أساسيات الانكسار

يستخدم قياس معامل الانكسار لتحديد خصائص العينات السائلة والصلبة. على سبيل المثال ، يتم قياس تركيز المحاليل باستخدام معامل الانكسار. يوفر تحديد هذا المعامل إمكانية التحكم في جودة المخاليط متعددة المكونات وفحص العينات من حيث النقاء. توفر لك هذه المقالة نظرة عامة على الموضوع.

ما هو معامل الانكسار؟

أي مادة تتفاعل مع الضوء لها معامل انكسار (رمز RI n). هذه المعلمة ثابتة وعديمة الأبعاد وتصف كيفية انتقال سرعة الضوء عبر وسيط معين مقارنة بسرعة الضوء عبر وسيط مرجعي (عادةً فراغ أو هواء). كلما انخفضت الكثافة الضوئية للبيئة ، زادت سرعة الضوء داخل البيئة وانخفاض معامل الانكسار.

أمثلة على سرعة الضوء في بيئات مختلفة

تعتمد هذه المعلمة في مادة ما على الطول الموجي λ للضوء ودرجة حرارة T للمادة. إذا لم يتم قياسه في ظروف قياسية ؛ يتم تحديد الطول الموجي ودرجة الحرارة بالرجوع إلى هذا المعامل. الطول الموجي القياسي لقياس الانكسار هو 589 نانومتر. في هذه الحالة ، غالبًا ما تتم كتابة معامل الانكسار (n) على أنه nD. تم استخدام عدة مقاييس لهذه المعلمة. توضح نسبة سرعة الضوء في الفراغ إلى نسبة سرعة الضوء في الوسط معامل الانكسار المطلق للوسط. الطريقة الأكثر شيوعًا في قياس الانكسار هي استخدام معامل الانكسار مقارنة بالهواء. نظرًا لأن معامل الانكسار المطلق للبيئة المرغوبة وكذلك معامل الانكسار للهواء يعتمد على درجة الحرارة ، فمن الضروري تحديد التفاصيل.

المتغيرات الشائعة في مفهوم معامل الانكسار

• نسبة معامل الانكسار للوسط المعتمد على درجة الحرارة إلى الهواء القياسي (الهواء القياسي ؛ درجة حرارته 20 درجة مئوية ، 1013 هيكتوباسكال و 50٪ رطوبة نسبية)
• تعتمد نسبة معامل الانكسار على درجة الحرارة المحيطة على نسبة الهواء (درجة حرارة الهواء ودرجة الحرارة المحيطة هي نفسها)

كيف تكتشف الزاوية الحرجة

أسهل طريقة لفهم هذه الظاهرة هي تصور الوضع الفعلي والملاحظ للأسماك تحت الماء. إن انكسار الضوء الذي يخرج من الماء ويصل إلى الهواء يجعلنا نرى موقع السمكة أقرب مما هو عليه!

الشكل 1) انكسار الضوء المنعكس من الأسماك (من الشمس) يجعلنا نرى موضع السمكة أقرب مما هو عليه في الواقع.

الشكل 2) كلما زاد الاختلاف في مؤشرات الانكسار ، زاد التغيير في الاتجاه.

الشكل 3: انكسار الضوء من الأسماك ، في أوضاع مختلفة.

في الأسماك البيجية: جزء من الضوء ينكسر في الهواء وجزء آخر ينعكس مرة أخرى في الماء.

في الأسماك الحمراء: ينكسر الضوء تمامًا عند السطح الحدودي ولا يدخل الهواء.

وفي السمكة الزرقاء: لا تنكسر أشعة الضوء في الهواء ؛ تنعكس جميع أشعة الضوء في الماء (انعكاس كلي).

الشكل 4: الانعكاس الكلي

الشكل 5: استخدام مثال سمكة في مقياس إنكسار:

ضع في اعتبارك المنشور (n1) بدلاً من البحيرة والعينة (n2) بدلاً من الهواء.

لو أسنال

الشكل 6: وفقًا لزاويتها ، تنعكس أشعة الضوء الواردة تمامًا (الأهمية الحرجة α> α) أو ينكسر جزء منها وينعكس جزء آخر (الحرجية α <α).

في هذا الرسم البياني ، يصطدم الشعاع A بسطح الوسط 1 (معامل الانكسار = n1) والوسيط 2 (معامل الانكسار = n2 و n2> n1) بزاوية. يؤدي هذا الاصطدام إلى انعكاس جزئي (شعاع ´A) وانكسار جزئي (شعاع A بزاوية β1) عند السطح الحدودي.

عند زاوية إشعاع محددة α2 ، ينعكس جزء من حزمة الضوء وينكسر الجزء الآخر تمامًا على طول واجهة الوسيطتين. يسمى هذا النوع من الانعكاس الكلي والزاوية المرغوبة أيضًا الزاوية الحرجة للانعكاس الكلي.

عندما يضرب شعاع الضوء بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة α ، ينعكس شعاع الضوء تمامًا (الشعاع ´C).

يتم تطبيق قانون سنيل لتحديد RI للبيئة 1. ينص هذا القانون على أن نسبة RIs تساوي النسبة العكسية لجيب الزاويتين α1 و 1.

إذا كانت الزاوية الحرجة α2 = α ، فإن الزاوية α1 = β1 = 90 °. من خلال استبدال هذه القيم في قانون سنيل ، يتم الحصول على الصيغة التالية:

عن طريق قياس RI للوسيط 2 وزاوية الانعكاس الكلي لـ RI ، يتم الحصول على α للوسط 2.

ستستمر هذه المقالة الأسبوع المقبل ، مع موضوع العوامل التي تؤثر على معامل الانكسار . شكرا لاهتمامكم حتى الآن في هذا البرنامج التعليمي …

بالإضافة إلى ذلك ، إذا كانت لديك أي أسئلة أو شكوك حول المقالة الأخيرة ، فيمكنك طرحها أسفل هذه المقالة. زملائنا سوف يجيبون على جميع أسئلتك بصبر وفخر.

العوامل المؤثرة على معامل الانكسار

اعتماد معامل الانكسار على الطول الموجي

في جميع الحالات تقريبًا ، يختلف معامل الانكسار لأطوال موجية مختلفة. لأن كل مادة لها نمط معين. هذه العملية تسمى علاقة التشتت.

يوضح الشكل 8 معدل الامتصاص (المنحنى الأزرق) وعلاقة التشتت (المنحنى الأحمر) للماء في نطاق من الأطوال الموجية المختلفة. يتم تقليل معامل الانكسار في منطقة الطيف المرئي مقارنة بطيف الأشعة تحت الحمراء الأولي ؛ بينما لا يوجد امتصاص تقريبًا في هذا النطاق.

الشكل 8: منحنى تشتت المياه

لتحديد معامل الانكسار للعينة بدقة ، قم بقياس دقة الطول الموجي المحدد باستخدام مرشح التداخل ؛ على الرغم من أن معظم قياسات الانكسار يتم إجراؤها عند الطول الموجي البالغ 589 نانومتر (أو 589.3 نانومتر) ، وهو ما يتوافق مع الطول الموجي لصوديوم الخط D. في بعض العمليات ، هناك حاجة أيضًا إلى أطوال موجية أخرى.

تعود الخلفية التاريخية لاستخدام الطول الموجي القياسي 589 نانومتر إلى استخدام مصابيح الصوديوم. كانت هذه المصابيح متاحة على نطاق واسع كمصدر إضاءة موثوق به وبأسعار معقولة. يشير العنوان “D-line” إلى رمز الخط الطيفي للصوديوم ، والذي اقترحه الفيزيائي الألماني جوزيف فون فراونهوفر ، الذي اكتشف ورسم أكثر من 570 خطًا طيفيًا.

اعتماد معامل الانكسار على درجة الحرارة

درجة الحرارة هي عامل آخر يؤثر بشكل أساسي على معامل الانكسار. لذلك ، يجب التحكم فيه وقياسه بعناية في جميع المراحل. غالبًا ما تستخدم الأدوات التقليدية للتحكم في درجة الحرارة حمامًا مائيًا ؛ بينما تحتوي الأدوات الحديثة على خيار التحكم الدقيق في درجة حرارة بلتيير. بمساعدة مستشعرات التحكم في درجة الحرارة ، تسجل هذه الأجهزة درجة حرارة العينة والمنشور بدقة عالية.

الشكل 9: يُحسب معامل الانكسار (589.3 نانومتر =) للماء عند درجة حرارة T مقارنة بالفراغ وفقًا لقانون تيلتون وتايلور (1938).