Преломление света.

Преломлением или рефракцией света называется изменение направления световых лучей при переходе через границу раздела двух сред с различными показателями преломления.

Абсолютным показателем преломления среды называется отношение скорости света в вакууме (с) к скорости света в данной среде (v). .

Относительным показателем преломления 2-й среды относительно 1-й называется величина, равная отношению абсолютных показателей преломления.

или

где V₁ и V₂ - скорости света в 1-й и 2-й среде.

Угол между перпендикуляром к границе двух сред и падающим лучом называется углом падения (i), а между перпендикуляром и преломленным лучом – углом преломления (r) (рис.8).

Преломление (рефракция) подчиняется закону преломления:

Рис.8 а)Преломление, б) Предельный угол, в) Отражение

Если луч переходит из среды с меньшим показателем преломления (n₁) в среду с большим показателем преломления (n₂), то углу падения i = 90° соответствует угол преломления r_пр , называемый предельным углом преломления (рис.8) . Для данных двух сред угол преломления не может превышать предельного угла.

Если луч переходит из среды с большим показателем преломления (n₂) в среду с меньшим показателем преломления (n₁), то при угле падения i_np, равном величине предельного угла преломления для этих двух сред, преломленный луч пойдет вдоль границы раздела этих сред, т.е. при i_пр угол преломления r = 90°.

Угол i_пр называется предельным углом полного внутреннего отражения, т.е. это угол падения, которому соответствует угол преломления 90°. Его величина определяется из условия: .

При i > i_np луч полностью отразится от границы раздела сред. Это явление называется полным внутренним отражением.

Таким образом, полное внутреннее отражение света от границы раздела двух сред будет иметь место при переходе света из среды оптически более плотной, в среду оптически менее плотную, для лучей, падающих под углами больше предельного.

Приборы для определения показателя преломления света в веществе называются рефрактометрами. В медицине и биологии рефрактометры применяются для определения концентрации веществ в растворе.

Оптическая схема рефрактометра показана на рис.9.

Основной оптический узел рефрактометра составляют 2 призмы: осветительная (P₁) и измерительная (Р₂). Между призмами Р₁ и P₂ в виде тонкого слоя помещают исследуемую жидкость.

Показатель преломления исследуемой жидкости (n₁) должен быть меньше показателя преломления измерительной призмы (n₂). Нижняя поверхность осветительной призмы сделана матовой, т.к. матовая поверхность служит источником рассеянного света. Свет от лампочки (или зеркальца) направляется на боковую грань осветительной призмы, проходит через неё и рассеивается на матовой поверхности.

Рис.9 Оптическая схема рефрактометра

Затем рассеянный свет, пройдя через слой исследуемой жидкости (n₁), попадает на поверхность измерительной призмы (n₂) под различными углами падения от 0 до 90°.

Граница раздела между исследуемой жидкостью и стеклом измерительной призмы является определяющей в работе прибора. Рассеянный свет переходит через эту границу из среды, оптически менее плотной (n₁), в среду, оптически более плотную (n₂). Поэтому наибольший угол преломления всех падающих лучей рассеянного света не будет превышать предельного угла (r_пр). Поэтому световой пучок преломленных лучей будет находиться в измерительной призме в диапазоне углов от 0 до r_np. В диапазоне же углов от r_np до 90° света не будет, так как крайнему падающему лучу (i = 90°) соответствует предельный угол преломления.

После преломления на второй грани призмы Р₂ пучок световых лучей обозначит в поле зрения наблюдателя (окуляре R) светлую область. Другая часть поля зрения будет неосвещенной (тёмная область). Граница раздела между светлой и тёмной областью (граница светотени) будет соответствовать предельному углу. Положение границы светотени на шкале прибора и дает требуемый отсчёт шкалы в единицах абсолютного показателя прелом­ления.