ŠVIESOS DISPERSIJA, ABSORBCIJA IR SKLAIDA

ŠVIESOS DISPERSIJA, ABSORBCIJA IR SKLAIDA

1. Šviesos spinduliø lûžimas. Šviesos spindulys, pereidamas dviejø skaidriø aplinkø, pvz., oro – vandens arba oro-stiklo ir kt., skiriantá paviršiø, pakeièia savo sklidimo kryptá. Sakome, kad jis lûžta. Šá reiškiná vadiname šviesos lûžimu, arba refrakcija. Šviesos spinduliai lûžta visada, kai jie pereina iš vienokiø optiniø savybiø aplinkos á aplinkà, pasižyminèià kitomis optinëmis savybëmis.

Šviesos lûžimo reiškiná ištyrus, ásitikinta, kad spinduliai lûžta visai dësningai. Pažymëkime spinduliø kritimo kampà i ( 1 pav.), o jø lûžimo kampà b. Tada šviesos spinduliø lûžimo dësná galësime taip nusakyti:

a)      kritæ ir lûžæ spinduliai bei statmuo, iškeltas iš spinduliø kritimo taško, yra vienoje plokštumoje;

b)      kritimo i ir lûžimo b kampø sinusø santykis nepriklauso nuo spinduliø kritimo kampo ir bet kurioms dviems aplinkoms yra pastovus ir yra lygus šviesos sklidimo faziniø greièiø v₁ ir v₂ pirmoje ir antroje aplinkoje santykiui, taigi

(

Dydá n₂₁ vadiname aplinkø santykiniu lûžio rodikliu. Kai šviesos sklidimo greitis v₁ pirmoje aplinkoje yra didesnis už jos sklidimo greitá v₂ antroje, tai šviesos spindulys lûžta, artëdamas prie statmens ( 1 pav., a), tada n₂₁>1, ir atvirkšèiai, kai v₁<v₂, n₂₁<1 ( 1 pav., b).

Jei pirmoji aplinka yra vakuumas (šviesos greitis jame c), tai santykis c/v =n vadinamas absoliutiniu antros aplinkos lûžio rodikliu. Jei žinomi dviejø aplinkø absoliutiniai lûžio rodikliai n₁ = c/v₁ ir n₂ = c/v₂, tai santykinis lûžio rodiklis

(

t.y. antrosios aplinkos santykinis lûžio rodiklis pirmosios atžvilgiu yra lygus absoliutiniø lûžio rodikliø santykiui.

Didesnio lûžio rodiklio medžiagos laikomos optiškai tankesnëmis medžiagomis. Jose šviesa sklinda lëèiau. Kalbëdami apie šviesos spinduliø sklidimà optiškai skirtingose aplinkose, palyginame ne jø nueitus geometrinius, bet optinius kelius. Šviesos nueito kelio ir aplinkos lûžio rodiklio n sandauga išreiškia optiná kelià.

2. Visiškas vidaus atspindys. Kai šviesos spindulys (1) pereina iš optiškai tankesnës á optiškai retesnæ aplinkà, jis lûžta, nutoldamas nuo statmens ( 2 pav.). Šiuo atveju kritimo kampas i yra mažesnis už lûžimo kampà b. Pirmosios aplinkos lûžio rodiklá pažymëkime n₁, antrosios n₂, n₁>n₂. Tada

(

Didinant kritimo kampà i, didës ir lûžimo kampas b. Esant tam tikram kritimo kampui i_r, lûžimo kampas bus lygus . Tada lûžæs spindulys 2 šliaužia abiejø aplinkø skiriamuoju paviršiumi. Šiuo atveju

sinb ir (4.4)

Kritimo kampas i_r, kurá atitinka lûžimo kampas , vadinamas ribiniu kampu.

Padidinus kritimo kampà i, kad ir be galo mažai, spindulys 3 turëtø sklisti jau pirmojoje aplinkoje. Tada jis jau atsispindi nuo skiriamojo paviršiaus. Šá reiškiná vadiname visišku vidaus atspindžiu

3. Šviesos spinduliø eiga prizmëje. Monochromatinës šviesos spindulys, áeidamas á skaidrios medžiagos trikampæ prizmæ ABC ( 3 pav.), lûžta ir nukrypsta nuo pirminës krypties. Išeidamas iš prizmës, jis dar kartà lûžta ir dar daugiau nukrypsta. Pratæsæ spindulio pirminæ kryptá SM ir išëjus jam iš prizmës – PS iki susikirtimo taške D, gausime jo nuokrypio kampà u. Spinduliø nuokrypio kampas u priklauso nuo prizmës medžiagos optiniø savybiø ir nuo jos laužiamojo kampo ACB (g). Be to, bandymais nustatyta, kad jis priklauso ir nuo spinduliø kritimo á prizmæ kampo a . Didinant šá kampà, iš pradžiø nuokrypis mažëja, pasidaro mažiausias ir vëliau vël didëja. Tyrimas rodo, kad spindulys mažiausiai nukrypsta tada, kai jis prizmëje sklinda lygiagreèiai prizmës pagrindui AB.

Baltos šviesos spinduliai, sklisdami pro stiklinæ prizmæ, išsiskaido á spektrà, kurá sudaro skirtingø spalvø eilë – nuo tamsiai raudonos iki violetinës. Toká bespalvës, arba baltos šviesos išskaidymà vadiname šviesos dispersija. Jà gauname todël, kad skirtingo ilgio bangos lûžta nevienodai. Taigi lûžio rodiklis n priklauso nuo šviesos bangos ilgio l : n = f (l . Dispersijos matu laikoma absoliutinio lûžio rodiklio pirmoji išvestinë pagal bangos ilgá dn/dl, kuri nurodo lûžio rodiklio kitimo spartà.

Šviesos dispersija medžiagoje vadinama normaliàja, jei, didëjant bangos ilgiui, jos absoliutinis lûžio rodiklis mažëja ( 4 pav. – dispersijos kreivës dalys ab ir cd), ir ji vadinama anomaliàja, priešingu atveju ( 4 pav. – dispersijos kreivës dalis bc).

Normaliosios dispersijos atveju dn/dl<0, o anomaliosios – dn/dl>0. Anomalioji dispersija pastebima tose bangø ilgiø srityse kurios atitinka intensyvios šviesos absorbcijos medžiagoje juostas. Stiklui tokios juostos yra ultravioletinëje ir infraraudonojoje spektro dalyse. Grupinis šviesos greitis medžiagoje gali bûti ir didesnis, ir mažesnis už faziná greitá v, - tai priklauso nuo dispersijos pobûdžio. Kai dispersija normalioji, grupinis šviesos sklidimo greitis mažesnis už faziná (u < v). Kai dispersija anomalioji, grupinis šviesos sklidimo greitis didesnis už faziná (u > v).

4. Šviesos absorbcija. Šviesai sklindant pro medžiagà, jos intensyvumas mažëja. Šviesos elektromagnetinis laukas veikia elektronus, versdamas juos virpëti šviesos bangos dažniu, todël dalis šviesos energijos sunaudojama elektronø virpesiams sužadinti. Dalis šios sunaudotos energijos vël grážta atgal kaip elektronø išspinduliuotø elektromagnetiniø bangø energija, bet dalis jos dažniausiai pavirsta šilumine energija. Labai dažnai praëjusiø pro medžiagos sluoksnius spinduliø spalva, t.y. jø spektrinë sudëtis, nepakinta – šiuo atveju ávairiø ilgiø bangos absorbuojamos vienodai. Tokià absorbcijà vadiname paprastàja. Taèiau kartais kai kurios spalvos šviesa absorbuojama ypaè stipriai. Tuomet, praëjusios pro medžiagà baltos šviesos spindulys pasidaro spalvotas. Tokià šviesos absorbcijà vadiname selektyviàja.

Šviesos absorbcija priklauso nuo absorbuojamos šviesos bangos ilgio, todël, norëdami jà tiksliau nusakyti, turime tirti monochromatinës šviesos absorbcijà.

Šviesos absorbcijà medžiagose galime charakterizuoti trimis dydžiais:

a)      absorbcijos rodikliu a

b)      vidutiniu šviesos siekiamu toliu w a

c)      absorbcijos koeficientu (n

èia l yra šviesos bangos ilgis absorbento išorëje (vakuume), n – medžiagos lûžio rodiklis, ir – aplinkos dielektrinis jautris.

Šviesos absorbcijos dësnis išreiškiamas taip:

I = I₀ e^-ad (

èia I₀ – pradinis, I – perëjusios d storio medžiagos sluoksná šviesos intensyvumas. Jei medžiagos sluoksnio storá išreikšime metrais, tai a nusakys sluoksnio storá (m), kurá praëjus šviesai, jos intensyvumas sumažëja e kartø.

Matuojant absorbcijos rodiklá a, reikia atsižvelgti á tai, kad šviesa iš dalies atsispindi nuo paviršiaus. Kad nereikëtø matuoti atsispindëjusios šviesos, paprastai išmatuojama absorbcija, sklindant šviesai pro tos pat medžiagos storio d₁ ir d₂ sluoksnius. Tada

(

èia I₁ ir I₂ – atitinkamai šviesos, praëjusios pro sluoksnius d₁ ir d₂ intensyvumai.

Bendrà šviesos absorbcijos dësná eksperimentiškai ir teoriškai nustatë Bugeris. Jo fizikinë prasmë yra ta, kad absorbcijos rodiklis a nepriklauso nuo šviesos intensyvumo I ir medžiagos sluoksnio storio d.

Tas rodo, kad absorbuotoji šviesa sužadina tik labai mažà medžiagos molekuliø dalá ir kad sužadinto bûvio trukmë yra trumpa (apie 10^-8 s). Apskritai, absorbcijoje turi reikšmës ne medžiagos sluoksnio storis, bet šviesà absorbuojanèiø molekuliø skaièius. Taikydami šá dësningumà tirpalams, absorbcijos rodiklá a galime laikyti proporcingu absorbuojanèiø šviesà molekuliø koncentracijai c, taigi

a = Ac. (

Tada absorbcijos dësná galësime taip išreikšti:

. (

Ši lygtis išreiškia apibendrintà Bugerio ir Bero dësná. Beras teigë, kad dydis A nepriklauso nuo koncentracijos c ir yra bûdingas absorbuojanèios medžiagos molekulëms. Vadinasi, molekuliø absorbcijos pajëgumas nepriklauso nuo jø sàveikos. Bet matavimai parodë, kad, esant didelëms koncentracijoms, kada nuotolis tarp absorbuojanèiø šviesà molekuliø labai sumažëja, šis Bero teiginys nebepasitvirtina. Be to, dažnai A priklauso ir nuo tirpiklio, taigi tirpiklio molekulës turi átakos ištirpintøjø medžiagø absorbcijai.

Šviesos intensyvumà medžiagoje taip pat apibûdina ir šviesos pralaidumas T. Jis prilygsta pro medžiagà praëjusios ir á medžiagà kritusios šviesos intensyvumø santykiui:

. (

Dažnai šviesos pralaidumas išreiškiamas procentais:

. (

Medžiagos šviesos pralaidumas priklauso nuo jos sluoksnio storio ir šviesos bangø ilgio.

Šviesos pralaidumui atvirkštinio dydžio dešimtainá logaritmà vadiname optiniu tankiu (arba ekstinkcija) E:

(

5. Molekulinë šviesos sklaida. Kiekviena reali aplinka nëra vienalytë – joje gali bûti tankio, temperatûros ir kitokie nevienodumai, todël ávairiose aplinkos dalyse yra nevienodas lûžio rodiklis. Optiná nevienalytiškumà gali sukelti ir ávairios plûduriuojanèios dalelës, kurios turi skirtingà nuo aplinkos lûžio rodiklá ir absorbcijos rodiklá. Nevienalytës aplinkos, kuriose plûduriuoja ávairios mikroskopinës dalelës, vadinamos drumstomis aplinkomis. Sklindant šviesai drumsta aplinka, mikroskopinës dalelës išsklaido šviesà ávairiomis kryptimis. Šviesos sklaidà drumstose aplinkose pirmasis tyrinëjo Tindalis, todël šis reiškinys dažnai vadinamas Tindalio efektu.

Vëlesni tyrimai parodë, kad medžiagos, kuriose nëra jokiø mikroskopiniø daleliø, taip pat išsklaido šviesà. Buvo išaiškinta, kad šiuo atveju aplinkos nevienalytiškumà sukelia mikroskopinës tankio fliuktuacijos – dël chaotiško molekuliø šiluminio judëjimo savaime susidaro sritys, kuriose vienais momentais yra didesnis molekuliø skaièius, kitais – mažesnis, negu vidutinis. Fliuktuacijø dydis priklauso nuo šiluminio judëjimo intensyvumo, t.y. nuo temperatûros. Šviesos sklaida, kurià sukelia šiluminis aplinkos molekuliø judëjimas, vadinamas molekuline sklaida.

Reilëjus, teoriškai ištyræs šviesos išsklaidymo reiškiná, nustatë dësningumà: kol šviesà išsklaidanèiø daleliø linijiniai matmenys yra mažesni už sklaidomos šviesos bangos ilgá, tol išsklaidytos šviesos intensyvumas yra atvirkšèiai proporcingas šviesos bangos ilgio ketvirtajam laipsniui:

. (

Einšteinas árodë, kad šis Reilëjaus dësnis galioja ir molekulinei sklaidai. Taigi, trumpesniø bangø ilgiø šviesa yra išsklaidoma žymiai stipriau nei ilgesniø bangø: apytikriai violetiniai spinduliai išsklaidomi apie 16 kartø stipriau už raudonuosius. Atmosfera išsklaido Saulës šviesà. Dangaus žydras atspalvis matomas todël, kad daugiausia išsklaidomi mëlynieji ir violetiniai spinduliai. Saulës spinduliai, praeidami pro storà atmosferos sluoksná, dël išsklaidymo netenka mëlynøjø ir violetiniø spinduliø ir todël ágauna rausvai oranžiná atspalvá – tai mes matome Saulei tekant ir leidžiantis.

4.1. ŠVIESOS DISPERSIJOS PRIZMËJE TYRIMAS

Darbo užduotis. Nubrëžti dispersijos kreivæ ir apskaièiuoti šviesos dispersijà bei prizmës kampinæ dispersijà fiksuotam bangos ilgiui.

Išmoktini klausimai. Šviesos dispersija. Normalioji ir anomalioji dispersija. Elektroninë šviesos dispersijos teorija.

Teorinë dalis. Šviesos dispersija vadinama jos fazinio greièio priklausomybë nuo bangos ilgio arba dažnio. Kadangi šviesos fazinis greitis v=c/n, todël šviesos dispersijà taip pat nusako medžiagos lûžio rodiklio priklausomybë nuo bangos ilgio l (dažnio w). Dël dispersijos balta šviesa trikampëje prizmëje išsiskaido á spektrà ( pav.). Kreivë n = f(l) arba n= f(w) vadinama dispersijos kreive. Lûžio rodiklio n ir absorbcijos rodiklio a priklausomybë nuo bangos ilgio pavaizduota paveiksle. Kokybiškai šviesos dispersijà gerai paaiškina H.Lorenco sukurtoji elektroninë teorija. Ji pagrásta aukštojo dažnio elektromagnetinio lauko sàveikos su medžiagos optiniais elektronais aiškinimu. Pagal jà, jei atomas (molekulë) turi vienà optiná elektronà, tai vienalytës aplinkos lûžio rodiklio kvadratas

Èia n₀ - molekuliø koncentracija; e - elektrono krûvio absoliutinë reikšmë; m - jo masë; w - optinio elektrono savøjø virpesiø kampinis dažnis; w - šviesos bangos dažnis; e - elektrinë konstanta. Taèiau praktikoje, kai w << w (normalioji dispersija), aplinkos lûžio rodiklá dažniausiai išreiškia priklausomybë nuo šviesos bangos ilgio:

n² = 1 + A(1 + B/l

Kiekvienos medžiagos bûdinguosius dydžius A ir B galima nustatyti eksperimentiškai.

Kiekybiškai šviesos dispersija apibûdinama dydžiu D = dn/dl Dispersija vadinama normaliàja, jei, didëjant šviesos bangos ilgiui, aplinkos lûžio rodiklis mažëja, t.y. dn/dl < 0 pav., ab ir cd kreivës dalys). Šviesos dispersija vadinama anomaliàja, kai dn/dl > 0 (kreivës bc dalis).

Aparatûra ir darbo metodas. Šviesos dispersija tiriama stiklinëje prizmëje, naudojant GS-5 goniometrà. Šviesa, áeidama á prizmæ ir išeidama iš jos, lûžta prizmës pagrindo link ( pav.). Jei šviesa áeina á prizmæ ir iš jos išeina simetriškai, t.y. i₁=i₂, tada jos nuokrypio kampas u yra mažiausias. Prizmës medžiagos lûžio rodiklis n su prizmës laužiamuoju kampu g bei mažiausio nuokrypio kampu u yra susieti tokia priklausomybe:

(4

Taigi tiriamojoje medžiagoje šviesos dispersija

Atlikæ (4.15) ir (4.16) trigonometrinius pertvarkymus, gauname tokià prizmës kampinës dispersijos išraiškà:

(4

Šviesos mažiausio nuokrypio kampus prizmëje A ( pav.) matuojame goniometru. Já sudaro žiûronas Ž ir kolimatorius K, kurio læšio židinio plokštumoje yra plyšys P. Plyšá apšvieèia šviesos šaltinis S. Kolimatoriø perëjusi šviesa lûžta prizmëje ir po to patenka á žiûrono objektyvà. Dël šviesos dispersijos žiûrono objektyvo židinio plokštumoje gauname spalvotus plyšio atvaizdus, kuriø skaièius lygus šaltinio S spinduliuojamø skirtingo ilgio bangø skaièiui. Taip gautà linijiná spektrà stebime per žiûrono okuliarà (II žiûrono padëtis). Kai prizmës nëra, šviesa sklinda tiesiai ir per žiûronà matome balta šviesa apšviesto plyšio vaizdà (I žiûrono padëtis).

Darbo eiga. 1. Susipažinæ su GS-5 goniometro aprašymu, ájungiame já ir šviesos šaltiná á tinklà. Kolimatoriø ir žiûronà nustatæ vienoje tiesëje, pastarojo regëjimo lauke gauname siaurà, ryškø, baltà plyšio vaizdà. Já sutapdiname su vertikaliàja linija.

2. Išmokæ matuoti kampus, á ant goniometro staliuko organiniame stikle padarytà išpjovà ástatome tiriamàjà prizmæ. Žiûronà lëtai sukame á kairæ tol, kol pamatome geltonàjà spektro linijà. Jà sutapdiname su vertikaliàja žiûrono okuliaro linija. Sufokusavæ žiûronà, gauname ryškø šios linijos vaizdà. Sukinëdami goniometro staliukà su prizme ir stebëdami geltonàjà linijà pro žiûrono okuliarà, nustatome mažiausià šviesos nuokrypio kampà. Jis yra mažiausias tada, kai prizmës sukinëjimo metu okuliare slenkàs spektrinës linijos atvaizdas sustoja kraštinëje dešinëje padëtyje, o po to ima slinkti atgal. Patikslinæ jos fokusavimà ir sutapdinæ su vertikaliàja linija, mikroskopo skalëse atskaitome šios spektro linijos mažiausio nuokrypio kampà u

3. Analogiškai išmatuojame šviesiai žalios, žalios, mëlynos ir violetinës spektro linijø mažiausio nuokrypio kampus u u u ir u

4. Pagal (4 ) formulæ apskaièiuojame prizmës medžiagos lûžio rodiklius visoms išmatuotoms spektro linijoms. Nubrëžiame dispersijos kreivæ n = f(l) (bangø ilgiø vertës pateiktos 4.1 lentelëje).

4.1 lentelë

Iš tiriamos medžiagos dispersijos kreivës nustatome šviesos dispersijà

;

dëstytojo nurodytam bangos ilgiui. Tam tikslui per dispersijos kreivës taškà, atitinkantá nurodytà bangos l , brëžiame liestinæ ir nustatome Dl ir Dn vertes (4.9 pav.).

6. Apskaièiuojame prizmës kampinæ dispersijà.

Kontroliniai klausimai

1. Kas yra bangø dispersija?
2. Kada pasireiškia normalioji ir kada – anomalioji dispersija?
3. Šviesos dispersijos medžiagose elektroninës teorijos samprata.
4. Kà vadiname prizmës kampine dispersija?

Literatûra

1. Tamašauskas A., Vosylius J. Fizika. - Vilnius: Mokslas, 1989. - T.2. - P.173- 175.

2. Javorskis B., Detlafas A. Fizikos kursas. - Vilnius: Mintis, 1975. - T.3. - P. 148 - 158.

4.2. TIRPALØ LÛŽIO RODIKLIO PRIKLAUSOMYBËS NUO KONCENTRACIJOS TYRIMAS REFRAKTOMETRU

Darbo užduotis. Išmatuoti ávairiø koncentracijø tirpalø lûžio rodiklius ir nustatyti nežinomo tirpalo koncentracijà.

Išmoktini klausimai. Šviesos atspindžio ir lûžimo dësniai. Visiškas vidaus atspindys. Šviesos apgràžos principas. Šviesos dispersijos samprata.

Teorinë dalis. Šviesa, pereidama iš vienos aplinkos á kità, keièia sklidimo kryptá, t.y. lûžta. Pagal Reilëjaus dësná, šviesos kritimo ir lûžimo kampø (i ir b) sinusø santykis yra pastovus dydis. Jis lygus faziniø šviesos sklidimo greièiø tose aplinkose (v₁ ir v₂) santykiui ir vadinamas santykiniu antrosios aplinkos lûžio pirmosios aplinkos atžvilgiu rodikliu (n₂₁):

(4

Kai pirmoji aplinka yra vakuumas, v₁ = c = 3 10⁸m/s, tada

(4.19

vadinamas absoliutiniu aplinkos lûžio rodikliu. Kadangi šviesos sklidimo greièiai ore ir vakuume artimi, absoliutinis oro lûžio rodiklis praktiškai lygus vienetui. Naudodamiesi absoliutinio aplinkos lûžio rodiklio apibrëžimu, (4 ) lygtá perrašome taip:

(4.20

Èia n₁ ir n₂ - pirmosios ir antrosios aplinkos absoliutiniai lûžio rodikliai.

Ta aplinka, kurios absoliutinis lûžio rodiklis didesnis, vadinama optiškai tankesne. Jei šviesa sklinda iš optiškai tankesnës aplinkos á retesnæ (n₁ > n₂), tada b> i. Šiuo atveju galima nustatyti toká šviesos kritimo kampà i = i_rib, kurá atitinka lûžimo kampas b . Toks kritimo kampas vadinamas ribiniu kampu.

Tarkime, kad žinomo lûžio rodiklio n_s refraktometro matavimo prizmës ABC (4.10 pav.) sienelë AC lieèiasi su aplinka 1, kurios lûžio rodiklá n norime išmatuoti. Nagrinësime atvejá n < n_s. Jei šviesos kritimo kampas i₁ artimas 90⁰, tai jos lûžimo kampas b yra didžiausias ir lygus ribiniam kampui. Šiuo atveju

(4.

Taigi, išmatavus ribiná kampà , galima apskaièiuoti tiriamosios medžiagos lûžio rodiklá n. Taèiau já tiesiogiai išmatuoti techniškai yra sunku. Daug paprasèiau išmatuoti su šio spindulio susijusá šviesos lûžimo kampà b . Pagal šviesos lûžimo dësná ( ) skiriamajam paviršiui AB

(4.22)

Èia n₀=1 - oro lûžio rodiklis, g - laužiamasis matavimo prizmës kampas, (4.10 pav.).

Á prizmës sienelæ AC ávairiais kampais krintant monochromatinei šviesai, perëjusiø per sienelæ AB spinduliø kampai b tenkina sàlygà b b . Todël žiûronu stebëdami sienelæ AB kryptimi, artima ribiniam spinduliui, regëjimo laukà matome padalytà á šviesià ir tamsià dalis. Skiriamosios ribos stebëjimo kryptis atitinka lûžusiø spinduliø kryptá, kurie á sienelæ AC krinta šliaužiamai, t.y. i₁ . Taip galima išmatuoti lûžimo kampà

Taigi, išmatavæ šliaužiamai á sienelæ AC krintanèiø spinduliø lûžimo kampà ir iš ( ) formulës apskaièiavæ já atitinkantá kampà a , galime pagal ( ) formulæ apskaièiuoti tiriamosios medžiagos lûžio rodiklá n.

Aparatûra ir darbo metodas. Darbe naudojamo refraktometro principinë schema pavaizduota 4 paveiksle, o išorinis vaizdas parodytas 4 paveiksle. Prietaisas susideda iš glaudžiamojo læšio 1, staèiakampës apšvietimo prizmës 2, staèiakampës matavimo prizmës 3, dispersijos kompensatoriaus 4 ir žiûrono Ž. Glaudžiamasis læšis 1 šviesos šaltinio S siunèiamus spindulius nukreipia reikiama linkme. Apšvietimo prizmës matinë sienelë FD šaltinio skleidžiamà šviesà išsklaido ávairiomis kryptimis. Todël kai kurie spinduliai á matavimo prizmës sienelæ AC krinta šliaužiamai ir prizmëje lûžta ribiniu kampu (4.10 pav.).

Darbe naudojamas nemonochromatinës (baltos) šviesos šaltinis. Dël dispersijos matavimo prizmëje skirtingø bangos ilgiø šviesos lûžimo kampai yra skirtingi. Todël pro žiûronà matyti ne ryški skiriamoji linija, o spektro juosta, trukdanti tiksliai nustatyti jos padëtá. Kad dispersija bûtø eliminuojama, tarp matavimo prizmës ir žiûrono átaisytas dispersijos kompensatorius (4 pav.). Jis suklijuotas iš trijø prizmiø, kuriø lûžio rodikliai ir laužiamieji kampai parinkti taip, kad l_g = 589 nm bangos ilgio (geltonos spalvos) šviesa išeina nekeisdama krypties. Sukant kompensatoriaus rankenëlæ G, galima panaikinti sistemos dispersijà ir tuomet pro žiûronà matyti ryški skiriamoji riba, atitinkanti geltonos šviesos sklidimo kryptá. Be to, jame átaisyta plokštelë su punktyrine vizuojamàja linija (trys brûkšneliai) ir staèiakampë lygiašonë prizmë, kuri dël visiškojo vidaus atspindžio pakeièia spinduliø eigà 90⁰ kampu. Refraktometro žiûrone dar ámontuota skalë, kurioje jau yra pažymëtos lûžio rodikliø vertës, atitinkanèios lûžimo kampø b vertes. Todël lûžio rodiklá atskaitome skalëje ties šviesaus ir tamsaus laukø skiriamàja linija.

Darbo eiga. Bandymà atliekame taip. Atidaræ prizmiø kamerà K (4 pav.), ant apatinës prizmës pipete užlašiname 1 - 2 lašus distiliuoto vandens (t.y. tirpalo, kurio koncentracija z₁ =0%) ir, uždaræ prizmiø kamerà, šaltinio S šviesà nukreipiame á viršutiná kameros langelá. Apatinis langelis uždarytas. Žiûronu randame ryškiai matomà lûžio rodikliø skalæ bei šviesø ir tamsø regëjimo laukus skirianèià spektro juostà. Kilnodami kompensatoriaus rankenëlæ G, panaikiname spektrinæ juostà ir pasiekiame, kad vietoj jos bûtø matyti ryški regëjimo laukus skirianti linija. Slankiodami žiûronà išilgai lûžio rodikliø skalës, vizuojamàjà linijà (tris brûkšnelius) sutapatiname su šviesaus ir tamsaus lauko skiriamàja riba ir ties ja skalëje atskaitome lûžio rodiklio vertæ n₁’. Jei atskaitomoji vertë n₁’ lygi distiliuoto vandens teorinei lûžio rodiklio vertei n₁ = 1,333, tada refraktometro pataisa lygi nuliui. Jei atskaitytoji vertë nëra lygi n₁, tai prie išmatuoto rodiklio n₁’ reikia pridëti prietaiso pataisà Dn = n₁ - n’₁ = 1,333 - n₁’

Išmatuojame darbo vadovo nurodytø koncentracijø: z₂, z₃,, z_n (z₂ < z₃ << z_n) tirpalø lûžio rodiklius: n’₂, n’₃,, n’_n. Matuojame taip pat, kaip ir su distiliuotu vandeniu. Jei gaunamas tik didžiausià koncentracijà turintis tirpalas z_n, tada já skiedžiame distiliuotu vandeniu ir pasigaminame mažesniø koncentracijø tirpalus. Po to nustatome nežinomos koncentracijos z_x tirpalo lûžio rodiklá n’_x.

Matavimø rezultatus surašome á lentelæ ir pavaizduojame n = f(z) grafiku.

4.2 lentelë

Iš grafiko nustatome nežinomos koncentracijos tirpalo koncentracijà z_x.

Kontroliniai klausimai

1. Kokiu atveju á optiškai tankesnæ aplinkà áeinanèio spindulio lûžimo kampas yra lygus ribiniam kampui?

2. Kokia refraktometro apšvietimo ir kompensatoriaus prizmiø paskirtis?

3. Kodël iš matavimo prizmës išëjæ spinduliai žiûrono regëjimo lauke sudaro šviesaus ir tamsaus lauko sritis?

4. Kaip priklauso lûžio rodiklis nuo koncentracijos?

Literatûra

1. Brazdžiûnas P. Bendroji fizika. - Vilnius: Valstybinë politinës ir mokslinës literatûros leidykla, 1963. - D.3. - P.46 - 51.

2. Javorskis B., Detlafas A. Fizikos kursas. - Vilnius: Mintis, 1975. - T.3. - P. 28 - 30 ir 91 - 92.

4.3. ORO ABSOLIUTINIO LÛŽIO RODIKLIO KITIMO TYRIMAS REILËJAUS INTERFEROMETRU

Darbo užduotis. Ištirti oro absoliutinio lûžio rodiklio priklausomybæ nuo slëgio ir pavaizduoti grafiku.

Išmoktini klausimai. Aplinkos lûžio rodiklis. Optinis kelias. Šviesos bangø koherentiškumas ir interferencija. Jos maksimumø ir minimumø sàlygos. Fraunhoferio difrakcija.

Teorinë dalis. Jeigu iš S šaltinio (ryškiai apšviesto plyšio, 4 pav.) šviesa patenka á du siaurus plyšius S₁ ir S₂, tai perëjusios per juos šviesos bangos yra koherentinës. Todël susitikusios ekrane E šios bangos interferuoja. Šviesos bangos nueitas kelias, padaugintas iš aplinkos lûžio rodiklio n, vadinamas optiniu keliu. Kai bangø pradinës fazës vienodos, interferencijos rezultatas priklauso nuo bangø optiniø keliø skirtumo D Pavyzdžiui, taške M (4 pav.) bangø optiniø keliø skirtumas D = nS₂M - nS₁M. Èia abiem bangoms n laikomas vienodu. Tose ekrano vietose, kur bangø optiniø keliø skirtumas lygus lyginiam pusbangiø skaièiui, t.y.

D = 2k, (

tuomet faziø skirtumas kartotinis 2p ir susidaro interferenciniai maksimumai, o tose ekrano vietose, kur bangø optiniø keliø skirtumas lygus nelyginiam pusbangiø skaièiui, t.y.

D = (2k + 1), (

- interferenciniai minimumai. Èia k = 0, 1, 2, nusako interferencinio maksimumo arba minimumo eilæ. Pavyzdžiui, k = 0 atitinka nulinës eilës (centriná) maksimumà, k = 1 - pirmàjá maksimumà (minimumà), k = 2 - antràjá ir t.t. Taigi šviesiø ir tamsiø juostø padëtis ekrane priklauso nuo interferuojanèiø bangø optiniø keliø skirtumo. Taškui O nuotoliai S₁O  S₂O =y yra vienodi. Jei ir aplinkos lûžio rodiklis n yra vienodas, taške O yra interferencinis maksimumas. Vienos bangos kelyje padëjus ilgio l ir lûžio rodiklio n’ skaidrø kûnà, susidaro papildomas optiniø keliø skirtumas

D‘ = (y - l)n + ln’ - yn = l(n’ - n). (4.25)

Jei D bûtø lygus l , taške O bûtø interferencinis minimumas, t.y. visas interferencinis vaizdas pasistumtø per pusæ interferencinës juostos ploèio (interferencinës juostos plotis lygus atstumui tarp gretimø maksimumø arba minimumø). Interferencinio vaizdo poslinkio dydis priklauso nuo susidariusio papildomojo optiniø keliø skirtumo D‘. Já išmatavus, galima nustatyti tiriamosios medžiagos ir aplinkos lûžio rodikliø skirtumà

Dn = n’ - n = D‘/l. (4.26)

Šiuo principu ir veikia darbe naudojamas Reilëjaus interferometras.

Aparatûra ir darbo metodas. Reilëjaus interferometro principinë schema pateikta 4 paveiksle. Ryškiai apšviesto plyšio S šviesà læšis L₁ formuoja á lygiagreèiø spinduliø pluoštelá, kuris, perëjæs per du siaurus plyšius S₁ ir S₂, patenka á etaloniniø dujø vamzdelá K₁ ir tiriamøjø dujø vamzdelá K₂. Læšio L₂ židinio plokštumoje susidaro plyšiams lygiagreèios interferencinës juostelës (4 a pav.), kurias stebime okuliaru O. Papildomà optiniø keliø skirtumà, susidarantá dël K₂ vamzdelyje esanèios tiriamosios medžiagos, išlygina kompensatorius A. Já sudaro skaidri pleišto pavidalo plokštelë, kurià stumdome mikrometriniu sraigtu. Kompensuotas optiniø keliø skirtumas

D_k = n_k d. (4.27

Èia n_k - plokštelës lûžio rodiklis; d - jos storis spindulio kelyje.

Kai pleišto A sudaromà optiniø keliø skirtumà D_k kompensuoja D D_k D ), interferencinës juostelës gràžinamos á pradinæ padëtá.

Reilëjaus interferometre iš S₁ ir S₂ plyšiø sklindanti šviesa perskiriama á dvi dalis. Žemiau vamzdeliø gaunama fiksuota (apatinë) juosteliø sistema, ji naudojama kaip atskaitos skalë. Tiriamosios medžiagos sàlygotas papildomasis optiniø keliø skirtumas D sukelia tik viršutinës juosteliø sistemos poslinká apatinës atžvilgiu (4 b pav.). Kompensatoriumi A abi interferenciniø juosteliø sistemas sutapatiname (4 c pav.). ITR-1 árenginio kompensatoriaus mikrometrinis sraigtas sugraduotas taip, kad jo pasukimas viena padala optiniø keliø skirtumà pakeièia dydžiu Vadinasi, jeigu mikrometriná sraigtà pasukame N padalø, kad sutapatintume juosteliø sistemas, tai ieškomasis optiniø keliø skirtumas

D‘ = N l (4.28

(4.28) árašæ á (4.26) gauname, kad lûžio rodikliø skirtumas

Dn = n’ - n = (4.29

Šiame darbe etaloninë medžiaga yra aplinkos oras, kurio lûžio rodiklis kambario sàlygomis n . Interferometro manometrinë dalis (4 pav.) naudojama oro slëgiui K₂ vamzdelyje keisti ir já matuoti. Jà sudaro rankinis siurblys 1, rezervuaras 2, èiaupai A ir B ir vandens manometras 3, kuriuo rezervuare ir vamzdelyje K₂ yra matuojamas slëgis. Jei manometro vandens stulpeliø aukšèiø skirtumas yra Dh, tada vamzdelyje K₂ ir rezervuare slëgis

p = H + Dh/13,6; (4.30

èia H - atmosferos slëgis mm Hg.

Darbo eiga. Pasukæ èiaupo B rankenëlæ á padëtá “Atmosfera” (4 pav.), abiejuose vamzdeliuose suvienodiname oro slëgius. Interferometro maitinimo transformatoriø ájungæ á elektros tinklà, pro okuliarà O (4 pav.) stebime interferenciná vaizdà ir mikrometriniu sraigtu sutapatiname viršutiniø ir apatiniø juosteliø sistemas taip, kad jø nulinës (centrinës) juostos (jos baltos, neturi spalvotø krašteliø) bûtø tiksliai vienoje vertikalëje. Užrašome mikrometrinio sraigto “Pradinæ” padëtá N₀. Tada èiaupo B rankenëlæ pasukame á padëtá “Uždaryta”, o èiaupo A rankenëlæ - á padëtá “Atidaryta”. Iš lëto rankiniu siurbliu padidiname slëgá 20 mm vandens stulpelio iki aukšèio Dh. Pasukæ èiaupo A rankenëlæ á padëtá “Uždaryta”, mikrometriniu sraigtu vël sutapatiname interferenciniø juosteliø sistemas ir užsirašome Dh bei mikrometrinio sraigto galinæ padëtá N.

Analogiškus veiksmus ir matavimus atliekame toliau, didindami slëgá kas 20 mm vandens stulpelio iki 200 - 250 mm jo aukšèio. Kiekvienam matavimui apskaièiuojame oro slëgá ir jo lûžio rodiklio pokyèius Dn (bangos ilgis l 5,5 10^-7m, vamzdelio ilgis l = 1 m).

Matavimø ir skaièiavimø duomenis surašome á lentelæ ir gautuosius rezultatus pavaizduojame Dn = f(p) grafiku.

4.3 lentelë

Kontroliniai klausimai

1. Jungo bandymas: interferencinio vaizdo susidarymas ir apskaièiavimas dviejø plyšiø atveju.

2. Kodël, didinant slëgá viename prietaiso ITR-1 vamzdelyje, viršutinis interferencinis vaizdas slenka, o sukant mikrometriná sraigtà, gali bûti sugràžintas atgal?

Literatûra

1. Brazdžiûnas P. Bendroji fizika. - Vilnius: Valstybinë politinës ir mokslinës literatûros leidykla, 1963. - D.3. - P. 106 - 112.

2. Javorskis B., Detlafas A. Fizikos kursas. - Vilnius: Mintis, 1975. - T.3. - P. 101 - 108.

3. Tamašauskas A., Vosylius J. Fizika. - Vilnius: Mokslas, 1989. - T.2. - P.142 - 148.

4.4. TIRPALØ ŠVIESOS ABSORBCIJOS TYRIMAS FOTOELEKTRINIU KOLORIMETRU

Darbo užduotis. Ištirti žinomos koncentracijos tirpalo šviesos pralaidumo, optinio tankio tos medžiagos koeficiento A priklausomybes nuo šviesos bangos ilgio ir išmatuoti nežinomo tirpalo koncentracijà.

Išmoktini klausimai. Šviesos absorbcija ir sklaida. Bugerio ir Lamberto, Bero ir jungtinis Bugerio – Lamberto - Bero dësniai.

Teorinë dalis. Medžiaga absorbuoja (sugeria) ir išsklaido ja sklindanèià šviesà. Todël šviesos intensyvumas mažëja. Perëjusios medžiagà šviesos intensyvumo I santykis su krintanèios á jà šviesos intensyvumu I₀ vadinamas šviesos pralaidumu T = I/I₀. Šviesos pralaidumo atvirkštinio dydžio dešimtainá logaritmà D = lg(1/T) vadiname optiniu tankiu (arba ekstinkcija). Perëjusios medžiagà šviesos intensyvumo priklausomybæ nuo medžiagos sluoksnio storio d nusako Bugerio ir Lamberto dësnis:

I = I₀exp(-ad). (

Èia a - absorbcijos rodiklis. (4.31) lygybæ išlogaritmavus ir pasinaudojus šviesos pralaidumo bei optinio tankio apibrëžimais, gauname:

a = (-1/d)lnT = (2,30/d)lg(1/T) = 2,30D/d.  (4.32

Pagal Bero dësná, sklindant šviesai tirpalu, absorbcijos rodiklis a yra tiesiog proporcingas tirpalo koncentracijai, t.y. a = Ac. Èia dydis

A = a/c = 2,30D/(cd) 

vadinamas šviesà absorbuojanèios medžiagos koeficientu. Dviem tos paèios medžiagos, ištirpintos vienoduose tirpikliuose, tirpalams (vienodi koeficientai A), kai tas pats kiuvetës ilgis d, iš (4.33) lygybës aiškëja, jog

D/c = D_x/c_x. (4.34

Taigi, jei vienoje kiuvetëje tirpalo koncentracija c, tada nežinomo tirpalo koncentracija

c_x = cD_x/D.  (4.35

Èia D ir D_x - žinomos ir nežinomos koncentracijos tirpalø optiniai tankiai.

Aparatûra ir darbo metodas. Šviesos intensyvumus I ir I₀, pagal kuriuos apskaièiuojami dydžiai T, D, A, išmatuoti sunku. Todël naudojamas kompensacijos metodas, kai palyginami dviejø šviesos pluošteliø srautai.

4 paveiksle parodytas vienas šio metodo bûdø. Šviesa, sklindanti iš šaltinio S ir atsispindëjusi nuo veidrodžiø V₁ ir V₂, pereina per vienodus šviesos filtrus Š_f1 ir Š_f2 bei vienodo ilgio kiuvetes K₁ ir K₂ ir patenka á vienodus fotoelementus F₁ ir F₂.

Kad šviesos srautø intensyvumà bûtø galima reguliuoti, kairiojo pluoštelio kelyje átaisomi reguliuojamieji fotometriniai pleištai L₁ ir L₂, o dešiniojo kelyje paliekamas reguliuojamo ploèio plyšys P.

Galvanometru G elektros srovë netekës, jei á fotoelementus F₁ ir F₂ krintanèiø srautø intensyvumai bus lygûs. Tai pasiekiama keièiant pleištø L₁ ir L₂ padëtá arba plyšio P plotá.

Matavimai atliekami 4 paveiksle pavaizduotu fotoelektriniu kolorimetru ФЭK-M. Èia Mb - maitinimo blokas. Prietaiso priekinëje sienelëje yra keitimo rankenëlës L₁ ir L₂ bei rankenëlë P_er, naudojama keisti šviesos filtrams Š_f1 ir Š_f2. Bûgneliu Bk keièiamas plyšio P plotis, o rankenële I_r reguliuojamas prietaiso jautrumas.

Darbo eiga. 1. Paruošiame aparatûrà darbui. Pasukæ rankenëlæ Ir prieš laikrodžio rodyklæ iki galo , nustatome mažiausià prietaiso jautrumà. Ájungæ maitinimo blokà Mb á elektros tinklà, ájungiame jungiklá Iš. Fotoelektrinëse kolorimetro kamerose abiejø šviesos srautø keliuose ástatome kiuvetes su distiliuotu vandeniu. Rankenële Per pasirenkame pirmàjá šviesos filtrà. Sukdami bûgnelá Bk pagal laikrodžio rodyklæ, kol skaliø nulinës padalos sutampa su horizontaliàja žyme, nustatome didžiausià plyšio P plotá (4 pav.). Rankenële I_r padidiname prietaiso jautrumà, o rankenëlëmis L₁ ir L₂ galvanometro rodyklæ nustatome ties nuliu.

2. Tiriame žinomos koncentracijos tirpalo šviesos pralaidumà ir optiná tanká. Tam tikslui kairiosios kameros kiuvetëje esantá distiliuotà vandená pakeièiame darbø vadovo nurodytos koncentracijos tirpalu. Á fotoelementà F₁ (4 pav.) krintanèiø šviesos spinduliø srautas sumažëja, todël galvanometro G rodyklë nukrypsta nuo nulinës padëties. Kad susidarytø sroviø balansas, reikia mažinti plyšio P plotá. Tam tikslui sukame bûgnelá B_k tol, kol galvanometro rodyklë vël rodo nulá. Bûgnelio juodojoje skalëje atskaitome šviesos pralaidumà T, o raudonojoje - optiná tanká D.

3. Aukšèiau aprašytuoju bûdu išmatuojame tirpalo šviesos pralaidumà ir optiná tanká su likusiais filtrais.

4. Kiekvienam filtrui pagal ( ) formulæ apskaièiuojame medžiagos koeficiento A vertes. Gautus matavimø ir skaièiavimø rezultatus surašome á lentelæ.

lentelë

Iš gautø duomenø nubrëžiame T = f(l , D = f l) ir A = f(l) grafikus.

5. Kairiojoje kiuvetëje žinomos koncentracijos tirpalà pakeitæ nežinomos koncentracijos C_x tirpalu, atliekame 2 ir 3 punktuose nurodytus optinio tankio matavimus.

6. Kiekvienam bangos ilgiui pagal (4.35) formulæ apskaièiuojame nežinomo tirpalo koncentracijà c_x ir jos aritmetiná vidurká <c_x>.

Kontroliniai klausimai

1. Nusakykite Bugerio ir Lamberto bei Bero dësnius ir paaiškinkite fizikinæ absorbcijos rodiklio prasmæ.

2. Paprastoji ir selektyvioji šviesos absorbcija .

3. Paaiškinkite principinæ fotoelektrinio kolorimetro schemà.

Literatûra

. Brazdžiûnas P. Bendroji fizika. - Vilnius: Valstybinë politinës ir mokslinës literatûros leidykla, 1963. - D.3. - P.187 - 190.

2. Javorskis B., Detlafas A. Fizikos kursas. - Vilnius: Mintis, 1975. - T.3. – P.159. - 161.

3. Tamašauskas A., Vosylius J. Fizika. - Vilnius: Mokslas, 1989. - T.2. - P.170 - 172.