آیا این آب خالص است؟

بدست آوردن ضریب شکست محیط با استفاده زاویه بروستر

مقدمه:

هرگاه پرتویی به مرز مشترک دو محیط با ضریب شکست‌های متفاوت فرود می‌آید، 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. بنا‌بر نتایج ‌تجربی که بر نظریه­ 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 زاویه­ بروستر بر یک محیط دی‌الکتریک فرود آید، سیستم برای قطبش TM به عنوان عبورکننده 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 می‌شود ولی بازتاب به طور کامل حذف نمی‌شود 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 بروستر بوده وn2 , n1  به ترتیب ضرایب شکست محیط­های اول و دوم می‌باشند. از آنجا که این زاویه به ضریب شکست دو محیط بستگی دارد، از این روش می‌توان برای اندازه‌گیری ضریب شکست محیط مجهول استفاده کرد. البته به خاطر 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 می‌نماید. 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 می‌تابد به شکل زیر است:

tan (iB)= n

که در آن n ضریب شکست محیط است.

 

چه کاری می‌خواهیم انجام دهیم و به چه لوازمی نیاز داریم:

برای حذف بازتاب پرتو TM از یک تیغه شفاف و محاسبه ضریب شکست تیغه با استفاده از زاویه بروستر، به اقلام زیر نیاز داریم:

 

برای انجام علمی‌تر آزمایش و  افزایش دقت، این روش‌ها به شما کمک می‌کند:

  • 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 قطبیدگیTM ایجاد شود. در این حالت میدان الکتریکی نور بر سطح تیغه عمود است. همچنین 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 به صورت 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 جایی که 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 می‌رسد 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 tanθ=n می­توانید ضریب شکست تیغه را بدست آورید. در این جا n ضریب شکست تیغه می‌باشد.

کاربرد:

  • از پنجره بروستر در ساخت موجبرها و لیزرها استفاده می‌شود.

همچنین شما می‌توانید باریکه لیزر را به سطح آب بتابانید و زاویه تابش را روی 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 تغییر دیگری ایجاد نشده باشد.

 

سؤال، پیشنهاد و نکته:

  • اگر این آزمایش را در محیطی غیر از هوا انجام دهیم، زاویه بروستر تغییر می‌کند.
  • می‌توانید درباره کاربردهای دیگر این پدیده فکر کنید.
  • اگر تغییری در نور خروجی ایجاد شد، می‌تواند به خاطر 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 می‌توانید آن را بررسی کنید و یا حسگری برای آن منظور طراحی کنید.

 

آزمایش‌های مرتبط:

 

بیشتر بدانید:

ارتباط با بخش

از متخصص نور بپرس

در این بخش می توانید سؤالات خود را در رابطه با نور و لیزر بپرسید تا متخصصین به آن‌ها پاسخ دهند

لینک ارتباط مستقیم با