Показник заломлення

1. Матеріали з негативним показником заломлення [ правити | правити код ]

Показник заломлення (абсолютний показник заломлення) речовини - величина, що дорівнює відношенню фазових швидкостей світла ( електромагнітних хвиль ) в вакуумі і в даному середовищі n = c v {\ displaystyle n = {\ frac {c} {v}}} . Також про показник заломлення говорять для будь-яких інших хвиль, наприклад, звукових [1] .

Показник заломлення, як абсолютний, так і відносний (див. Нижче), дорівнює відношенню синуса кута падіння до синуса кута заломлення (див. Закон заломлення світла ), І залежить від природи (властивостей) речовини і довжини хвилі випромінювання ; для деяких речовин показник заломлення досить сильно змінюється при зміні частоти електромагнітних хвиль від низьких частот до оптичних і далі, а також може ще більш різко змінюватися в певних областях частотної шкали. За замовчуванням звичайно мається на увазі оптичний діапазон або діапазон, який визначається контекстом.

існують оптично анізотропні речовини, в яких показник заломлення залежить від напрямку і поляризації світла. Такі речовини досить поширені, зокрема, це все кристали з досить низькою симетрією кристалічної решітки, а також речовини, піддані механічній деформації.

Показник заломлення можна виразити як корінь з добутку магнітної і діелектричної проникності середовища

n = μ ε {\ displaystyle n = {\ sqrt {\ mu \ varepsilon}}}

(Треба при цьому враховувати, що значення магнітної проникності μ {\ displaystyle \ mu} і діелектричної проникності ε {\ displaystyle \ varepsilon} для даного діапазону частот - наприклад, оптичного, можуть дуже сильно відрізнятися від статичних значень цих величин).

У поглинаючих середовищах діелектрична проникність містить уявну компоненту ε ^ = ε 1 + i ε 2 {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ hat {\ varepsilon}}} = \ varepsilon _ {1} + i \ varepsilon _ {2}} , Тому показник заломлення n ^ = μ ε ^ {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ hat {n}}} = {\ sqrt {\ mu {\ boldsymbol {\ hat {\ varepsilon}}}}}} стає комплексним: n ^ = n + i k {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ hat {n}}} = n + ik} . В області оптичних частот, де μ = 1 {\ displaystyle \ mu = 1} , Дійсна частина показника заломлення n = ε 1 + ε 1 2 + ε 2 2 2 {\ displaystyle n = {\ sqrt {\ frac {\ varepsilon _ {1} + {\ sqrt {\ varepsilon _ {1} ^ {2 } + \ varepsilon _ {2} ^ {2}}}} {2}}}} описує, власне, переломлення, а уявна частина k = ε 2 2 n {\ displaystyle k = {\ frac {\ varepsilon _ {2}} {2n}}} - поглинання.

Згідно із законом заломлення хвиль переломлених промінь B C {\ displaystyle BC} міститься в одній площині з падаючим променем A B {\ displaystyle AB} , Якою падає на поверхню розділу середовищ, і нормаллю N {\ displaystyle N} в точці падіння B {\ displaystyle B} , А відношення синуса кута падіння θ 1 {\ displaystyle \ theta _ {1}} до синусу кута заломлення θ 2 {\ displaystyle \ theta _ {2}} дорівнює відношенню швидкостей поширення v 1 {\ displaystyle v_ {1}} і v 2 {\ displaystyle v_ {2}} хвиль в цих середовищах. Це відношення є постійним для даних середовищ і називається відносним показником заломлення другого середовища відносно першого. Позначаючи його як n 21 {\ displaystyle n_ {21}} , Отримуємо, що виконується:

n 21 = v 1 v 2, {\ displaystyle n_ {21} = {\ frac {v_ {1}} {v_ {2}}}}

де v 1 {\ displaystyle v_ {1}} і v 2 {\ displaystyle v_ {2}} - фазові швидкості світла в першій і другій середовищах відповідно.

Аналогічно, для відносного показника заломлення першого середовища щодо другої n 12 {\ displaystyle n_ {12}} виконується:

n 12 = v 2 v 1, {\ displaystyle n_ {12} = {\ frac {v_ {2}} {v_ {1}}}}

Очевидно, що n 12 {\ displaystyle n_ {12}} і n 21 {\ displaystyle n_ {21}} пов'язані співвідношенням:

n 12 n 21 = 1. {\ displaystyle n_ {12} n_ {21} = 1.}

Відносний показник заломлення, при інших рівних умовах, зазвичай менше одиниці при переході променя з середовища більш щільною в середу менш щільну, і більше одиниці при переході променя з середовища менш щільною в середу більш щільну (наприклад, з газу або з вакууму в рідину або тверде тіло). Є винятки з цього правила, і тому середу з відносним показником заломлення, більшим одиниці, прийнято називати оптично більш щільною, ніж інша (не плутати з оптичної щільністю як мірою непрозорості середовища).

Луч, що падає з вакууму на поверхню який-небудь середовища, заломлюється сильніше, ніж при падінні на неї з іншого середовища; показник заломлення середовища, відповідний променю, що падає на неї з вакууму, називається абсолютним показником заломлення або просто показником заломлення; це і є показник заломлення, визначення якого дано на початку статті. Абсолютний показник заломлення будь-якого газу, в тому числі повітря, при звичайних умовах мало відрізняється від одиниці, тому наближено (і з порівняно непоганий точністю) про абсолютне показнику заломлення досліджуваного середовища можна судити по її показником заломлення щодо повітря.

Для вимірювання показника заломлення використовують ручні і автоматичні рефрактометри .

Показники заломлення n D (жовтий дублет натрію, λD = 589,3 нм) деяких середовищ наведені в таблиці.

Показники заломлення для довжини хвилі 589,3 нм

Тип середовища Середовище Температура, ° С Значення кристали [2] LiF 20 1,3920 NaCl 20 1,5442 KCl 20 1,4870 KBr 20 1,5552 Оптичні скла [3] ЛК3 (Легкий крон ) 20 1,4874 К8 (Крон) 20 1,5163 ТК4 (Важкий крон) 20 1,6111 СТК9 (надважких крон) 20 1,7424 Ф1 ( Флінт ) 20 1,6128 ТФ10 (Важкий флінт) 20 1,8060 СТФ3 (надважких флінт) 20 2,1862 [4] Дорогоцінне каміння [2] алмаз білий - 2,417 берил - 1,571-1,599 смарагд - 1,588-1,595 сапфір білий - 1,768-1,771 Сапфір зелений - 1,770-1,779 рідини [2] вода дистильована 20 1,3330 Бензол 20-25 1,5014 Гліцерин 20-25 1,4730 Кислота сірчана 20-25 1,4290 Кислота соляна 20-25 1,2540 Масло анісова 20-25 1,560 Олія соняшникова 20-25 1,470 Оливкова олія 20 -25 1,467 Спирт етиловий 20-25 1,3612

Матеріали з негативним показником заломлення [ правити | правити код ]

У 1967 році В. Г. Веселаго висловив гіпотезу про існування матеріалів з від'ємним значенням показника заломлення [5] . Існування подібних матеріалів було практично доведено в 2000 р Девідом Смітом ( англ. David R. Smith) з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго і Джоном Пендрі з Імперського коледжу в Лондоні [6] . подібні метаматеріали мають ряд цікавих властивостей [7] :

• Веселаго В.Г. Про формулюванні принципу Ферма для світла, що поширюється в речовинах з негативним заломленням // Успіхи фізичних наук , 2002 т. 172, № 10, c. 1215-1218.
• Веселаго В.Г. Електродинаміка матеріалів з негативним коефіцієнтом заломлення // Успіхи фізичних наук , 2003 т. 173, № 7, c. 790-794.
• Вашковський А.В. , Локк Є.Г. Виникнення негативного коефіцієнта заломлення при поширенні поверхневої магнитостатическое хвилі через кордон розділу середовищ феррит-ферит-діелектрик-метал // Успіхи фізичних наук , 2004, т. 174, № 6, c. 657-662.
• Аграновіч В.М. Негативне переломлення в оптичному діапазоні та нелінійне поширення хвиль // Успіхи фізичних наук , 2004, т. 174, № 6, c. 683-684.
• Вашковський А.В. , Локк Є.Г. Властивості зворотних електромагнітних хвиль і виникнення негативного відображення в феритових плівках // Успіхи фізичних наук , 2006, т. 176, № 4, c. 403-414.
• Вашковський А.В. , Локк Є.Г. Прямі та зворотні неколінеарна хвилі в магнітних плівках // Успіхи фізичних наук , 2006, т. 176, № 5, c. 557-562.
• Аграновіч В.М. , Гартштейн Ю.Н. Просторова дисперсія і негативне заломлення світла // Успіхи фізичних наук , 2006, т. 176, № 10, c. 1051-1068.
• Воронов В. К., Подоплелов А. В. Фізика на переломі тисячоліть: конденсована стан, 2-е изд., М .: ЛКИ, 2012 336 стр., ISBN 978-5-382-01365-7