคลื่นจำนวนคี่พอดีกับความแตกต่างของเส้นทางแสง Δ:

ที่ไหน k คือลำดับขั้นต่ำ

ความแตกต่างของเส้นทางแสงของลำแสงสองลำคือความแตกต่างของระยะทางจากแหล่งกำเนิดไปยังจุดที่สังเกตรูปแบบการรบกวน

การรบกวนในภาพยนตร์บางสามารถสังเกตการรบกวนในฟิล์มบางได้ในฟองสบู่ ในจุดที่มีน้ำมันก๊าดบนผิวน้ำเมื่อถูกแสงแดดส่องถึง

ให้ลำแสง 1 ตกลงบนพื้นผิวของฟิล์มบาง ๆ (ดูรูปที่ 2) ลำแสงที่หักเหที่ส่วนต่อประสานฟิล์มและอากาศ ผ่านฟิล์ม สะท้อนจากพื้นผิวด้านใน เข้าใกล้พื้นผิวด้านนอกของฟิล์ม หักเหที่ส่วนต่อระหว่างฟิล์มกับอากาศ และลำแสงก็ปรากฏขึ้น เรานำลำแสง 2 ไปยังจุดทางออกของลำแสงซึ่งผ่านขนานกับลำแสง 1 ลำแสง 2 สะท้อนจากพื้นผิวของฟิล์ม ซ้อนทับบนลำแสง และคานทั้งสองขวาง

เมื่อทำการฉายภาพยนตร์ด้วยแสงหลากสี เราจะได้ภาพสีรุ้ง เนื่องจากฟิล์มมีความหนาไม่เท่ากัน ดังนั้น ความแตกต่างของเส้นทางที่มีขนาดต่างกันจึงเกิดขึ้น ซึ่งสอดคล้องกับความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน (ฟิล์มสบู่สี สีรุ้งของปีกของแมลงและนกบางชนิด ฟิล์มน้ำมันหรือน้ำมันบนผิวน้ำ เป็นต้น)

การรบกวนของแสงถูกใช้ในอุปกรณ์ - อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เป็นอุปกรณ์ออปติคัลที่สามารถใช้ในการแยกลำแสงสองลำในเชิงพื้นที่และสร้างความแตกต่างของเส้นทางระหว่างกัน อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ใช้เพื่อกำหนดความยาวคลื่นที่มีความแม่นยำสูงในระยะทางสั้นๆ ดัชนีการหักเหของแสงของสาร และกำหนดคุณภาพของพื้นผิวทางแสง

เพื่อวัตถุประสงค์ด้านสุขอนามัยและสุขอนามัย เครื่องวัดอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ใช้เพื่อกำหนดเนื้อหาของก๊าซที่เป็นอันตราย

การผสมผสานระหว่างอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์และกล้องจุลทรรศน์ (กล้องจุลทรรศน์การรบกวน) ใช้ในชีววิทยาเพื่อวัดดัชนีการหักเหของแสง ความเข้มข้นของวัตถุแห้ง และความหนาของวัตถุขนาดเล็กที่โปร่งใส

หลักการของไฮเกนส์-เฟรสเนลตามข้อมูลของ Huygens แต่ละจุดของตัวกลางซึ่งคลื่นหลักไปถึงในช่วงเวลาที่กำหนดเป็นแหล่งกำเนิดของคลื่นทุติยภูมิ Fresnel ปรับปรุงตำแหน่งของ Huygens โดยเพิ่มว่าคลื่นทุติยภูมิมีความสอดคล้องกัน กล่าวคือ เมื่อซ้อนทับพวกเขาจะให้รูปแบบการรบกวนที่เสถียร

การเลี้ยวเบนของแสงการเลี้ยวเบนของแสงเป็นปรากฏการณ์ของการเบี่ยงเบนของแสงจากการแผ่ขยายเป็นเส้นตรง

การเลี้ยวเบนของคานคู่ขนานจากช่องเดียวปล่อยให้เป้าหมายกว้าง ใน ลำแสงคู่ขนานของแสงสีเดียวตกลงมา (ดูรูปที่ 3):

เลนส์ถูกติดตั้งในเส้นทางของรังสี หลี่ , ในระนาบโฟกัสที่หน้าจอตั้งอยู่ อี . คานส่วนใหญ่ไม่เลี้ยวเบน อย่าเปลี่ยนทิศทางและโฟกัสไปที่เลนส์ หลี่ ที่กึ่งกลางของหน้าจอ สร้างค่าสูงสุดตรงกลางหรือค่าสูงสุดเป็นศูนย์ รังสีเลี้ยวเบนภายใต้ มุมเท่ากันการเลี้ยวเบน φ , จะสร้าง maxima บนหน้าจอ 1,2,3,…, น - คำสั่งซื้อ

ดังนั้นรูปแบบการเลี้ยวเบนที่ได้จากช่องหนึ่งในลำแสงคู่ขนานเมื่อส่องสว่างด้วยแสงสีเดียวเป็นแถบสว่างที่มีแสงส่องสว่างสูงสุดตรงกลางหน้าจอ จากนั้นแถบสีเข้ม (ขั้นต่ำในลำดับที่ 1) ก็มาแถบสว่าง ( สูงสุดของคำสั่งที่ 1) คำสั่ง), แถบสีเข้ม (ขั้นต่ำของคำสั่งที่ 2) สูงสุดของคำสั่งที่ 2 เป็นต้น รูปแบบการเลี้ยวเบนมีความสมมาตรเมื่อเทียบกับค่าศูนย์กลางสูงสุด เมื่อสลิตสว่างขึ้นด้วยแสงสีขาว ระบบของแถบสีจะถูกสร้างขึ้นบนหน้าจอ เฉพาะค่าสูงสุดตรงกลางเท่านั้นที่จะคงสีของแสงตกกระทบ

เงื่อนไข maxและ นาทีการเลี้ยวเบนถ้าในเส้นทางแสงแตกต่าง Δ ใส่จำนวนคี่ของเซ็กเมนต์เท่ากับ จากนั้นความเข้มของแสงจะเพิ่มขึ้น ( max การเลี้ยวเบน):

ที่ไหน k คือลำดับสูงสุด k =±1,±2,±…,± n;

λ คือความยาวคลื่น

ถ้าในเส้นทางแสงแตกต่าง Δ ใส่จำนวนคู่เท่ากับ จากนั้นความเข้มของแสงจะลดลง ( นาที การเลี้ยวเบน):

ที่ไหน k คือลำดับขั้นต่ำ

ตะแกรงเลี้ยวเบนตะแกรงเลี้ยวเบนประกอบด้วยแถบสลับที่ทึบแสงกับทางเดินของแสงที่มีแถบ (ร่อง) โปร่งใสต่อแสงที่มีความกว้างเท่ากัน

ลักษณะสำคัญของตะแกรงเลี้ยวเบนคือคาบของมัน d . ระยะเวลาของตะแกรงเลี้ยวเบนคือความกว้างทั้งหมดของแถบโปร่งใสและทึบแสง:

ตะแกรงเลี้ยวเบนใช้ในอุปกรณ์ออปติคัลเพื่อเพิ่มความละเอียดของเครื่องมือ ความละเอียดของตะแกรงเลี้ยวเบนขึ้นอยู่กับลำดับของสเปกตรัม k และจำนวนจังหวะ นู๋ :

ที่ไหน R - ปณิธาน.

ที่มาของสูตรตะแกรงเลี้ยวเบนให้เรานำลำแสงคู่ขนานสองลำไปยังตะแกรงเลี้ยวเบน: 1 และ 2 เพื่อให้ระยะห่างระหว่างคานทั้งสองนั้นเท่ากับคาบตะแกรง d .

ณ จุด แต่ และ ใน คานที่ 1 และ 2 เลี้ยวเบนเบี่ยงเบนจากทิศทางเป็นเส้นตรงเป็นมุม φ คือมุมเลี้ยวเบน

รังสี และ โฟกัสด้วยเลนส์ หลี่ บนหน้าจอที่อยู่ในระนาบโฟกัสของเลนส์ (รูปที่ 5) ช่องตะแกรงแต่ละช่องถือเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นทุติยภูมิ (หลักการ Huygens-Fresnel) บนหน้าจอที่จุด D เราสังเกตรูปแบบการรบกวนสูงสุด

จากจุดหนึ่ง แต่ บนเส้นทางของลำแสง วางแนวตั้งฉากและรับจุด C. พิจารณารูปสามเหลี่ยม ABC : สามเหลี่ยมมุมฉาก РВАС=Рφ เป็นมุมที่มีด้านตั้งฉากกัน จาก Δ เอบีซี:

ที่ไหน AB=d (โดยการก่อสร้าง)

SW = ∆ คือความแตกต่างของเส้นทางแสง

เนื่องจาก ณ จุด D เราสังเกตการรบกวนสูงสุด ดังนั้น

ที่ไหน k เป็นลำดับสูงสุด

λ คือ ความยาวของคลื่นแสง

เสียบค่า AB=d, ลงในสูตรสำหรับ บาป :

จากที่นี่เราได้รับ:

ใน ปริทัศน์สูตรตะแกรงเลี้ยวเบนมีรูปแบบดังนี้

เครื่องหมาย ± แสดงว่ารูปแบบการรบกวนบนหน้าจอมีความสมมาตรเมื่อเทียบกับค่าศูนย์กลางสูงสุด

รากฐานทางกายภาพของโฮโลแกรมภาพสามมิติเป็นวิธีการบันทึกและสร้างสนามคลื่นขึ้นใหม่ ซึ่งขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของการเลี้ยวเบนและการรบกวนของคลื่น หากบันทึกเฉพาะความเข้มของคลื่นที่สะท้อนจากวัตถุในภาพถ่ายทั่วไป ขั้นตอนของคลื่นจะถูกบันทึกเพิ่มเติมบนโฮโลแกรม ซึ่งจะทำให้ ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับตัวแบบและช่วยให้คุณได้ภาพสามมิติของตัวแบบ