POMIARY OPTYCZNE 1. Wykład 4. Pomiar współczynnika załamania

Transkrypt

1 POMIARY OPTYCZNE 1 Wykład 4 Pomiar współczyika załamaia Dr hab. iż. Władysław Artur Woźiak Katedra Optyki i Fotoiki Wydział Podstawowych Problemów Techiki Politechika Wrocławska Pokój 18/11 bud. A-1

2 WSPÓŁCZYNNIK ZAŁAMANIA Przypomieie: DEFINICJA Współczyik załamaia ośrodka opisuje zmiaę prędkości fali w ośrodku: v c c prędkość światła w próżi; v prędkość światła w ośrodku;, - względe przeikalości: elektrycza i magetycza ośrodka. 3. PRAWO SNELIUSA [Sella] (załamaia) między kątem załamaia i kątem padaia zachodzi związek: si1 si v v 1 1 1

3 DYSPERSJA Przypomieie: Dyspersja właściwość materiału: zależość prędkości fazowej fal (a więc rówież współczyika załamaia) od częstotliwości, długości fali albo wektora falowego. Efektem jest dyspersja zjawisko rozszczepieia światła polichromatyczego a moochromatycze; Ale dyspersja to też liczba parametr, określający liczbowo dyspersję materiału.

4 DYSPERSJA Dr hab. iż. Władysław Artur Woźiak Liczbowo dyspersję opisują: - współczyik dyspersji (dyspersja średia) C F - liczba Abbego: C F d d 1 - dyspersja częściowa względa: C F y x y x P,

5 LINIE SPEKTRALNE Dr hab. iż. Władysław Artur Woźiak

6 Po co się mierzy współczyik załamaia? Po co mierzy się charakterystyki spektrale współczyika załamaia (czyli dyspersję)? Coś by wreszcie wypadało zrobić samemu, przygotowując się do kolokwium, a ie tylko kserować treści wykładu. ;-)

7 DYSPERSJA Wykres dyspersji materiałów optyczych

8 DYSPERSJA Dr hab. iż. Władysław Artur Woźiak Empirycze wzory dyspersyje: - wzór Cauchy ego... ) ( 4 C B A - wzór Herzbergera ) ( a a a (dla wody destylowaej) w ( ) wzór Hartmaa ) ( ) ( D K N - wzór Sellmeiera B A B A B A - wzór katalogowy firmy Schott

9 DYSPERSJA Dr hab. iż. Władysław Artur Woźiak

10 DYSPERSJA A

11 WSPÓŁCZYNNIK ZAŁAMANIA WYBRANYCH CIECZY A Nazwa cieczy Współczyik zalamaia Nazwa cieczy Współczyik załamaia Alkohol metylowy 1.33 Olejek ayżowy 1.56 Woda destylowaa Moobromobeze Alkohol etylowy 1.36 Ailia 1.58 Heksa Bromoform Alkohol amylowy Olejek migdałowy 1.60 Czterochlorek węgla 1.46 Moojodobeze 1.61 Oliwa z oliwek Dwusiarczek węgla 1.63 Ksylol moochloroaftale Bezol moobromoaftale Olejek cedrowy Jodek rtęciowo potasowy 1.73 Moochlorobeze 1.57 Jodek metyleu 1.74 Olejek goździkowy Nasycoy roztów siarki w jodku metyleu Nitrobeze

12 PRYZMAT Przy spektrometryczych pomiarach współczyika załamaia materiał baday musi mieć kształt pryzmatu o dwuścieym kącie łamiącym γ. PRZYPOMNIENIE Pryzmat to bryła przezroczysta, której dwie ograiczające płaszczyzy tworzą ze sobą kąt γ, zway kątem łamiącym pryzmatu. Zastosowaia pryzmatów: pomiar współczyika załamaia a goiometrach (spektrometrach); odchylaie biegu wiązki w przyrządach optyczych (jak zwierciadła); rozszczepieie wiązki światła białego a widmo.

13 PRYZMAT Przy symetryczym biegu promiei przez pryzmat: si si mi mi to kąt miimalego odchyleia

14 KĄT MINIMALNEGO ODCHYLENIA i arcsi si( i1 ) si( ) cos( ) si( 1) 1 i 1 =1.5 =

15 Metoda Frauhofera bazuje właśie a wzorze: si si mi mi mi 90 Pomiar moża wykoać, gdy: (dlaczego?) arcsi 1 kat lamiacy pryzmatu wspolczyik zalamaia

16 Metoda Frauhofera cd. Czyiki praktycze decydujące o jakości i dokładości pomiaru: - Szerokość szczeliy luety kolimatora a rodzaj kresek celowika luety autokolimacyjej; - Wymagaia a rówoległość wiązki: ogiskowe luety i kolimatora mi. 500 mm przy średicy ie miejszej iż 35 mm, powiększeie ie miejsze iż 30 x; - Ściay łamiące pryzmatu powiy być wykoae z dokładością ie miejszą iż 0,5 prążka iterferecyjego; - Kotrola temperatury.

17 Metoda Frauhofera cd. Niepewość określeia współczyika załamaia: mi mi Błąd średi kwadratowy: Moża pokazać, że do pomiaru współczyika załamaia szkła z dokładością 10-3 ależy użyć goiometru jedosekudowego. JAK ZMIERZYĆ KĄT ŁAMIĄCY!? Metoda luety autokolimacyjej.

18 Metoda Rydberga-Martesa. (Pomiar kąta padaia promiei a pryzmat.) i1 i1 1) Celujemy luetą a szczelię kolimatora, odczytujemy położeie; ) Obracamy luetę o kąt i uieruchamiamy ją w tym położeiu; 3) Stawiamy pryzmat a stolik i obracamy go tak, aby obraz szczeliy kolimatora pokrył się z krzyżem luety; 4) Mierzymy kąt odchyleia promiei przechodzących przez pryzmat. si( i ) cos( ) si( i si( ) ) 1 1 si( i1 )

19 Metoda promieia prostopadle wychodzącego z pryzmatu. Jeśli promień wychodzi z pryzmatu prostopadle do ściay wyjściowej, to musza być zachowae astępujące waruki: a poieważ: więc: 1) Luetą goiometru celujemy a szczelię ieruchomego kolimatora; ) Kładziemy pryzmat a stolik i ustawiamy go tak, aby jego ściaa wyjściowa była prostopadła do osi luety (autokolimacyjej); 3) Stolik i luetę blokujemy tak, aby obracały się razem; obracając te moduł, szukamy obrazu szczeliy po przejściu przez pryzmat; 4) Z różicy odczytów otrzymujemy wartość kąta odchyleia i obliczamy. Kąt łamiący pryzmatów w tej i astępej metodzie musi być dwa razy miejszy, iż w metodzie Frauhofera.

20 Metoda promieia prostopadle wchodzącego do pryzmatu. Jeśli promień wchodzi do pryzmatu prostopadle do ściay wejściowej, to musza być zachowae astępujące waruki: a poieważ: więc: 1) Kolimator i luetę ustawiamy pod iewielkim kątem względem siebie; ) Obracamy pryzmat a stoliku tak, aby lueta celowała w obraz szczeliy kolimatora utworzoy przez promieie odbite od wejściowej ściay pryzmatu; 3) Obracamy luetę tak, aby celowała w kolimator (szczelia widziaa przez pryzmat); 4) Różica obu położeń wyzacza podwojoy kąt, o który obracamy stolik z pryzmatem; 5) Blokujemy stolik; mierzymy kąt odchyleia pryzmatu celując a obraz szczeliy kolimatora po przejściu przez pryzmat; 6) Różica odczytów przy celowaiu lueta bezpośredio i przez pryzmat daje szukaą wartość kąta odchyleia.

21 Metoda Abbego Pęk promiei osiowych wychodzących z luety autokolimacyjej po wejściu do pryzmatu i odbiciu od jego tylej ściay wychodzi z pryzmatu pod tym samym kątem, pod jakim wszedł. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy promieie te padają prostopadle a tylą ściaę pryzmatu.

22 Metoda Abbego cd. Z prawa załamaia: więc: si i 1 si si si i i 1 ' 1 ale: ' i 1 Podobieństwo metod Frauhofera i Abbego. arcsi 1

23 Metoda Kohlrauscha Pomiar opiera się a zjawisku całkowitego wewętrzego odbicia. 1 si i ' 1max

24 Metoda Kohlrauscha - cd.

25 Metoda Kohlrauscha cd. Modyfikacja metody promieie odbijają się od górej powierzchi tu lepiej widać zjawisko całkowitego wewętrzego odbicia.

26 Metoda Kohlrauscha cd. Dwa przypadki wyjścia promieia z pryzmatu cos si i' 1 si

27 Metoda Wollastoa Pomiar polega rówież a pomiarze kąta graiczego całkowitego wewętrzego odbicia, ale badae ciało pozostaje w kotakcie ie z powietrzem, ale z iym pryzmatem o zaym współczyiku załamaia (większym od badaego!), ajczęściej o kącie łamiącym 90.

28 Metoda Wollastoa-Kohlrauscha Badae ciało musi mieć wypolerowaą powierzchię; koiecza jest ciecz immersyja. si 0 si i' cos si i' Dla φ=90 : 0 si i '

29 Metoda Wollastoa-Kohlrauscha Rola immersji między pryzmatami i czyli i 0 si i' si i' si i 0 1 ' si i 1 '

30 CIECZ IMMERSYJNA Rola cieczy immersyjych w układach optyczych: 1. Zapewia jedorody bieg promiei (zmiejsza ugięcie światła i jego rozproszeie);. Zapobiega iepożądaemu zjawisku całkowitego wewętrzego odbicia; 3. Wykorzystywae są w pomiarach współczyika załamaia oraz w układach mikroskopowych (obiektywy, kodesory). Ciecz imersyja zwiększa aperturę umeryczą obiektywu i kodesora N.A. = x si 1/ A.A A.A = agular aperture - ajmiejszy współczyik załamaia w biegu promiei

31 Refraktometr Pulfricha Specjalego kształtu goiometr, który służy do szybkiego pomiaru współczyika załamaia szkła metodą Wollastoa-Kohlrauscha. Pryzmat wzorcowy wykoay jest z bezsmużystego szkła o kącie łamiącym 90 0 si i '

32 Refraktometr Pulfricha

33 Pomiar współczyika załamaia cieczy

34 Refraktometr Abbego Służy do szybkiego pomiaru współczyika załamaia cieczy i ciał stałych. Bazuje a metodzie Wollastoa-Kohlrauscha. Zasadiczą część przyrządu staowi układ dwóch jedakowych pryzmatów.

35 Refraktometr Abbego cd. Wypolerowaa ściaa B C dolego pryzmatu przepuszcza pęk różokierukowych promiei, które padają a zmatowioą powierzchię A C. Między pryzmatami zajduje się cieka (0,1 mm) warstwa mierzoej cieczy. Góry pryzmat posiada współczyik załamaia większy, iż badaa ciecz dzięki temu możliwe jest zjawisko całkowitego wewętrzego odbicia W przypadku cieczy silie pochłaiających światło, pomiary przeprowadza się w świetle odbitym góry pryzmat oświetloy jest przez zmatowioą powierzchię CB.

36 Refraktometr Abbego cd.

37 Refraktometr Abbego cd. Pomiary a refraktometrze Abbego moża prowadzić rówież używając jako źródła światła zwykłej lampy lub światła słoeczego. Umożliwia to specjaly układ kompesujący, zbudoway z dwóch pryzmatów Amici a visio directe, obracających się w przeciwe stroy. Potróje pryzmaty Amici obliczoe są w te sposób, że ie zmieiają kieruku promiei żółtej liii D sodu. Bez kompesatora liia rozdziału byłaby zabarwioa.

38 Refraktometr Abbego cd. Na refraktometrze Abbego możemy dokoywać także pomiaru współczyika załamaia ciał stałych w świetle odbitym. Ciało badae musi mieć wypolerowaą powierzchię stykająca się z pryzmatem pomiarowym.

39 Refraktometr Abbego cd. Jeśli ciało badae ma dwie prostopadłe do siebie powierzchie wypolerowae, to pomiar współczyika załamaia moża prowadzić rówież w promieiach załamaych. W tym przypadku promieie oświetlające padają a drugą wypolerowaa ściaę ciała mierzoego (jak w refraktometrze Pulfricha). Między powierzchie ciała mierzoego i pomiarowego wprowadza się ciecz immersyją o współczyiku załamaia pośredim.

40 Refraktometr Abbego cd. Refraktometr PZO dokładości 0,0004 dla =1,3-1,4 i 0,000 dla =1,4-1,7 oraz pomiar stężeia cukru z dokładością 0,1 do 0,%.

41 Refraktometr Bodara Skostruoway do pomiarów porówawczych współczyika załamaia. Pozwala a pomiar współczyika załamaia bloków szklaych, posiadających wypolerowaą jeda z powierzchi.

42 Refraktometr Bodara Zbudoway z oświetlacza O, luety L i kostki wykoaej z ciężkiego flitu. Zmiaa graicy światłocieia staowi podstawę do określeia odchyłki współczyika załamaia bloku mierzoego od wzorcowego. Dokładości uzyskiwae sięgają a dodatkową zaletą jest ograiczeie koieczości polerowaia do jedej tylko powierzchi ciała badaego.

43 Pomiary współczyika załamaia kryształów Refraktometr Abbego ze specjalą półkulą i płasko-wklęsłą soczewką, które tworzą pryzmat o zmieym kącie łamiącym.

44 Proste (i taie) refraktometry do pomiaru stężeia cukru (soli) w cieczach.