V.2 Заломлення світла

При неперпендикулярному падінні світла на границю розділу двох середовищ змінюється напрямок його розповсюдження (змінюється напрямок променів). Це явище називають заломленням світла. Воно має місце, якщо швидкості світла в середовищах не однакові. Зв’язок між кутамиαпадіння і кутамиγзаломлення променів на границі розділу двох середовищ та швидкостямиv₁іv₂в них дається законом заломлення. Нагадаємо, щокутпадінняα– це кут між падаючим променем і перпендикуляром до границі розділу середовищ в точці падіння променя, акут заломленняγ – кут між цим же перпендикуляром і заломленим променем (рис.V.1).

Рис. V.1

Закон заломлення формулюється так:

Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення дорівнює відношенню швидкості світла в першому середовищі до швидкості світла в другому середовищі і є величиною сталою, яку називають відносним показником заломлення n₂₁ середовища, куди переходить світло, відносно середовища, з якого воно падає на границю розділу:

. (V.1)

Середовище, в якому швидкість світла більша порівняно з іншим середовищем, називається оптично менш густим, а середовище, де вона менша, порівняно з іншим, –оптично більш густим.

Із формули (V.1) випливає, що при переході світла із оптично більш густого середовища в оптично менш густе, тобто колиv₂ > v₁, тоsin γ > sin αі кут заломленняγ більший кута падіння α(рис.V.2). Якщо в такому разі збільшувати кут падінняα, то буде збільшуватись і кут заломленняγ (відношення синусів цих кутів повинно залишатись сталим числомn₂₁) і при деякому куті падінняα, кут заломленняγстає рівним 90˚.

Кут падінняα = А, при якому кут заломленняγдорівнює 90˚, тобто коли заломлений промінь співпадає з границею розділу середовищ, називаєтьсяграничним кутом падіння світла.

Отже , при світло у друге середовище не переходить і це явище називаютьповним внутрішнім Рис.V.2

відбиванням світла.

При α = Аформула(V.1) набуває вигляду:

.

Враховуючи, що sin90˚ = 1 маємо:

. (V.2)

Визначаючи в експериментах значення А, за формулою (V.2) знаходять відносний показник заломленняn₂₁ другого середовища відносно першого. Якщо другим середовищем є розчин сухої речовини, то швидкістьv₂в ньому, а значить і показник заломленняn₂₁ залежить від концентрації розчину. Тому, визначаючи показник заломлення, отримують інформацію і про концентрацію розчину.

Для визначення показників заломлення і концентрації сухих речовин в розчинах використовують рефрактометри різної конструкції, в основі принципу дії яких лежить явище повного внутрішнього відбивання світла. Це явище використовується також у світловодах, що широко застосовуються у медицині, техніці та інших галузях.

V.3 Дисперсія світла

Числове значення швидкості світла в середовищі, а значить і показник заломлення, залежать як від речовини середовища, так і від довжини λ світлової хвилі.

Залежність показника заломлення середовища від довжини λ світлових хвиль називається дисперсією світла.

Якщо світловий промінь, що складається із світлових хвиль з різною довжиною λ (наприклад, біле світло), переходить із одного середовища в інше, то, внаслідок дисперсії, хвилі з різними значеннями λ після Рис.V.3

границі розділу середовищ

розповсюджуються в різних напрямках. Таким чином, складне випромінювання розкладається на спектр монохроматичних хвиль, кожна із яких у випадку видимого світла має певний колір. Це явище особливо чітко проявляється, коли біле світло пропускають через тригранну призму із прозорої речовини (наприклад, скляну)(рис. V.3).

За набором довжин монохроматичних хвиль (за видом спектра), що випромінюються тілом, та їх інтенсивністю отримують якісну та кількісну інформацію про хімічний склад тіла і міжмолекулярні взаємодії в ньому. Для цього використовують спектрометри і спектрографи, в основі принципу дії яких лежить явище дисперсії.