Показник заломлення.

Відхилення світлового променя від початкового напрямку при переході його з одного середовища в іншу тим більше, чим більша різниця в швидкостях поширення світла в двох даних середовищах. Відомо, що з найбільшою швидкістю світло поширюється у вакуумі. Якщо немає необхідності в особливій точності, можна вважати що швидкість світла у вакуумі становить 3∙10⁸ м в секунду. Вакуум є найменш оптично густим середовищем.

Згідно з хвильовою теорією світла абсолютним показником заломлення світла n_абс. для даної прозорої середовища (речовини) є відношення швидкості поширення світла у вакуумі () до швидкості світла в цьому середовищі (V) (речовині):

 

Швидкість світла у вакуумі в 1,00027 рази більше швидкості світла в повітрі і отже:

 

Так як швидкість світла у вакуумі є граничною, то показники заломлення для всіх речовин і будь-яких середовищ більше одиниці.

Згідно законам заломлення світла при всіх обставинах має місце наступне рівність (рис.1).:

 

1 середовище

 

2 середовище

 

Рис. 1. Заломлення світла на межі вакууму (1) з іншим середовищем (2)

 

З того, що n_абс.> 1, випливає, що α> β. Таким чином, при переході світла з оптично менш густого середовища 1 в середовище з більшою оптичною густиною 2 кут падіння світла завжди більше кута заломлення (рис. 1).

Якщо розглядати будь-які два середовища (1 і 2), то заломлення світла в одному з них (середовищі 2) при попаданні в неї світла з середовища з меншою оптичною густиною буде характеризуватися відносним показником заломлення:

де V₁ і V₂ – швидкості поширення світла відповідно в середовищі 1 і 2.

Коли говорять про показники заломлення твердих і рідких тіл, то зазвичай мають на увазі їх відносні показники заломлення по відношенню до повітря. Ці величини позначаються буквою n і називаються просто показниками заломлення.

Практично можна вважати, що показник заломлення речовини щодо повітря дорівнює його абсолютному показнику заломлення.

Величина показника заломлення залежить від природи речовини, його густини, довжини хвилі падаючого світла, температури, концентрації (для розчинів) і тиску (для газів).

Природа речовини в даному випадку визначає ступінь деформованості його молекул під дією світла – ступінь поляризованості. Чим інтенсивніша поляризованість, тим сильніше заломлення світла.

Зміна густини речовини помітно відбивається на величині показника заломлення. Зростання густини, яке може бути наслідком збільшення тиску (що особливо різко позначається в газових середовищах) або наслідком перекристалізації твердого тіла при переході речовини з однієї алотропічної модифікації в іншу, веде як правило до збільшення показника заломлення. Так як стискуваність рідин і твердих тіл дуже мала, то їх показники заломлення мало залежать від тиску. Коливання атмосферного тиску в цьому випадку практично ніякого впливу не роблять.

Вплив температури на значення показників заломлення газуватих і рідких тіл пов'язане з величинами їх коефіцієнтів об'ємного розширення. Об’єм усіх газуватих і рідких тіл при нагріванні збільшується, густина зменшується і, як наслідок, зменшується і показник заломлення. Коефіцієнт об'ємного розширення твердих тіл відносно невеликий і відповідно до цього зміна температури менше позначається на величині їх показника заломлення. Не завжди в цьому випадку підвищення температури призводить до зменшення показника заломлення. Домінуючим фактором тут може виявитися підвищення ступеня поляризації речовини із збільшенням температури. Це призведе до зростання коефіцієнта заломлення, незважаючи на деяке зменшення густини, що і спостерігається, наприклад, для більшості сортів скла.

Залежність показника заломлення від довжини світлової хвилі називають дисперсією (від лат. dispersus - розсіяний). Ті вимушені коливання електронів, які пов'язані з впливом світлової хвилі на речовину і є причиною поляризації атомів і молекул, яка приводить до заломлення світла, знаходяться в певному співвідношенні з довжиною світлової хвилі. Співвідношення це таке, що чим менше довжина хвилі, тим значніше заломлення. Тому промені різних довжин хвиль заломлюються по-різному. Для видимого світла найбільший коефіцієнт заломлення відповідає фіолетвому випромінюванню (інтервал довжин хвиль 397-424 нм), а найменший – червоному (інтервал довжин хвиль 640-723 нм).

Табличні значення показників заломлення найчастіше наводяться для жовтої лінії (лінія D) в спектрі натрію і позначається n_D. Довжина хвилі, відповідна цій лінії, λ_D = 589,3 нм.

Для багатьох розчинів спостерігається залежність показника заломлення від концентрації розчину. Для розведених розчинів справедлива рівність:

де n₀ – показник заломлення чистого розчинника; С – концентрація розчиненої речовини, К – емпіричний коефіцієнт, величина якого визначається шляхом знаходження показників заломлення розчинів відомих концентрацій.

За умови збереження сталості всіх тих факторів, від яких залежить величина показника заломлення, його значення буде визначатися тільки природою контактуючих середовищ.