Ćwiczenie nr 44

Wyznaczanie względnego współczynnika załamania światła dla przeźroczystego ośrodka przy pomocy mikroskopu.

I Samodzielne opracowanie ćwiczenia:

1.Widmo promieniowania elektromagnetycznego.

Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) - rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Zaburzenie to ma charakter fali poprzecznej, w której składowa elektryczna i magnetyczna są prostopadłe do siebie, a obie są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się promieniowania. Oba pola indukują się wzajemnie - zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmienne pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne. Źródłem zmiennego pola elektromagnetycznego jest przyspieszający ładunek elektryczny. Najczęściej źródłem tego promieniowania jest ładunek wykonujący drgania.

Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodząc się objawia swe własności falowe zachowując się jak każda fala, ulega interferencji, dyfrakcji, spełnia prawo odbicia i załamania. Rozchodzenie się fali w ośrodkach silnie zależy od ośrodków oraz częstotliwości fali. Fala rozchodząc się w ośrodku pobudza do drgań cząsteczki, atomy i elektrony zawarte w ośrodku, które są źródłami fal wtórnych, zmieniając tym samym warunki rozchodzenia się fali w stosunku do próżni. Powstawanie i pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego wiąże się ze zmianą ruchu ładunku elektrycznego. Własności promieniowania elektromagnetycznego silnie zależą od długości fali (częstotliwości promieniowania) i dlatego dokonano podziału promieniowania elektromagnetycznego ze względu na jego częstotliwość.

W widmie fal elektromagnetycznych można wyróżnić następujące zakresy:

a) Fale radiowe to promieniowanie elektromagnetyczne o największej długości fali , z przedziału od kilku milimetrów do setek kilometrów. Po raz pierwszy w sposób zamierzony zostały wytworzone przez Hertza. On również udowodnił, że mogą być przesyłane na duże odległości. Zakres fal radiowych dzieli się dodatkowo na fale krótkie, średnie i długie. Źródłem fal radiowych są specjalne anteny nadawcze. Fale te wykorzystuje się m.in. w radiofonii.

b) Mikrofale to fale z zakresu długości od 1 milimetra do 30 centymetrów. Źródłem promieniowania mikrofalowego mogą być klistrony i magnetrony. Natomiast do ich przesyłu stosuje się falowody. Mikrofale używane w radiolokacji to te o mniejszych długościach fal, od około 20 cm do 0.5 milimetra.

Poza tym mikrofale wykorzystywane są w telekomunikacji satelitarnej, medycynie a także powszechnie używanych kuchenkach mikrofalowych.

c) Podczerwień to promieniowanie o długościach fali od 760 nanometrów do 2000 mikrometrów. Zazwyczaj dzielone jest na trzy obszary: podczerwień bliską, średnia podczerwień i daleką podczerwień. Promieniowanie to jest emitowane przez wszystkie rozgrzane obiekty oraz przez lampy wyładowcze. Promieniowanie podczerwone jest odbierane przez narządy zmysłów jako ciepło. Fale z zakresu podczerwieni wykorzystywane są w wielu gałęziach nauki i przemysłu m.in. w analizach chemicznych. Powszechnie używa się tego promieniowania podczerwonemu urządzeniach zwanych noktowizorami.

d) Światło widzialne to zakres promieniowania elektromagnetycznego, które jest widzialne przez ludzki narząd wzroku. Są to fale z zakresu od 380 do 780 nanometrów. Zakres ten niekiedy nazywany jest zakresem tęczy, odpowiada bowiem kolorom od czerwieni przez pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski aż do fioletowego.

e) Ultrafiolet jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długościach krótszych niż światło widzialne. Są to fale z przedziału od 390 do 10 nanometrów. Fale dłuższe, do około 190 nanometrów to ultrafiolet bliski, a fale krótsze to ultrafiolet daleki. Promieniowanie UV emitowane przez Słońce to zarówno UV- A jak i UV -B. Jednak warstwa ozonowa pochłania prawie cały UV-B i do Ziemi dociera głównie ultrafiolet UVA.

Promieniowanie ultrafioletowe ma ważną własność. Może mianowicie powodować fluorescencję wielu ciał. Dlatego też z powodzeniem używa się go do wykrywania fałszywych banknotów czy w kryminalistyce przy oględzinach miejsc zbrodni. Znaczniki fluorescencyjne wykorzystuje się również do obserwowania metabolizmu niektórych substancji w organizmach.

f) Promieniowanie rentgenowskie to fale z zakresu 12 - 0.012 nanometrów. Promienie X o najmniejszych energiach nazywa się promieniami miękkimi, natomiast te o większej energii twardymi.

Promieniowanie rentgenowskie jest bardzo przenikliwe. Promienie X zostały odkryte przez Rontgena w roku 1895 i od tamtej pory są powszechnie wykorzystywane m.in. w medycynie i przemyśle.

Promieniowanie rentgenowskie powstaje podczas przejścia elektronu w atomie z wyższego poziomu energetycznego na niższy, w którym pozostała luka po wybitym elektronie.

g) Promieniowanie gamma obejmuje najkrótsze fale, z zakresu metra. Odpowiada to fotonom o energii od 10 MeV do 10 KeV. Zaliczane jest ono do promieniowania jonizującego. Może powstawać w reakcjach rozpadu jąder izotopów promieniotwórczych, w reakcjach syntezy jąder, a także w procesie anihilacji.

Emisja promieniowania gamma towarzyszy przejściu jądra pierwiastka promieniotwórczego ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii. Nie zachodzi przy tym zmiana składu jądra.

Promieniowanie gamma należy do najbardziej przenikliwego promieniowania. W przyrodzie jego źródłami są pierwiastki alfa bądź beta promieniotwórcze. Emisja kwantów gamma towarzyszy bowiem najczęściej innym przemianom jądrowym.

W przemyśle promieniowanie gamma wykorzystywane jest m.in. do badania metali i ich stopów w celu wykrycia ewentualnych defektów. Jest to tzw. defektoskopia.

2. Prawo odbicia i załamania światła.

Gdy promień światła pada na granicę pomiędzy dwiema różnymi ośrodkami materialnymi (np. powietrzem i szkłem) to może on ulec trzem różnym procesom: odbiciu, załamaniu przy wniknięciu wgłąb drugiego ośrodka lub pochłonięciu (absorpcji). Trzeba tu zaznaczyć, że absorpcja jest procesem który może zajść w każdym miejscu, nie tylko na granicy ośrodków. Prawa odbicia i załamania zostały sformułowane odpowiednio: w 1618 i 1621 roku przez holenderskiego astronoma, matematyka i fizyka - Snelliusa.

Promień odbity leży w płaszczyźnie padania, przy czym kąt odbicia jest równy kątowi padania.

Prawo załamania światła na granicy ośrodków, zwane zwyczajowo prawem Snelliusa, ma postać:

sin α₁/sin α₂ = n₂/n₁

gdzie: α₁ - kąt padania, α₂ - kąt załamania, n₁ - bezwzględny współczynnik załamania ośrodka, z którego padło

światło, n₂ - bezwzględny współczynnik załamania ośrodka, w którym nastąpiło załamanie.

Z powyższego wzoru widać, że jeśli jeden ośrodek jest gęstszy optycznie od drugiego (np. jeśli n₂ > n₁) to

sin α₁ > sin α₂, czyli w tym przypadku, kąt padania będzie większy od kąta załamania.

Promień załamany leży w płaszczyźnie padania. Gdy światło przechodzi z ośrodka optycznie rzadszego

do ośrodka optycznie gęstszego kąt załamania jest mniejszy niż kąt padania. W przypadku przechodzenia światła

z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka optycznie rzadszego kąt załamania jest większy od kąta padania.

Dla niewielkich kątów spełniony jest warunek tgα ≈ sinα . Ponieważ kąty padania i załamania są małe można zapisać:

z tego wynika

3.Zasada działania mikroskopu optycznego.

Mikroskop składa się z dwóch soczewek skupiających (układów soczewek) ustawionych w odległości większej niż suma ogniskowych zastosowanych soczewek. Mikroskop posiada bardzo małe pole widzenia, przez co zapewnia potrzebny w wielu przypadkach warunek małych kątów. Pierwsza soczewka (obiektyw) daje obraz

rzeczywisty, odwrócony i powiększony. Oglądany przedmiot umieszcza się przed obiektywem w odległości nieco większej niż jego ogniskowa f₁. Druga soczewka (okular) działa jak lupa i daje obraz urojony powiększony i prosty.

II Przebieg ćwiczenia:

1. Przygotować mikroskop do pomiarów ustawiając równo oświetlone pole widzenia.

2. Wybrać dwie płytki płasko-równoległe z różnych materiałów o większej grubości i starannie oczyścić.

3. Śrubą mikrometryczną zmierzyć grubość płytek d. Pomiary powtórzyć 10 razy dla każdej płytki (mierząc w różnych miejscach w okolicy skrzyżowania linii).

4. Ustawić płytkę na stoliku mikroskopu. Pokręcając śrubą przesuwu pionowego ustawić mikroskop tak, aby widoczna była ostro kreska narysowana na górnej powierzchni płytki. Uwaga: ostrość należy dokładnie ustawić na powierzchnię na której znajduje się kreska.

5. Kręcąc śrubą znajdującą się na stopce czujnika dołączonego do mikroskopu ustawić wskazanie w okolicy 1mm i odczytać wskazanie czujnika.

6. Obniżyć obiektyw (podnieść stolik!) tak, aby otrzymać ostry obraz kreski znajdującej się na dolnej powierzchni płytki (uwaga: ostrość należy dokładnie ustawić na powierzchnię, na której znajduje się kreska).

7. Odczytać wskazanie czujnika. Pomiary powtórzyć dziesięciokrotnie.

8. Powtórzyć pomiary omawiane w punktach 4 ÷ 7 kolejnych płytek.

Przyjęte zostały następujące oznaczenia:

d - grubości płytek zmierzone przy pomocy śruby mikrometrycznej,

- średnie wartości grubości tych płytek,

d_1, d₂ - wartości grubości płytek zmierzone przy pomocy mikroskopu ze wskazań czujnika,

d' - wartości pozornej grubości płytek równa różnicy wskazań czujnika.

- średnie wartości pozornej grubości płytek zmierzone przy pomocy mikroskopu.

Wyniki pomiarów i obliczeń umieszczono w tabeli.

III Obliczenia

1.Obliczenie średniej grubości płytek oraz ich niepewności standardowe typu A:

n = 10

Pleksa:

Szkło:

Pleksa:

Szkło:

Pleksa:

Szkło:

Pleksa:

Szkło:

2.Obliczenie niepewności standardowej typu B wynikającej z dokładności śruby mikrometrycznej i czujnika zegarowego.

=0,01mm
=0,01mm

3.Obliczenie współczynnika załamania światła.

Dla pleksy:

Dla szkła:

4.Korzystając z prawa przenoszenia niepewności obliczenie niepewności u(n).

Pleksa:

Szkło:

IV Wnioski

Metoda wyznaczania współczynnika załamania światła przy pomocy mikroskopu oparta jest na obserwacji równoległego przesunięcia wiązki światła po przejściu przez płasko-równoległą płytkę. Pomiary wykonane przez nas mogły być niedokładne ze względu na subiektywizm obserwacji. Każdy z nas inaczej mógł postrzegać dane wyniki pomiarów, czego skutkiem mogła być rozbieżność i różnorodność wyników. Jednak pomimo błędów udało się nam obliczyć względny współczynnik załamania światła i wyniósł on dla pleksy: 1,56
0,13 i dla szkła: 1,281
0,089.

---