что это такое, формулы, таблица

Показатель преломления — это безразмерная физическая величина, характеризующая отличие фазовых скоростей света в двух средах.

Более подробно о показателе преломления и о том, как его рассчитать, вы узнаете из данной статьи.

Простое объяснение.

Наблюдайте за ходом светового луча из одной среды, например воздуха, в другую среду, например воду. Это можно сделать, например, глядя снизу на поверхность воды над собой при нырянии в бассейне. Если вы это сделаете, то увидите изменение направления луча при переходе из одной среды в другую. Это изменение направления также называется преломлением света. Вы всегда можете наблюдать это в средах с различными показателями преломления.

Показатель преломления — это свойство оптического материала. Это отношение длины волны света в вакууме c₀ к длине волны света в среде c_M, то есть n = c₀ / c_M .

Показатель преломления является безразмерным числом и зависит от частоты света. Поскольку показатель преломления зависит от частоты волны (света), мы также говорим о дисперсии. Если две среды имеют разные показатели преломления, вы наблюдаете преломление и отражение света на их границах. Среда с более высоким показателем преломления имеет более высокую оптическую плотность.

Рис. 1. Преломление света на границе раздела двух сред с разными показателями преломления

Другими терминами для обозначения показателя преломления являются также индекс преломления или оптическая плотность.

Закон преломления Снеллиуса

Закон преломления Снеллиуса гласит, что луч света преломляется, когда попадает в среду с другой оптической плотностью. Причиной преломления является изменение зависящей от материала фазовой скорости, которая входит в закон преломления как показатель преломления. Закон преломления — это зависимость между углом падения θ₁ и углом отражения θ₂ преломленного света.

n1 * sin θ₁ = n2 * sin θ₂

В этой формуле n₁ и n₂ означают показатели преломления двух сред.

Рис. 2. Преломление или отражение в соответствии с законом преломления на границе раздела двух сред, отличающихся показателями преломления

Вещества с показателем преломления

Оптическая плотность вакуума определяется как 1. В видимом спектре показатели преломления прозрачных или слабо поглощающих материалов больше 1. Для электропроводящих и сильно поглощающих сред преобладают другие физические свойства. Хотя их показатели преломления находятся между 0 и 1, эти значения следует интерпретировать по-разному. В этих средах в комплексном показателе преломления преобладает мнимая часть.

Кроме того, каждое вещество имеет диапазон длин волн, в котором действительная часть показателя преломления меньше 1, но все еще положительна. Здесь оптическая плотность для малых длин волн всегда меньше 1 и приближается к 1 снизу по мере уменьшения длины волны.

Показатель преломления воздуха

Значение показателя преломления воздуха можно найти в таблице 1 ниже. Он зависит от плотности и температуры, а также от состава воздуха. В частности, влажность воздуха оказывает большое влияние на его коэффициент преломления. Согласно формуле барометрической высоты, давление воздуха экспоненциально уменьшается на больших высотах. На высоте 8 километров коэффициент преломления воздуха составляет всего 1,00011.

Показатель преломления воды

Для показателя преломления воды действуют те же принципы, что и для воздуха. На больших глубинах давление и температура выше, что влияет на преломление света. Но вы также можете легко убедиться в этом, наполнив стакан холодной воды горячей. Вы увидите, что горячая вода менее прозрачна, чем холодная. Поэтому оптическая плотность выше при использовании более горячей воды.

Таблица показателей преломления

В следующей таблице представлен обзор некоторых наиболее важных показателей преломления.

Среда	Показатель преломления
Воздух	1,000292
Вода (жидкость, 20°C)	1,3330
Стекло	1. 45 — 2.14
Этанол	1,3614

Таблица 1. Показатели преломления для некоторых сред

Комплексный показатель преломления

Если вы посмотрите на электромагнитную волну и рассмотрите ее поглощение в среде, то обнаружите, что можно также объединить классический показатель преломления и затухание волны в комплексный показатель преломления. Для этого существуют различные, эквивалентные представления:

• Сумма действительной части с мнимой частью комплексного числа: n = n_r + i * n_i , где i — мнимая единица
• Разница между действительной и мнимой частями комплексного числа: n = n_r — i*k
• Произведение действительного показателя преломления на комплексное число: n = n * ( 1 — i * k).

Знак минус, используемый в некоторых представлениях, гарантирует, что мнимая часть получит положительный знак в случае поглощающих сред. Эта мнимая часть называется коэффициентом молярной экстинкции. Переменная κ называется показателем поглощения. Это мнимая часть, деленная на показатель преломления n.

Как действительная, так и мнимая части оптической плотности зависят от частоты.

Диэлектрическая проницаемость и проницаемость

Комплексный показатель преломления связан с проницаемостью ε_r (способность к поляризации) и проницаемостью μ_r (способность к намагничиванию): n = ε_r * μ_r .

Все величины являются комплекснозначными и зависят от частоты. В случае немагнитных сред, μ_r ≈ 1. Таким образом, вы формируете комплексный показатель преломления непосредственно из действительной и мнимой частей ( ε₁, ε₂ ) проницаемости.

n ≈ ε_r = ε₁ + i * ε₂

Сравнение с комплексным показателем преломления представления суммы и разности позволяет вычислить n и k, соответственно.

Атомы с показателем преломления

Показатель преломления кристаллических веществ напрямую зависит от их атомной структуры. Кристаллическая решетка твердого тела влияет на его полосовую структуру и, следовательно, на его преломляющее поведение.

Частично кристаллические материалы также демонстрируют корреляцию между плотностью и оптической плотностью. Однако эта зависимость, как правило, не является линейной.

Применение показателя преломления

Показатель преломления является наиболее важным параметром для оптических линз. Оптический расчет, используемый для проектирования оптических приборов, основан на сочетании различных преломляющих линз с подходящими стеклами.

В химии и фармации различные вещества характеризуются оптической плотностью при определенных температурах. Кроме того, определяя коэффициент преломления, вы узнаете содержание определенного вещества в растворе.

Список использованной литературы

1. Тихомирова С. А., Яворский Б. М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И. Физика 10 класс. – М.: Мнемозина, 2014.
3. Савельев, И. В. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. // Курс общей физики: Учеб. пособие.. — М.: «Наука», 1988. — Т. 2. — 496 с.

Введение в дистанционное зондирование

Дистанционное зондирование основывается на измерении отражённого или испущенного
излучения от разлучных тел. Тела с различными поверхностями отражают или поглощают солнечное излучение по-разному. Отражающие
свойства объекта зависят от конкретного материала и его физического и
химического состояния (например, влажности), неровностей поверхности и
геометрических обстоятельств (например, угол падения солнечного света). Наиболее важные
особенности поверхности — цвет, структура и
текстура поверхности.

Эти различия позволяют идентифицировать различные особенности или материалы на поверхности Земли
путём анализа их особенностей спектра отражения
или спектральных профилей волны. Эти профили могут быть визуализированы в качестве
т.н. спектральных кривых отражения как функции длины волны. График справа демонстрирует типичные спектральные кривые отражения для трёх
основных типов земной поверхности: зелёная растительность, сухая голая земля и открытая вода.

Спектральная кривая отражения здоровой зелёной растительности имеет существенный
минимум отражения в видимой части электромагнитного спектра из-за пигментов
в листьях растений. Отражение сильно увеличивается в ближнем
инфракрасном диапазоне. Вялая растительность также может быть обнаружена, потому что вялая растительность существенно меньше
отражает в инфракрасном диапазоне.

Роль хлорофилла↓
↑

Дальнейшая информация о характерных спектральных особенностях растительности в разделе Дистанционное зондирование и GIS в сельском хозяйстве.

Спектральная кривая отражения голой земли меняется гораздо меньше.
На кривую отражения влияет влажность, текстура почвы,
неровность поверхности, наличие оксида железа и органики.
Эти факторы менее влиятельны, чем характерные особенности поглощения в спектре отражения растительности.

Характерные спектральные особенности почвы, растительности и воды и спектральные диапазоны LANDSAT 7.

Источник: Siegmund, Menz 2005 with modifications

Для водяной кривой характерно сильное поглощение в
ближнем инфракрасном диапазоне и далее. Из-за этого поглощения
водоёмы и содержащие воду детали могут быть легко идентефицированы, обнаружены и выделены
с помощью данных дистанционного зондирования. Мутная
вода имеет больший коэффициент отражения в видимой области, чем чистая. Это также верно для водоёмов с высокой концентраицей хлорофилла.

Такие характерные особенности отражения используются для обнаружения колоний водорослей и
загрязнений, таких как разливы нефти или промышленные стоки (дальнейшая информация об отражениях в воде в разделе Цвет океана в прибрежных зонах).

Введение в дистанционное зондирование

Дистанционное зондирование основано на измерении отраженных или излучаемых
излучения различных тел. Предметы, имеющие разные характеристики поверхности, по-разному отражают или поглощают солнечное излучение. Отражательная способность
свойства объекта зависят от конкретного материала и его физических
и химическое состояние (например, влажность), шероховатость поверхности, а также
геометрические обстоятельства (например, угол падения солнечного света). Самое важное
особенности поверхности цвет , структура и поверхность
текстуры .

Эти различия позволяют идентифицировать различные типы заземления.
особенности поверхности или материалы путем анализа их спектральной отражательной способности
паттерны или спектральные характеристики . Эти подписи можно визуализировать в
так называемые кривые спектральной отражательной способности в зависимости от длины волны. На рисунке в правом столбце показаны типичные спектральные кривые отражения трех
основные типы особенностей Земли: зеленая растительность, сухая голая почва и чистая вода.

Спектральная кривая отражения здоровой зеленой растительности имеет значительное
минимальное отражение в видимой части электромагнитного спектра, обусловленное пигментами
в листьях растений. Отражательная способность резко возрастает в ближней
инфракрасный. Стрессовая растительность также может быть обнаружена, потому что стрессовая растительность имеет значительно более низкую
отражение в инфракрасном диапазоне.

Роль хлорофилла ↓
↑

Дополнительные сведения о спектральных характеристиках растительности можно найти в учебном пособии «Дистанционное зондирование и ГИС в сельском хозяйстве».

Спектральная кривая отражения голой почвы значительно менее изменчива.
Кривая отражения зависит от содержания влаги, текстуры почвы,
шероховатость поверхности, наличие оксида железа и органического вещества.
Эти факторы менее доминируют, чем характеристики поглощения, наблюдаемые в спектрах отражения растительности.

Спектральные характеристики почвы, растительности и воды, а также спектральные полосы LANDSAT 7.
Источник: Siegmund, Menz 2005 с изменениями

Кривая воды характеризуется высоким поглощением при
ближний инфракрасный диапазон длин волн и выше. Из-за этого поглощения
недвижимость, водные объекты, а также объекты, содержащие воду, могут быть легко обнаружены, локализованы и очерчены
с данными дистанционного зондирования. мутный
вода имеет более высокую отражательную способность в видимой области, чем чистая вода. Это справедливо и для вод с высоким содержанием хлорофилла.

Эти шаблоны отражения используются для обнаружить колонии водорослей , а также
загрязнения, такие как разливы нефти или промышленные сточные воды (подробнее о различных отражениях в воде можно узнать в туториале Цвет океана в прибрежной зоне).

Учебник жизни | Спектральные кривые отражения

Кривая, показывающая долю падающего излучения, отражаемого материалом, в зависимости от длины волны. Иногда
называется спектральной подписью.

Объяснение

Для каждого интересующего типа материала мы можем установить кривую отражения. Такая кривая показывает долю падающего излучения ρ, которая отражается, как функцию длины волны λ (выраженная в процентах; см. рис. 1).

Дистанционные датчики чувствительны к диапазонам, хотя и узким, длин волн, а не только к одной конкретной λ, например, к «спектральной полосе» от λ=0,4 мкм до λ=0,5 мкм. Спектральную кривую отражения можно использовать для оценки общего отражения в таких полосах путем вычисления среднего значения измерений отражения в соответствующих диапазонах. Измерения коэффициента отражения можно проводить в лаборатории или в полевых условиях, в последнем случае с использованием полевого спектрометра. Кривые отражения обычно собирают для оптической части электромагнитного спектра, и прилагаются большие усилия для хранения коллекций типичных кривых в «спектральных библиотеках». Характеристики отражения некоторых распространенных типов земного покрова обсуждаются в следующих примерах.

Примеры

Растительность

Характеристики отражения растительности зависят от свойств листьев, включая ориентацию и структуру листового покрова. Количество отраженного излучения для определенной длины волны зависит от пигментации листа, его толщины и состава (структуры клеток), а также от количества воды в ткани листа. Рисунок 1
показывает идеальную кривую отражения здоровой растительности. В видимой части спектра отражение синей и красной составляющих падающего света сравнительно низкое, так как эти части поглощаются растением (главным образом хлорофиллом) для фотосинтеза; растительность отражает относительно больше зеленого света. Коэффициент отражения в ближнем инфракрасном диапазоне самый высокий, но его величина зависит от развития листа и клеточной структуры. В диапазоне SWIR отражательная способность в основном определяется свободной водой в ткани листа; больше свободной воды приводит к меньшей отражательной способности. Длины волн около 1,45 мкм и 1,95 мкм, поэтому называются полосами поглощения воды. Растение может изменить цвет, когда его листья высыхают, например, во время сбора урожая (например, на желтый). На этой стадии фотосинтез отсутствует, что приводит к увеличению коэффициента отражения в красной части спектра. Кроме того, листья будут высыхать, что приведет к более высокому коэффициенту отражения излучения SWIR, в то время как коэффициент отражения в диапазоне NIR может снизиться. В результате оптическое дистанционное зондирование может предоставить информацию о типе растения, а также о его здоровье.

Рис. 1. Идеализированная кривая спектральной отражательной способности здоровой растительности.

Голая почва

Коэффициент отражения от голой почвы зависит от столь многих факторов, что трудно дать одну типичную кривую отражения почвы. Основными факторами, влияющими на отражательную способность, являются цвет почвы, влажность, наличие карбонатов и содержание оксида железа. На рис. 2 приведены кривые отражения для пяти основных типов почв, встречающихся в США

. затронуты и (e) преобладают железо (из [71]).

Обратите внимание на типичную форму большинства кривых, которые имеют выпуклую форму в диапазоне 0,5–1,3 мкм и наклон на 1,45 мкм и 1,95 мкм. Эти провалы соответствуют полосам водопоглощения и обусловлены наличием почвенной влаги. Почва с преобладанием железа (e) имеет совсем другую кривую отражения, поскольку поглощение железа преобладает на более длинных волнах.

Вода

По сравнению с растительностью и почвой вода имеет меньшую отражательную способность. Растительность может отражать до 50 %, а почвы — до 30–40 %, а вода отражает не более 10 % падающего излучения. Вода отражает ЭМ излучение в видимом диапазоне и немного в ближнем ИК диапазоне. За пределами 1,2 мкм все излучение поглощается. Спектральные кривые отражения для воды различного состава приведены на рис. 3.9.0011 Рисунок 3. Типичное воздействие хлорофилла и отложений на воду
отражательная способность: (а) океанская вода, (б) мутная вода, (в) вода с
хлорофилл (из [71]).

Мутная (илистая) вода имеет самый высокий коэффициент отражения. Вода, содержащая растения или водоросли, имеет ярко выраженный пик отражения для
зеленый свет из-за присутствия хлорофилла.

Как

Видео с инструкциями по ILWIS можно найти здесь:

https://canvas.