Imię i nazwisko	Ćwiczenie nr 19 Wyznaczanie współczynnika załamania światła metodą interferometryczną
Kierunek i rok Fizyka I Mag. Uzup.	Ocena z odpowiedzi	Ocena ze sprawozdania	Ocena końcowa
Prowadzący ćwiczenia

I. WSTĘP TEORETYCZNY

1. Oddziaływanie światła z materią

Oddziaływanie światła (rozumianego tu jako strumień fotonów) z materią (czyli zbiorem atomów lub cząsteczek) opisujemy przy pomocy następujących procesów:

        emisji spontanicznej, w wyniku której foton emitowany jest samorzutnie przez wzbudzony atom,

        emisji wymuszonej, w wyniku której foton oddziałujący ze wzbudzonym atomem wymusza emisję identycznego fotonu przez ten atom,

        absorpcji, w wyniku której foton zostaje pochłonięty przez atom, a ten przechodzi w stan wzbudzony.

Emisja spontaniczna zachodzi wtedy, gdy elektrony znajdujące się na poziomach wzbudzonych w sposób spontaniczny wracają na niższe poziomy energetyczne, emitując przy tym fotony.

Emisja wymuszona zachodzi, gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii, więc i częstotliwości.

Aby światło było absorbowane przez materię energia fotonów musi odpowiadać różnicy energii poziomów energetycznych w atomach lub cząsteczkach, z którymi oddziałuje (energia fotonów jest bezpośrednio związana z długością fali światła lub, inaczej mówiąc, z jego barwą). Wykorzystuje się to do identyfikacji nieznanych substancji, poprzez badanie absorpcji światła o różnych długościach fali w próbkach tych substancji - jest to tzw. absorpcyjna analiza spektroskopowa. 

O tym jak silnie światło jest absorbowane przez ośrodek, decydują dwa czynniki:

1. Własności materii, czyli to „jak chętnie” atomy lub cząsteczki absorbują światło,

2. Ilość materii absorbującej światło.

2. Interferencja i dyfrakcja światła.

Używając silnych punktowych źródeł światła możemy zaobserwować dyfrakcję fal świetlnych przechodzących przez niewielkie otwory. Dyfrakcja światła (ugięcie światła)polega na odchyleniu od prostoliniowego rozchodzenia się światła w pobliżu ciał nie przezroczystych. Na ekranie umieszczonym za przeszkodą uginającą światło obserwuje się - zamiast ostrej granicy światła i cienia - układ prążków dyfrakcyjnych (linie jednakowego natężenia oświetlenia) w postaci ciemnych i jasnych prążków.

Dyfrakcja światła jest wynikiem falowej natury światła. Kształt otrzymanych obrazów dyfrakcyjnych oraz rozkład maksimów i minimów oświetlenia można wyjaśnić na podstawie zasady Huyghensa i zjawiska interferencji. Zasada Huyghensa opiera się na założeniu, że każdy punkt ośrodka, do którego dochodzi czoło fali, staje się źródłem wtórnych fal elementarnych. Falę świetlną rozchodzącą się za płaszczyzną przeszkody traktujemy jako superpozycję kulistych fal wtórnych, wysyłanych przez różne punkty płaszczyzny przeszkody. Fale wtórne pobudzone przez jeden określony ciąg falowy są ze sobą spójne i mogą interferować.

Interferencja fal nazywamy zjawisko nakładania się fal, w których zachodzi stabilne w czasie ich wzajemne wzmocnienie w jednych punktach przestrzeni, oraz osłabienie w innych, w zależności od stosunków fazowych fal. Interferować mogą tylko fale spójne, dla których odpowiadające im drgania zachodzą wzdłuż tego samego lub podobnych kierunków.

Rys. Zjawisko dyfrakcji i interferencji fali.

3. Równanie Clausiusa- Massottiego.

.

Polaryzowalność na mol wyrażam wzorem:

(1)

M - masa drobinowa

Wektor polaryzacji jest związany z polaryzowalnością równaniem:

N - polaryzowalność na jednostkę objętości

Z czego otrzymujemy:

lub:

(2)

Na podstawie 1 i 2 otrzymujemy RÓWNANIE CLAUSIUSA-MOSSATTIEGO

Prawą stronę równania nazywamy refrakcją molową i oznaczamy R.

Z równiania Clausiusa-Mossattiego wynika, że refrakcja molarna jest wielkością stałą z pominięciem oddziaływania otoczenia na drobiny dielektryka.

4. Refrakcja

Refrakcja fali to zjawisko zmiany kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków, w których dana fala rozchodzi się z różnymi prędkościami. Kierunki rozchodzenia się fali załamanej i padającej zawarte są w jednej płaszczyźnie, spełnione jest także prawo Snelliusa.

Prawo Snelliusa - prawo optyki geometrycznej opisujące zjawisko załamania światła. Brzmi ono następująco: stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest dla dwóch danych ośrodków wielkością stałą, równą stosunkowi szybkości światła w tych dwóch ośrodkach i nazywa się współczynnikiem załamania ośrodka drugiego względem pierwszego :

n = sin α / sin β = v₁ / v₂

gdzie: n - współczynnik względny załamania,

α - kąt padania,

β - kąt załamania,

v₁ - prędkość fali w ośrodku I,

v₂ - prędkość fali w ośrodku II.

5. Interferometry.

Interferometr jest najbardziej precyzyjnym znanym obecnie urządzeniem do mierzenia odległości. Wykorzystuje on efekt interferencji światła do mierzenia odległości z dokładnością do pojedynczej długości fali. Promień odniesienia oraz promień pomiarowy przebiegają różne drogi w przestrzeni. Jedna wiązka porusza się po drodze o znanej długości, druga po drodze mierzonej. Obydwa promienie podlegają interferencji zaś odczytanie rozkładu prążków interferencyjnych pozwala określić różnicę długości w przebiegu promieni. W praktyce tak dokonany pomiar pokazuje różnice dróg optycznych, na którą składa się nie tylko różnica geometryczna długości dróg, ale która także zależy od własności optycznych ośrodka, przez który przebiegają promienie

Typowymi interferometrami są: interferometry Fabry'ego-Perota, Jamina, Macha-Zehndera, Michelsona, Rayleigha, Twymana-Greena.

Interferometr Michelsona posiada dwa prostopadłe do siebie ramiona. Światło ze źródła S wpada do wnętrza układu i w centralnej części rozdziela się na dwie wiązki na półprzepuszczalnym zwierciadle P. Na końcu obu ramion znajdują się zwierciadła Z₁ i Z₂ które zawracają bieg promieni. Zwierciadło Z₂ dodatkowo jest ruchome i za jego pomocą zmienia się drogę optyczną jednej z wiązek. Po odbiciu dwie wiązki padają ponownie na półprzepuszczalne zwierciadło gdzie biegną już w jednym kierunku (do obserwatora O) i interferują ze sobą.

Interferometr Michelsona ( należy do grupy interferometrów dwuwiązkowych).

6. Interferometr laboratoryjny LI - 3.

Interferometr Rayleigha, refraktometr interferencyjny, rodzaj interferometru optycznego służący do bardzo precyzyjnego pomiaru różnicy współczynnika załamania światła dwóch ośrodków.

Zbudowany jest ze źródła światła, obiektywu, diafragmy z dwiema szczelinami dyfrakcyjnymi (dyfrakcja fal), dwóch naczyń wypełnionych wzorcową i badaną substancją oraz lunetki z okularem cylindrycznym. Wychodząc ze źródła światła wiązka światła oświetla przez kondensator szczelinę i po przejściu przez obiektyw kolimatora biegnie równolegle. Ugięcie światła następuje na brzegach podwójnej przesłony, znajdującej się tuż za obiektywem. Dolna część wiązek światła przechodząca poniżej kuwety szklanej zostaje wprowadzona do lunety. Wiązki te wytwarzają w okularze stały układ prążków interferencyjnych. Górna wiązka światła przedostaje się do przez kuwety i płytki kompensacyjne również do lunety, dając w okularze górny, ruchomy układ prążków. Prążki interferencyjne obserwuje się przez lupę.

Ponieważ soczewka powiększa obraz horyzontalnie, używa się światła o dużym natężeniu w celu uzyskania dobrej widoczności podziału linii poziomej.

---