آیا این آب خالص است؟
بدست آوردن ضریب شکست محیط با استفاده زاویه ی بروستر
مقدمه:
هر گاه پرتوی به مرز مشترک دو محیط با ضریب شکست های متفاوت فرود می آید، بسته به ویژگیهای اپتیکی محیط دوم، قسمتی از پرتو عبوری در این محیط جذب شده و مابقی آن از مرز مشترک دو محیط بازتاب مینماید که سهم بازتابیده به زاویه تابش و نیز قطبش نور فرودی بستگی دارد. بنا بر نتایج تجربی که بر نظریهی الکترومغناطیس نیز منطبق است، در حالتی که پرتو فرودی قطبش TM داشته باشد (یعنی میدان الکتریکی آن عمود بر صفحه تابش باشد) شدت پرتو بازتابی در یک زاویه خاص که بروستر نامیده میشود، همواره صفر میگردد. البته در مورد سایر انواع قطبش از جمله قطبش TE (یعنی قطبش آن موازی سطح بازتابنده باشد) همواره ضریب بازتاب غیر صفر میباشد بنابراین روشن است که اگر پرتو نور تحت زاویهی بروستر بر یک محیط دی الکتریک فرود آید، سیستم برای قطبش TM به عنوان عبور کننده عمل می‌کند و هیچ انعکاسی از مرز نخواهیم داشت در نتیجه نور بازتابیده دارای قطبش خطی TE خواهد بود بنابراین روش بازتاب تحت زاویه بروستر برای تولید موج الکترومغناطیسی عرضی به کار میرود. . جالب است که بدانید حذف بازتاب در زاویه بروستر از هر سطح صیقلی ممکن است و لزومی ندارد که سطح حتما شفاف باشد. این پدیده در سطوح فلزی نیز دیده می شود ولی بازتاب بطور کامل حذف نمی شود و ضریب شکست نیز در اینجا معنایی ندارد.
مقدار عددی زاویه بروستر از رابطه زیر قابل محاسبه است:
Tan (iB )= n2/n1
که در آن iB زاویه ی بروستر بوده وn2 , n1 به ترتیب ضرایب شکست محیطهای اول و دوم می باشند. از آنجا که این زاویه به ضریب شکست دو محیط بستگی دارد، از این روش می توان برای اندازه گیری ضریب شکست محیط مجهول استفاده کرد. البته بخاطر وجود پاشندگی محیطها که در آنها ضریب شکست وابسته به طول موج نور است این زاویه تابعی از طول موج است، با این حال این تغییر طول موجی در ناحیه نور مرئی بسیار کم است.
هدف:
در شرایط خاصی از عبور نور قطبیده از یک محیط به محیط دیگر، اگر تابش تحت زاویه بروستر باشد ،هیچ بازتابی دیده نشده و تمام نور از محیط دوم عبور می نماید. در این آزمایش قصد داریم با استفاده از زاویه بروستر، ضریب شکست یک تیغه با جنس نامعلوم را بدست آوریم. رابطه زاویه بروستر و ضریب شکست برای جسمی که نور از هوا به آن می تابد به شکل زیر است:
Tan (iB )= n
که در آن n ضریب شکست محیط است.
چه می خواهیم انجام دهیم و به چی نیاز داریم:
برای حذف انعکاس پرتو TM از یک تیغه شفاف و محاسبه ضریب شکست تیغه با استفاده از زاویه بروستر، به اقلام زیر نیاز داریم:
– قطبشگر
– تیغه شفاف غیر فلزی
– منبع نور سفید یا لیزر
برای انجام علمی تر آزمایش و افزایش دقت این روشها به شما کمک می کند:
– موازی کردن باریکه لیزر با سطح میز
آزمایش:
– یک قطبشگر را به شکلی در مسیر پرتو منبع سفید قرار دهید که محور انتقال آن به صورت افقی بوده و به عبارت دیگر پرتوی با قطبیدگی TM ایجاد شود. در این حالت میدان الکتریکی نور بر سطح تیغه عمود است.هم چنین برای انجام این آزمایش میتوانید از لیزر استفاده کنید. فقط دقت داشته باشید که قطبش باریکه لیزر نیز TM باشد. برای این منظور میتوانید کمی پیچ جلوی لیزر را بچرخانید تا باریکه لیزر گسترده شود. سپس لیزر را به قدری بچرخانید که باریکه لیزر را بر روی پرده بصورت عمودی مشاهده کنید. -حال تیغه را طوری قرار دهید که نور تابیده و بازتابیده روی یک خط قرار بگیرند (تابش عمود).
– سپس تیغه را به آرامی بچرخانید تا نور بازتابی از آن روی پرده بیافتد.
– تیغه را باز هم بچرخانید تا جاییکه در یک زاویه خاص، نور بازتابی از روی پرده حذف شود. این زاویه، زاویه بروستر برای تیغه مورد استفاده در این آزمایش است. البته اگر از لیزر استفاده کنید، شدت پرتو بازتابی در زاویه بروستر به حداقل می رسد اما کاملا حذف نمیشود چون باریکه لیزر کاملا قطبیده نیست. برای دستیابی به قطبش کامل میتوانید یک قطبشگر در مسیر باریکه لیزر قرار دهید.
حال با استفاده از رابطه بروستر tan θ=n میتوانید ضریب شکست تیغه را بدست آورید. در این جا n ضریب شکست تیغه می باشد.
به چه کار می آید:
-از پنجره بروستر در ساخت موجبرها و لیزرها استفاده میشود.
همچنین شما می توانید باریکه لیزر را به سطح آب بتابانید و زاویه تابش را زاویه بروستر تنظیم کنید و بازتابش را به صفر برسانید. حال اگر نوری از سطح بازتاب کرد به معنای آن است که تغییری در ضریب شکست ایجاد شده است. البته به شرطی که هیچ تغییرا دیگری ایجاد نشده باشد.
سؤال، پیشنهاد ونکته:
-اگر این آزمایش را در محیطی غیر از هوا انجام دهیم، زاویه بروستر تغییر می کند.
– می توانید درباره کاربردهای دیگر این پدیده فکر کنید.
– اگر تغییری در نور خروجی ایجاد شد می تواند بخاطر تغییر در ضریب شکست محیط بازتابنده، تغییر در ضریب شکست محیط اطراف و یا تغییر در قطبش نور تابیده یا تغییر در زاویه تابش باشد که بر اساس متغیر نگه داشتن فقط یکی از این عوامل می توانید آن را بررسی کنید و یا حسگری برای آن منظور طراحی کنید.
آزمایشهای مرتبط:
بیشتر بدانید:
زاویه بروستر – قطبش – حسگرهای نوری