A14 4 Optiske egenskaber

Transkript

1 A4 4 Optiske egeskaber Brydigsideks Når lys træffer e græseflade mellem to materialer, kastes oget af lyset tilbage (refleksio), mes oget går igeem græseflade med foradret retig (brydig eller refraktio). Fig. A4.7 viser dette for et tog af plae bølger, hvor midterstråle er særligt fremhævet. Hvis lyshastighede i de to materialer og er hhv. c og c, fås som følge af impulsbevarelse he over græseflade, at si i si b c = = = (A4.9) c c / c c / c hvor i og b er hhv. idfalds- og brydigsvikle, og c er lyshastigede i vakuum. De to kostater og kaldes materialeres brydigsorhold eller brydigsideks. Ligig (A4.9) kaldes Sell s lov. Fig. A4.7. Refleksio og brydig af lysstråle i e pla græseflade mellem to geemsigtige stoffer og. i = idfaldsvikel, b = brydigsvikel. Strålegage er vist for >. Uder avedelse af liser er stoffet meget ofte atmosfærisk luft ved stadardbetigelsere, hvor,0003, mes det trasparete materiale er glas, som har,5. Det er derfor glassets brydigsforhold, som har de væsetlige betydig. For mage formål er det tilstrækkeligt at rege =, og =, således at Sell s lov ka skrives

2 si i = si b (A4.0) Brydigsforholdet afhæger af lysets farve, idet i almidelighed aftager med voksede bølgelægde, λ, fra violet (λ 400 m) mod rødt (λ 700 m) som vist på fig. A4.8. Hvis det idsedte lys er hvidt lys, vil de afbøjede stråle derfor være spredt ud i farver over et lille vikelområde som vist på fig. A4.9. Dette fæome kaldes farvespredig eller dispersio. Kvatitativt defieres stoffets dispersio, d, ved F C d = (A4.) D hvor F, C og D er brydigsforholdee for de blå farve (λ 486 m), de røde (λ 656 m) og de gule (λ 589 m). Fig. A4.8.Dispersioskurve for e almidelig glassort (kroglas).

3 Fig. A4.9. Farvespredig eller dispersio. Optiske materialer til viduer, prismer og liser består traditioelt af glas. Hovedgruppere er kroglas, som er e hård glastype med lavt brydigsideks (,5) og flitglas, som er blødere med højt brydigsideks (,75). Nogle polymerer, især polystyrol og polymethyl-methacrylat (plexiglas) eger sig til optiske kompoeter. Fordele ved plasticoptik er, at komplicerede kompoeter som asfæriske liser, flueøjeobjektiver mv., ka fremstilles billigt. Edvidere vejer plasticoptik betydeligt midre ed tilsvarede glasoptik og fider derfor avedelse fx som brilleglas. Ulempe ved plasticoptik er, at materialere har rigere hårdhed ed glas. Materialeres større varmeudvidelseskoefficiet ka også volde problemer i præcisiosoptik. Refleksio Ved refleksio af et strålebudt i e overflade af et geemsigtigt legeme (dielektrikum) gælder for vikelret idfald (i = 0) I R = I = r i= (A4.) hvor I r er de reflekterede itesitet, og I 0 er de idfaldede itesitet, og R kaldes refleksioskoefficiete. For glas med =,5 fås heraf R = 0,04, dvs. 4%. For optiske istrumeter med mage liser, prismer eller viduer ka refleksio ved glasoverfladere summeres op til betydelige tab af lysitesitet. Som forholdsregel ka ma pålægge atirefleksioslag af et passede materiale. Sådae lag skal have e tykkelse, der svarer til ¼ lysbølgelægde. Hvis >, vil der være idfaldsvikler i, hvor si i >. Brydigslove [lig. A4.9] ka da ikke være opfyldt, og hele de idfaldede itesitet vil reflekteres. Dette fæome, som kaldes 3

4 totalrefleksio, fider sted i et vikelområde i i c, hvor de kritiske idfaldsvikel er givet ved si = (A4.3) ( ) i c > Ved overgage mellem glas (,5) og luft ( = ) bliver i c 4. Totalrefleksio beyttes i modere lysledere (optiske fibre), som er tyde glastråde (diameter ca. 00 μm) omgivet af et medium med brydigsideks, som er midre ed glastrådes (fig. A4.0). Lyset, som sedes id for ede af ledere, ka ikke slippe ud geem sidere på grud af totalrefleksio. Glasoverflade er meget sårbar, idet ridser vil bevirke, at lyset ka slippe ud. Derfor beskyttes glaskere med e kappe af plastic eller glas, hvis brydigsideks er midre ed keres. Da lys har e væsetligt højere frekves ed de elektromagetiske bølger, som ma traditioelt beytter til telekommuikatio, ka ma overføre meget større iformatiosmægder i e lysleder ed i e almidelig elektrisk ledig. Fig. A4.0. Totalrefleksio i lysleder med >. Refleksio fra blake metaloverflader er af e ade karakter ed de lige omtalte refleksio fra geemsigtige legemers overflade. Gode metalspejle reflekterer 90% eller mere af det idfaldede lys for alle refleksiosvikler. * Metalglas er etop e af metalleres mest karakteristiske egeskaber. Hvide metaller reflekterer alle farver lige godt, medes adre metaller som guld og kobber reflekterer vise farver mere ed adre. Metalleres stærke refleksio hæger samme med deres kraftige absorptio. Således er lysets idtrægigsdybde i et metal ku e brøkdel af lysets bølgelægde. Som følge heraf er ma ødt til at rege med to materialeparametre, emlig brydigsideks og absorptioskoefficiete α [lig. A4.4]. I stedet for sidstævte para- * Det bemærkes, at refleksioseve for alle metaller falder kraftigt i det ultraviolette område. 4

5 meter agiver ma ofte de dimesiosløse såkaldte ekstiktioskoefficiet, κ: λα κ = (A4.4) 4π I de såkaldte komplekse otatio til beskrivelse af lyset som e elektromagetisk bølge beytter ma e kompleks brydigsideks, ~ : ~ = ( i κ ) (A4.5) Ligig (A4.) for refleksio ved vikelret idfald ka u geeraliseres således, at de også gælder for e metallisk overflade: ( iκ ) ( ) + κ R = = (A4.6) ( iκ ) + ( + ) + κ Eksempel A4.. For sølv gælder, at =0,77 og κ= 0,55 (λ=589 m). Idsætig i lig. (A4.6) viser, at refleksioskoefficiete er 95%. Eksempel A4.. For stål gælder, at =,485 og κ=,38 (λ=589 m). Idsætig i lig. (A4.6) viser, at refleksioskoefficiete er 58%. Metalleres høje refleksioseve, lige som deres gode elektriske og termiske ledigseve, skyldes de letbevægelige valeselektroer. Teoretisk ka disse elektroiske egeskaber beskrives ved hjælp af de kvatemekaiske bådmodel og bådteori for faste stoffer [afs. A4..]. 5