Показник заломлення – це важлива величина, яку враховують при виробництві таких оптичних приладів, як мікроскопи, рефракторные телескопи, окуляри, лінзи для очей і т. д. В даній статті розглянуто питання вимірювання показника заломлення скла.
Що таке заломлення світла?
Перед тим як розглядати особливості експериментального вимірювання показника заломлення скла, слід познайомитися з самим явищем заломлення. Його суть полягає у зламі траєкторії світлового променя, коли він переходить через кордон прозорих середовищ різної природи, наприклад, повітря і вода. Варто відзначити, що обидві середовища обов’язково повинні бути прозорими для світла. В іншому випадку, заломлення спостерігатися не буде (будуть відбуватися лише процеси відбиття і поглинання світлової енергії).
Математика явища заломлення
Заломлення разом з віддзеркаленням світла вивчається людством з давніх часів, досить пригадати імена Птолемея, Герона Олександрійського і Аристотеля. Математичний закон, що описує це явище, називається законом Снелла.
На початку XVII століття голландський математик за прізвищем Снелл (Снеллиус) першим отримав відповідне математичне вираз, узагальнюючи безліч експериментальних даних. Варто відзначити, що аналогічне вираз було отримано також арабським математиком Ібн Сахлем в X столітті, але про його роботах після темного Середньовіччя ніхто не згадав на зорі Нового часу.
Якщо позначити кут між перпендикуляром до поверхні розділу середовищ і падаючим вузьким променем світла символом θ1 (тета), а між перпендикуляром і заломленим променем – символом θ2, тоді можна записати рівність:
n1*sin(θ1) = n2*sin(θ2).
Це вираження і є вищезгаданий закон Снелла. До нього часто додають ще один закон заломлення, який стверджує, що в площині, утвореної падаючим і заломленим променями, також лежить перпендикуляр до поверхні розділу середовищ. Величини n1 і n2 називаються показниками заломлення 1-ї і 2-ї середовища.
Абсолютний показник заломлення
Ця фізична величина показує, як сильно відбувається уповільнення світла (електромагнітної хвилі), коли він з вакууму потрапляє в матеріальну середу. Математично це означення можна записати так:
n = c/v.
Тут c – швидкість поширення світла у вакуумі, v – в матеріалі. Так як величина c завжди більше, ніж v, то показник n для будь-якого середовища більше одиниці. Оптична щільність середовища корелює з величиною n. Наприклад, для повітря n дорівнює 1, для води – 1,33, тобто вода — оптично більш щільне середовище.
Показник заломлення визначається не тільки природою матеріалу, але також частотою електромагнітної хвилі: чим вона більше, тим більше n. Ця залежність у фізиці відома під назвою “дисперсія”. Блакитне небо – яскравий приклад явища дисперсії сонячного світла.
Показник заломлення скла і його вимірювання
Скло – це твердий прозорий матеріал, що має аморфну структуру. Промислове виробництво скла здійснюється у вигляді ряду сортів. Кожен з них має свій показник заломлення, який коливається від 1,5 до 1,9.
Визначення цієї величини для скла легко здійснити в лабораторних умовах. Для цього необхідно мати лампу, що збирає оптичне скло, набір діафрагм, диск з діленнями до часток градуса і зразок досліджуваного скла у формі напівциліндра.
Експеримент виконується у наступній послідовності:
- Лампа встановлюється у фокусі збиральної лінзи. Потім її включають і за допомогою діафрагм домагаються вузького світлового пучка.
- Диск з поділками розташовують горизонтально за лінзою так, щоб промінь світла проходив над його поверхнею через центр.
- Кладуть скляний полуцилиндр на диск таким чином, щоб його бічна поверхня плоска збігалася з діаметром диска.
- Повертають диск на різні кути і вимірюють кути падіння і заломлення променя.
- Обробляють виміряні результати, використовуючи формулу Снелла, і вважаючи, що показник заломлення світла в повітрі дорівнює одиниці.
Нижче на малюнку наведено два різних випадки положення напівциліндра на диску відносно падаючого променя.
Лівий малюнок відповідає переломленню “повітря-скло”, правий – “скло-повітря”. Варто відзначити, що при перетині кордону двох середовищ через циліндричну поверхню заломлення не відбувається, оскільки промінь світла падає перпендикулярно на неї (вздовж радіуса).
Вимірювання показника заломлення скла за допомогою лазера
Цей експеримент провести складніше, ніж попередній. Для нього необхідно використовувати лазер з певною довжиною хвилі, маленький отвір, через який буде проходити лазерний промінь, скляну пластинку і екран. Оскільки діапазон довжин хвиль, випромінюваних лазером, не великий, то явище дисперсії не впливає на результати вимірювань. У цьому полягає перевага цього методу в порівнянні з попереднім.
Принцип дії лазерного методу полягає в явища дифракції, повного внутрішнього відбиття світла від межі пластинки і інтерференції хвиль на екрані. З аналізу дифракційної картини можна обчислити показник заломлення скла.
Оскільки товщина напівциліндра в попередньому методі вимірювання є невеликий, то дисперсією світла в ньому можна знехтувати. Це означає, що справедливий наступний висновок: вимірювання показника заломлення скла краще проводити за допомогою більш простого способу з лампою білого світла, ніж з використанням лазера.
