Геометрическая оптика

Основные законы геометрической оптики были известны за­долго до установления природы света. Распространение света рассматривается на основе представления о световых лучах, под которыми понимаются нормальные к волновым поверхностям ли­нии, вдоль которых переносится поток энергии. Законы геоме­трической оптики выполняются, если размеры объектов, с ко­торыми взаимодействует свет, намного больше длины световых волн.

Закон прямолинейного распространения света. Свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно.

Если свет падает на плоскую границу, раздела двух одно­родных сред, то падающий луч 1 разделяется на отраженный луч 2 и преломленный луч 3 (рис. 1). Углы, которые лучи 1, 2, 3 обра­зуют с нормалью к границе раздела, называются соответственно углами падения а, отражения β и преломления ζ.

Абсолютный показатель преломления среды п показывает, во сколько раз скорость света в данной среде меньше скорости

света в вакууме, и характеризует оптическую плотность среды

Относительный показатель преломления второй среды относи­тельно первой равен

Закон отражения света. Падающий и отраженный лучи ле­жат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к гра­нице раздела сред в точке падения; угол падения равен углу отра­жения:

Закон преломления света. Падающий и преломленный луни лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела сред, проведенным в точке падения; отношение синуса угла па­дения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред:

Если свет проходит из среды с большим показателем преломле­ния n₁ (оптически более плотной) в среду с меньшим показате­лем преломления n₂ (оптически менее плотную) (n₁ > n₂), то, со­гласно формуле (4), угол падения а меньше угла преломления τ. Поэтому при некотором угле падения а = А угол преломления

окажется равным 90°, т.е. преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела сред (рис. 2).

Угол А называют предельным углом падения. При а > А свет полностью отражается в первую среду. Это явление называется полным внутренним отражением света. Согласно формуле (4) τ = 90˚

Явление полного внутреннего отражения используется в приз­мах, рефрактометрах, световодах.

Дисперсия света

Значение показателя преломления света определяется в ос­новном свойствами среды, однако оно зависит еще от длины вол­ны излучения, так как световые волны различной длины распро­страняются в данной среде с различной скоростью.

Зависимость показателя преломления среды от длины волны света называется дисперсией. Благодаря дисперсии луч белого света, проходя через стеклянную призму, оказывается разложен­ным в спектр (рис. 3а).

В случае нормальной дисперсии показатель преломления п возрастает с уменьшением длины волны λ. Так как стекло обла­дает нормальной дисперсией, то угол отклонения для фиолетово­го луча (ф) больше, чем для красного (к) (λф < λ_к). Явление дис­персии используется в призменных спектрографах для получения спектров и проведения спектрального анализа состава вещества. Величина D = dn/dλ, называемая дисперсией вещества, для слу­чая нормальной дисперсии отрицательна. Монтоннное убывание

показателя преломления с ростом длины волны наблюдается для веществ, прозрачных в данном диапазоне длин волн (рис. 36).

Если рассматривать зависимость п(λ) (кривую дисперсии) вблизи линий или полос поглощения излучения, то наблюдается явление аномальной дисперсии, когда дисперсия вещества D по­ложительна и показатель преломления возрастает с увеличением длины волны (рис. 3в).