Visita Encydia-Wikilingue.com

Показатель преломления

показатель преломления - Wikilingue - Encydia

Ошибка, создающая уменьшенное изображение:
Преломление света в интерфейсе между двумя СМИ.

Показатель преломления или индекс преломления - отношение скорости света в вакууме относительно той скорости через данную среду (это количество не обращается к углу преломления, которое может быть получено из показателя преломления, используя Закон Поводка). [отметьте 1] Другими словами, поскольку свет проходит от одной среды до другого как от воздуха до воды, результат - изгиб световых лучей под углом. Эта физическая собственность происходит, потому что есть изменение в скорости света, идущего от одной среды в другого. Показатель преломления также описывает количество, что свет согнут, поскольку это проходит через единственное вещество. Это вовлекает вычисление угла, в который свет входит в среду и сравнение этого с углом, под которым свет оставляет среду. [1] [2] [3]

Другое представление показатели каждое вещество с его собственным показателем преломления. Это - то, потому что скорость света через вещество сравнена как отношение со скоростью света в вакууме. Скорость, в которых легких путешествиях в вакууме физическая константа, и самая быстрая скорость, на которой могут поехать энергия или информация. Однако, свет едет медленнее через любой данный материал, или среду, которая не является вакуумом. Это - фактически задержка от того, когда свет входит в материал в то, когда это уезжает; то есть, когда некоторые поглощены, и другая переданная часть (См.: свет в среде). [1] [3] [4] [5]

Упрощенное, математическое описание показателя преломления следующие:

RI = скорость света в вакууме / скорость света в среде

Следовательно, RI воды 1.33, означая, что свет едет в 1.33 раза быстрее в вакууме, чем это делает в воде.

Показатель преломления - также иждивенец частоты. Другими словами, показатель преломления изменится согласно частоте излученного света. Это приводит к немного отличающемуся показателю преломления для каждого цвета. Измерения обычно проводятся, используя желтый свет источника натрия. Поэтому, процитированные ценности показателей преломления такой как 1.33 для воды, основаны на желтом свету в длине волны 589.3 миллимикронов. Одно заключительное примечание: температура также затрагивает показатель преломления, и процитированные ценности основаны на стандартной температуре. [1] [2] [3]

Содержание

Преломление в других СМИ

Преломление света - обычно наблюдаемое явление, но любой тип волны может преломить, когда это взаимодействует со средой, например когда звуковые волны проходят от одной среды в другого или когда водные волны перемещаются в воду различной глубины.

С водой в озере или океане изменение в глубине воды - причина преломления такой как, например, в береговой линии. Преломление может быть определено как процесс, которым направление волны изменено, перемещаясь в мелководье под углом к естественным географическим горным хребтам и скалистому outcroppings береговой линии. На мелководье гребень волны продвигается более медленно чем более глубокие части водной волны, заставляя гребень волны согнуться к выравниванию с подводными контурами. [6] [7]

Также прибрежные зоны могут вызвать явление, известное как прибрежное преломление с электромагнитными волнами. Это - изменение руководства путешествия радио-измельченной волны, поскольку это проходит от земли до моря или от моря, чтобы приземлиться. Также названный эффектом земли или эффектом береговой линии. [8]

Определения

Показатель преломления, n, среды определен как отношение скорости, c, явления волны, такого как свет или звук в справочной среде к скорости фазы, vp, волны в рассматриваемой среде:

Подведенный, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый;

пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): n = \frac {c} {v _ {\mathrm {p}}}.

Это обычно используется в контексте света с вакуумом как справочная среда, хотя исторически другие справочные издания (например, воздух в стандартизированном давлении и температуре) были распространены. Этому обычно дают символ n. В случае света это равняется

Подведенный, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый;

пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): n =\sqrt {\epsilon_r\mu_r},


где εr - относительная диэлектрическая постоянная материала, и μr - своя относительная проходимость. Для большинства материалов μr очень близко к 1 в оптических частотах, поэтому n приблизительно Подведен, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый; пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): \sqrt {\epsilon_r}. Вопреки широко распространенному неправильному представлению n может быть меньше чем 1, например для рентгена. [9] у Этого есть практические технические заявления, такие как эффективные зеркала для рентгена, основанного на полном внешнем отражении. Другой пример - то, что n электромагнитных волн в plasmas - меньше чем 1.

Скорость фазы определена как уровень, при котором размножаются гребни формы волны; то есть, уровень, в который перемещается фаза формы волны. Скорость группы - уровень, при котором размножается конверт формы волны; то есть, темп изменения амплитуды формы волны. Если форма волны не искажена значительно во время распространения, это - скорость группы, которая представляет уровень, при котором информация (и энергия) может быть передана волной (например, скорость в который пульс легких путешествий вниз оптоволокно).

Тесно связанное количество - refractivity, который в атмосферных заявлениях обозначен N и определен как N = 106 (n - 1). 106 факторов используются, потому что для воздуха, n отклоняет от единства самое большее несколько частей за тысячу.

Скорость света

Ошибка, создающая уменьшенное изображение:
Преломление света в интерфейсе между двумя СМИ различных преломляющих индексов, с n2> n1. Так как скорость фазы ниже во второй среде (v2 <v1), угол преломления θ2 является меньше чем угол падения θ1; то есть, луч в среде более высокого индекса ближе к нормальному.

Скорость всей электромагнитной радиации в вакууме - то же самое: приблизительно 3×108 метры / второй, и обозначен c. Поэтому, если v - скорость фазы радиации определенной частоты в определенном материале, показателем преломления дают

Подведенный, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый;

пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): n = \frac {c} {v}


или обратно пропорционально

Подведенный, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый;

пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): v = \frac {c} {n}.


Это число как правило больше чем один. Однако, в определенных частотах (например, около поглотительных резонансов, и для рентгена), n фактически будет меньшим чем один (см. также радиацию Черенкова). Это не противоречит теории относительности, которая считает, что никакой несущий информацию сигнал никогда не может размножаться быстрее чем c, потому что скорость фазы не то же самое как скорость группы или скорость сигнала.

Иногда, "показатель преломления скорости группы", обычно называемый индексом группы определен:

Подведенный, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый;

пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): n_g =\frac {c} {v_g}


где vg - скорость группы. Эта ценность не должна быть перепутана с n, который всегда определяется относительно скорости фазы. Индекс группы может быть написан с точки зрения зависимости длины волны показателя преломления как

Подведенный, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый;

пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): n_g = n - \lambda\frac {dn} {d\lambda},

где Подведено разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый; пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): \lambda

длина волны в вакууме.

В микромасштабе скорость фазы электромагнитной волны замедляют в материале, потому что электрическое поле создает волнение в обвинениях каждого атома (прежде всего электроны) пропорциональный диэлектрической постоянной среды. Обвинения будут, вообще, колебаться немного несовпадающие по фазе относительно ведущего электрического поля. Обвинения таким образом излучают свою собственную электромагнитную волну, которая является в той же самой частоте, но с задержкой фазы. Макроскопическая сумма всех таких вкладов в материале - волна с той же самой частотой, но более короткой длиной волны чем оригинал, приводя к замедлению скорости фазы волны. Большая часть радиации от колеблющихся материальных обвинений изменит поступающую волну, изменяя ее скорость. Однако, некоторая полезная энергия будет излучена в других направлениях (см. рассеивание).

Если в данном регионе ценности преломляющих индексов n или нанограмма, как находят, отличаются от единства (ли гомогенно, или изотропическим образом, или не), то эта область отлична от вакуума в вышеупомянутом смысле для того, чтобы испытать недостаток в симметрии Poincaré.

Отрицательный показатель преломления

Недавнее исследование также продемонстрировало существование отрицательного показателя преломления, который может произойти если реальные части обоих permitivity, Неудавшийся, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый; пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): эффективность \epsilon и проходимость, Неудавшаяся, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый; пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): у эффективности \mu есть одновременные отрицательные величины, хотя таково необходимое, но не достаточный [разъяснение, необходимое] условие. Это может быть достигнуто с периодически построившими отрицательными метаматериалами индекса. Получающийся отрицательный показатель преломления (то есть аннулирование закона Поводка) предлагает возможность суперлинзы и других экзотических явлений. [10] [11]

Дисперсия и поглощение

Изменение показателя преломления с длиной волны для различных очков.

В реальных материалах поляризация мгновенно не отвечает на прикладную область. Это вызывает диэлектрическую потерю, которая может быть выражена диэлектрической постоянной, которая является и комплексом и иждивенцем частоты. Реальные материалы не прекрасные изоляторы также, то есть у них есть постоянный ток отличный от нуля постоянный токпроводимость. Принимая оба аспекта во внимание, сложный индекс преломления может быть определен:

Подведенный, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый;

пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): \tilde {n} =n+i\kappa.


Здесь, n - показатель преломления, указывающий на скорость фазы, в то время как κ называют коэффициентом исчезновения, который указывает на количество поглотительной потери, когда электромагнитная волна размножается через материал. (См. Математические описания opacity.) И n и κ зависят от частоты (длина волны). Отметьте, что признак сложной части - вопрос соглашения, которое важно из-за возможного беспорядка между потерей и выгодой. Примечание выше, который обычно используется физиками, соответствует волнам с развитием времени, данным Неудавшимся, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый; пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): e ^ {-i\omega t}.

Эффект, что n меняется в зависимости от частоты (кроме в вакууме, где все путешествие частот на той же самой скорости, c) известен как дисперсия, и это - то, что заставляет призму делить белый свет на свои составляющие спектральные цвета, объясняют радуги, и являются причиной хроматической аберрации в линзах. В областях спектра, где материал не поглощает, реальная часть показателя преломления имеет тенденцию увеличиваться с частотой. Около поглотительных пиков кривая показателя преломления - сложная форма, данная отношениями Kramers–Kronig, и может уменьшиться с частотой.

Так как показатель преломления материала меняется в зависимости от частоты (и таким образом длина волны) света, обычно определить соответствующую вакуумную длину волны, в которой измерен показатель преломления. Как правило, это сделано в различных четких спектральных линиях эмиссии; например, без обозначения даты показатель преломления в Fraunhofer "D" линия, центр желтого натрия двойная эмиссия в длине волны на 589.29 нм.

Уравнение Sellmeier - эмпирическая формула, которая работает хорошо в описании дисперсии, и коэффициенты Sellmeier часто указываются вместо показателя преломления в столах. Для некоторых представительных преломляющих индексов в различных длинах волны, см. список индексов преломления.

Как показано выше, диэлектрическая потеря и проводимость DC отличная от нуля в материалах вызывают поглощение. У хороших диэлектрических материалов, таких как стакан есть чрезвычайно низко проводимость DC, и в низких частотах диэлектрическая потеря также незначительна, приводя к почти никакому поглощению (κ ≈ 0). Однако, в более высоких частотах (таких как видимый свет), диэлектрическая потеря может увеличить поглощение значительно, уменьшая прозрачность материала до этих частот.

Реальные и воображаемые части сложного показателя преломления связаны посредством использования отношений Kramers–Kronig. Например, можно определить полный сложный показатель преломления материала как функцию длины волны от спектра поглощения материала.

Отношение к диэлектрической константе

Диэлектрическая константа (который часто зависит от длины волны) является просто квадратом (сложного) показателя преломления в антимагнитной среде (один с относительной проходимостью единства). Показатель преломления используется для оптики в уравнениях Френели и законе Поводка; в то время как диэлектрическая константа используется в уравнениях Максвелла и электронике.

Где Подведено разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый; пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): \tilde\epsilon, Неудавшийся, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый; пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): \\epsilon_1, Неудавшийся, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый; пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): \\epsilon_2, Неудавшийся, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый; пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): n, и Неудавшийся, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый; пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): \\kappa

функции длины волны:
Подведенный, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый;

пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): \tilde\epsilon =\epsilon_1+i\epsilon_2 = (n+i\kappa) ^2.


Преобразование между показателем преломления и диэлектрической константой сделано:

Подведенный, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый;

пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): \\epsilon_1 = n^2 - \kappa^2


Подведенный, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый;

пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): \\epsilon_2 = 2n\kappa


Подведенный, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый;

пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): \n = \sqrt {\frac {\sqrt {\epsilon_1^2 +\epsilon_2^2} + \epsilon_1} {2}}


Подведенный, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый;

пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): \kappa = \sqrt {\frac {\sqrt {\epsilon_1^2 + \epsilon_2^2} - \epsilon_1} {2}}. [12]

Анизотропия

Кристалл кальцита положен на бумагу с некоторыми письмами, показывая двупреломление

Показатель преломления определенных СМИ может отличаться в зависимости от поляризации и руководства распространения света через среду. Это известно как двупреломление или анизотропия и описано областью кристаллической оптики. В наиболее общем случае диэлектрическая константа - разряд 2 тензора (3 3 матрицами), который не может просто быть описан преломляющими индексами за исключением поляризации вдоль основных топоров.

В магнитооптических (магнитных гироскопом) и оптически активных материалах основные топоры сложны (соответствие краткой поляризации), и диэлектрический тензор сложен-Hermitian (для СМИ без потерь); такая симметрия аннулирования перерыва материалов и используется например, чтобы построить Фарадеевские изоляторы.

В прозрачном карбонате кальция (кальцит) двоякопреломляющая (одноосная) оптика зависит от направленных различий в структуре. Индекс преломления также зависит от состава, и может быть вычислен, используя отношение Долины кожаного саквояжа.

Нелинейность

Сильное электрическое поле света высокой интенсивности (такого как продукция лазера) может заставить показатель преломления среды изменяться, поскольку свет проходит через это, давая начало нелинейной оптике. Если индекс изменяется квадратным образом с областью (линейно с интенсивностью), это называют оптическим эффектом Керра и вызывает явления, такие как модуляция самофазы и самососредоточение. Если индекс изменяется линейно с областью (который только возможен в материалах, которые не обладают симметрией инверсии), это известно как эффект Pockels.

Неоднородность

Линза индекса градиента с параболическим изменением показателя преломления (n) с радиальным расстоянием (x). Линза сосредотачивает свет таким же образом как обычную линзу.

Если показатель преломления среды не является постоянным, но постепенно изменяется с положением, материал известен как среда индекса градиента и описан оптикой индекса градиента. Свет, едущий через такую среду, может быть согнут или сосредоточен, и этот эффект может эксплуатироваться, чтобы произвести линзы, немного оптоволокна и другие устройства. Некоторые общие миражи вызваны пространственно переменным показателем преломления воздуха.

Отношение к плотности

Отношение между показателем преломления и плотностью силиката и боросиликатных стекол. [13]

Вообще, показатель преломления стакана увеличивается с его плотностью. Однако, там не существует полное линейное отношение между показателем преломления и плотностью для всего силиката и боросиликатных стекол. Относительно высокий показатель преломления и низкая плотность могут быть получены с очками, содержащими легкие металлические окиси, такие как Li2O и MgO, в то время как противоположная тенденция наблюдается с очками, содержащими PbO и BaO как замечено в диаграмме в праве.

Противоречие Абрахама-Минковского

В 1908, Герман Минковский вычислил импульс преломляемого луча, p, где E - энергия фотона, c - скорость света в вакууме, и n - показатель преломления среды следующим образом: [14]

Подведенный, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый;

пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): p =\frac {nE} {c}.

В 1909, Макс Абрахам предложил следующую формулу для этого вычисления: [15]

Подведенный, чтобы разобрать (Отсутствующий texvc выполнимый;

пожалуйста, см. math/README, чтобы формировать.): p =\frac {E} {nc}.

Исследование 2010 года предположило, что оба уравнения правильны, с версией Абрахама, являющейся кинетическим импульсом и версией Минковского, являющейся каноническим импульсом, и утверждает, что объяснил результаты эксперимента противоречия, используя эту интерпретацию. [16]

Заявления

Фронты импульса из точечного источника в контексте закона Поводка. У области ниже серой линии есть более высокий индекс преломления, и таким образом, у света, едущего через это, есть пропорционально более низкая скорость фазы чем в регионе выше этого.

Показатель преломления материала - самая важная собственность любой оптической системы, которая использует преломление. Это используется, чтобы вычислить сосредотачивающуюся власть линз, и дисперсионную власть призм.

Так как показатель преломления - фундаментальная физическая собственность вещества, он часто используется, чтобы идентифицировать особое вещество, подтвердить его чистоту, или измерить его концентрацию. Показатель преломления используется, чтобы измерить твердые частицы (очки и драгоценные камни), жидкости, и газы. Обычно это используется, чтобы измерить концентрацию раствора в водный решение. Рефрактометр - инструмент, используемый, чтобы измерить показатель преломления. Для раствора сахара показатель преломления может использоваться, чтобы определить сахарное содержание (см. Brix).

В GPS индекс преломления используется в рассмотрении луча, чтобы составлять радио-задержку распространения из-за электрически нейтральной атмосферы Земли.

См. также

Примечания

  1. ^ Среда, также известная как среда передачи, является материальным веществом (тело, жидкость или газ), который может размножить энергетическое сверхрасстояние волн. Например, коаксиальный кабель - тип среды. Вода и стакан - также СМИ, которые позволяют свету вступать, проходить, и выход.

Ссылки

  1. ^ b c Звонок, Сюзанна (2008). EFSRE0515&SingleRecord=True "показатель преломления (RI)" (Энциклопедия). Энциклопедия Судебной медицины, Исправленного издания. Нью-Йорк: Факты На File, Inc., Наука Онлайн.. http://www.fofweb.com/activelink2.asp?ItemID=WE40&SID=5&iPin= EFSRE0515&SingleRecord=True. Восстановленный 03.05.2010.  
  2. ^ b Фогель, Марк С (2010). "Индекс Преломления". Grolier Онлайн. Энциклопедия Мультимедиа Grolier. http://gme.grolier.com/article?assetid=0146960-0. Восстановленный 3 мая 2010.  
  3. ^ b c "Индекс Преломления." Энциклопедия Американа. Grolier Онлайн http://ea.grolier.com/article?id=0213810-00 (получил доступ 2 мая 2010).
  4. ^ Международное бюро Весов и Мер (2006), Международная система Единиц (СИ) (8-ой редактор), p. 112, ISBN 92-822-2213-6, http://www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8_en.pdf  
  5. ^ Пенроз, R (2004). Путь к Действительности: полное руководство по Законам Вселенной. Старинные Книги. стр 410- 1. ISBN 9780679776314.  
  6. ^ "Преломление". ДОД Дикшнэри Военных терминов. Май 2010
  7. ^ "Shoaling, Преломление, и Дифракция Волн". Университет Делавэрского Центра Прикладного Прибрежного Исследования. http://www.coastal.udel.edu/ngs/waves.html. Восстановленный 23.07.2009.  
  8. ^ . "Прибрежное Преломление". Словарь Вооруженных сил и Связанные Сроки. Американское Министерство обороны. 2005.
  9. ^ Sansosti, Таня М. (март 2002). "Составьте Преломляющие Линзы для рентгена". Каменный университет Ручья. http://laser.physics.sunysb.edu/~tanya/report1/.  
  10. ^ Hecht, Джефф (2006-12-18). "Дебют красного света для экзотического 'метаматериала'". Новая Технология Ученого. Reed Business Information Ltd. http://www.newscientisttech.com/article/dn10816.html.  
  11. ^ "Скрывая Прорыв Устройства? Отрицательное Преломление Видимого Света, Продемонстрированного". ScienceDaily. ScienceDaily LLC. 23.03.2007. http://www.sciencedaily.com/releases/2007/03/070322132145.htm.  
  12. ^ Wooten, Фредерик (1972). Оптические Свойства Твердых частиц. Нью-Йорк: Академическое издание. p. 49. ISBN 0127634509.  
  13. ^ "Вычисление Показателя преломления Очков". Статистическое Вычисление и развитие Стеклянных Свойств. http://www.glassproperties.com/refractive_index/.  
  14. ^ Минковский, Герман (1908). "Дай Грундглеичунг für умирает elektromagnetischen Vorgänge в bewegten Körpern". Nachrichten von der Коммерческое предприятие der Wissenschaften zu Геттинген, Mathematisch-Physikalische Klasse: 53–111. http://www.digizeitschriften.de/resolveppn/GDZPPN00250152X.  
  15. ^ Абрахам, Макс (1909). [Ошибка выражения: Неожиданный <оператор, "Неизвестный"]. Рендиконти дель Чирколо matematico ди Палермо 28 (1).  
  16. ^ Барнетт, Стивен (2010-02-07). [Ошибка выражения: Неожиданный <оператор "Разрешение Абрахама-Минковского Дилеммы"]. Преподобный Физики Летт. 104: 070401. doi:10.1103/PhysRevLett.104.070401.  

Внешние ссылки