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Índice de refracción

índice de refracción (o índice de refracción) de un medio es una medida para cuánto se reduce la velocidad de la luz (o de otras ondas tales como ondas acústicas) dentro del medio. Por ejemplo, típico cristal tiene un índice de refracción de 1.5, que significa que la luz viaja en 1/1.5 = 0.67 mide el tiempo de la velocidad en aire o vacío. Dos características comunes del cristal y de otros materiales transparentes se relacionan directamente con su índice de refracción. Primer, los rayos ligeros cambian la dirección cuando cruzan el interfaz del aire al material, un efecto que se utilice en lentes y cristales. En segundo lugar, la luz refleja parcialmente de las superficies que tienen un índice de refracción diferente de el de sus alrededores.

Definición: El índice de refracción n de un medio se define como el cociente del velocidad de la fase c de a onda fenómeno por ejemplo luz o sonido en un medio de la referencia a la velocidad de la fase vp en el medio sí mismo:

Es el más de uso general del contexto de luz con vacío como medio de la referencia, aunque históricamente otros medios de la referencia (e.g. aire en estandardizado presión y temperatura) han sido común. Se da generalmente el símbolo n. En el caso de luz, iguala

,

donde εr es el pariente del material constante dieléctrica, y μr es su pariente permeabilidad. Para la mayoría de los materiales, μr está muy cerca de 1 en las frecuencias ópticas, por lo tanto n está aproximadamente . Contrario a una idea falsa extensa, n puede ser menos de 1, por ejemplo para radiografías.[1]. Esto tiene usos técnicos prácticos, tales como espejos eficaces para las radiografías basadas encendido reflexión externa total.

velocidad de la fase se define como la tarifa en la cual las crestas del forma de onda propagación; es decir, la tarifa en la cual fase de la forma de onda se está moviendo. velocidad del grupo es la tarifa que sobre de la forma de onda está propagando; es decir, el índice de la variación del amplitud de la forma de onda. Con tal que la forma de onda no se tuerza perceptiblemente durante la propagación, es la velocidad del grupo que representa la tarifa que la información (y la energía) se pueden transmitir por la onda, por ejemplo la velocidad en la cual un pulso de luz viaja abajo de de fibra óptica.

Contenido

Velocidad de la luz

La velocidad de toda la radiación electromágnetica en vacío es igual, aproximadamente 3×108 los metros por segundo, y se denotan cerca c. Por lo tanto, si v es velocidad de la fase de la radiación de una frecuencia específica en un material específico, el índice de refracción se da cerca

o inverso

Este número es el típicamente mayor que: cuanto más alto es el índice del material, más la luz se retrasa (véase Radiación de Cherenkov). Sin embargo, en ciertas frecuencias (e.g. cerca absorción resonancias, y para Radiografías), n la voluntad sea realmente más pequeña de una. Esto no contradice teoría de la relatividad, que sostiene que no señal información-que lleva de la poder propagación siempre más rápidamente que c, porque velocidad de la fase no está igual que velocidad del grupo o velocidad de la señal.

A veces, “un índice de refracción de la velocidad del grupo”, generalmente llamó índice del grupo se define:

donde vg es la velocidad del grupo. Este valor no se debe confundir con n, que se define siempre con respecto a la velocidad de la fase. El índice del grupo se puede escribir en términos de dependencia de la longitud de onda del índice de refracción como

donde λ es la longitud de onda en vacío. En la microescala, una velocidad de la fase de la onda electromagnética se retarda en un material porque campo eléctrico crea un disturbio en las cargas de cada átomo (sobre todo electrones) proporcional a constante dieléctrica del medio. La voluntad de las cargas, oscila generalmente levemente de fase con respecto al campo eléctrico que conduce. Las cargas irradian así su propia onda electromagnética que esté en la misma frecuencia pero con una fase retrasa. La suma macroscópica de todas tales contribuciones en el material es una onda con la misma frecuencia pero una longitud de onda más corta que el original, conduciendo a retardarse de la velocidad de la fase de la onda. La mayor parte de la radiación de cargas materiales oscilantes modificará la onda entrante, cambiando su velocidad. Sin embargo, una cierta energía neta será irradiada en otras direcciones (véase dispersión).

Si los índices refractivos de dos materiales se saben para una frecuencia dada, entonces una puede computar el ángulo por el cual la radiación de esa frecuencia estará refractado como se mueve desde el primer en el segundo material de Ley de Snell.

Si en una región dada los valores de índices refractivos n o ng fueron encontrados para diferenciar de la unidad (si homogéneo, o isotropically, o no), después esta región era distinta de vacío en el sentido antedicho para carecer Simetría de Poincaré.

Índice de refracción negativo

La investigación reciente también ha demostrado la existencia de índice de refracción negativo cuál puede ocurrir si las partes reales de ambos εr y μr sea simultáneamente negativa, aunque tal es una condición necesaria pero no suficiente. No pensó para ocurrir naturalmente, esto puede ser alcanzado con supuesto metamaterials y ofertas la posibilidad de lentes perfectas y otros fenómenos exóticos tales como una revocación de Ley de Snell. [1] [2]

Dispersión y absorción

En los materiales verdaderos, polarización no responde instantáneamente a un campo aplicado. Esto causa la pérdida dieléctrica, que se puede expresar por a constante dieléctrica ése es ambos complejo y frecuencia dependiente. Los materiales verdaderos no son perfectos aisladores cualquiera, es decir. tienen diferente a cero corriente directa conductividad. Tomando ambos aspectos en la consideración, podemos definir índice de refracción complejo:

Aquí, n es el índice de refracción que indica la velocidad de la fase como arriba, mientras que κ se llama coeficiente de la extinción, de que indica la cantidad absorción pérdida cuando la onda electromagnética propaga a través del material. Ambos n y κ sea dependiente en la frecuencia (longitud de onda). Observe que la muestra de la parte compleja es una cuestión de convención, que es importante debido a la confusión posible entre la pérdida y el aumento. La notación arriba, que es utilizada generalmente por los físicos, corresponde a las ondas con la evolución del tiempo dada cerca e − iωt.

El efecto eso n varía con frecuencia (excepto en el vacío, adonde todas las frecuencias viajan a la misma velocidad, c) se conoce como dispersión, y es qué causa a prisma para dividir la luz blanca en su componente espectral colores, explica arco iris, y es la causa de aberración cromática en lentes. De las regiones del espectro donde el material no absorbe, la parte real del índice de refracción tiende para aumentar con frecuencia. Cerca de límites de absorción, la curva del índice de refracción es una forma compleja dada por Relaciones de Kramers-Kronig, y puede disminuir con frecuencia.

Puesto que el índice de refracción de un material varía con la frecuencia (y así la longitud de onda) de la luz, es generalmente especificar la longitud de onda correspondiente del vacío en la cual se mide el índice de refracción. Típicamente, esto se hace en vario espectral bien definido líneas de emisión; por ejemplo, nD está el índice de refracción en Fraunhofer Línea de “D”, el centro del amarillo sodio emisión doble en 589.29 nanómetro longitud de onda.

Ecuación de Sellmeier es un fórmula empírico que trabaja bien en describir la dispersión, y los coeficientes de Sellmeier se cotizan a menudo en vez del índice de refracción en tablas. Para algunos índices refractivos representativos en diversas longitudes de onda, vea lista índice de refracción.

Como se muestra arriba, la pérdida dieléctrica y la conductividad diferente a cero de la C.C. en materiales causan la absorción. Los buenos materiales dieléctricos tales como cristal tienen conductividad extremadamente baja de la C.C., y en las frecuencias bajas la pérdida dieléctrica es también insignificante, dando por resultado casi ninguna absorción (≈ 0 del κ). Sin embargo, en frecuencias más altas (tales como luz visible), la pérdida dieléctrica puede aumentar la absorción perceptiblemente, reduciendo el material transparencia a estas frecuencias.

Las partes verdaderas e imaginarias del índice de refracción complejo son relacionadas con el uso del Relaciones de Kramers-Kronig. Por ejemplo, uno puede determinar el índice de refracción completo del complejo de un material en función de longitud de onda de un espectro de absorción del material.

Relación a la constante dieléctrica

constante dieléctrica (que es a menudo dependiente en longitud de onda) está simplemente el cuadrado (el complejo) del índice de refracción. El índice de refracción se utiliza para la óptica adentro Ecuaciones de Fresnel y Ley de Snell; mientras que la constante dieléctrica se utiliza adentro Ecuaciones del maxwell y electrónica.

Donde , ε1, ε2, n, y κ son las funciones de la longitud de onda:

La conversión entre el índice de refracción y la constante dieléctrica se hace cerca:

ε1 = n2 κ del −2
ε2 = 2nκ
[2]
[3]

Anisotropy

El índice de refracción de ciertos medios puede ser diferente dependiendo de polarización y dirección de la propagación de la luz con el medio. Se conoce esto como birrefringencia o el anisotropy y es descrito por el campo de la óptica cristalina. En el caso más general, constante dieléctrica es un rank-2 tensor (3 por la matriz 3), que no se puede describir simplemente por índices refractivos a excepción de polarizaciones a lo largo de las hachas principales.

En magneto-óptico (gyro-magnetic) y ópticamente activo los materiales, las hachas principales son complejos (correspondiendo a las polarizaciones elípticas), y el tensor dieléctrico es complejoHermitian (para los medios lossless); tales materiales rompen simetría de la tiempo-revocación y se utilizan e.g. para construir Aisladores de Faraday.

Nonlinearity

El fuerte campo eléctrico de la luz de intensidad alta (tal como salida de a laser) puede hacer el índice de refracción de un medio variar como la luz pasa a través de ella, dando lugar la óptica no lineal. Si el índice varía cuadráticamente con el campo (linear con la intensidad), se llama efecto óptico de Kerr y fenómenos de las causas por ejemplo el uno mismo-enfocarse y modulación de la fase del uno mismo. Si el índice varía linear con el campo (que es solamente posible en los materiales que no poseen simetría de la inversión), se conoce como Efecto de Pockels.

Inhomogeneidad

Si el índice de refracción de un medio no es constante, sino varía gradualmente con la posición, se sabe pues un medio del gradiente-índice y se describe el material cerca la óptica del índice del gradiente. El viajar ligero con tal medio puede estar doblado o ser enfocado, y este efecto se puede explotar para producir lentes, algunos fibras ópticas y otros dispositivos. Algunos comunes espejismos son causados por un índice de refracción espacial-que varía de aire.

Relación a la densidad

El índice de refracción de un cristal aumenta generalmente con su densidad. Sin embargo, no existe una relación linear total entre el índice de refracción y la densidad para todos los cristales del silicato y del borosilicate. Un índice de refracción relativamente alto y una baja densidad se pueden obtener con los cristales que contienen los óxidos de metal ligeros por ejemplo Li2O y MgO, mientras que la tendencia opuesta se observa con contener de los cristales PbO y BaO según lo visto en el diagrama en la derecha.

Paradoja del ímpetu

El ímpetu de un rayo refractado, p, era calculado cerca Hermann Minkowski[5] en 1908, donde E es la energía del fotón, c es la velocidad de la luz en vacío y n es el índice de refracción del medio.

En 1909 Abraham máximo[6] propuesto

Rudolf Peierls levanta esto en sus “más sorpresas en la física teórica” Princeton (1991). Ulf Leonhardt, silla en la física teórica en Universidad de St Andrews ha discutido[7] esto incluyendo los experimentos a resolver.

Usos

El índice de refracción de un material es la característica más importante de cualesquiera óptico sistema que utiliza refracción. Se utiliza para calcular la energía que se enfoca de lentes, y la energía dispersiva de prismas.

Puesto que el índice de refracción es una característica física fundamental de una sustancia, es de uso frecuente identificar una sustancia particular, confirma su pureza, o mide su concentración. El índice de refracción se utiliza para medir los sólidos (los cristales y las piedras preciosas), los líquidos, y los gases. Se utiliza lo más comúnmente posible para medir la concentración de a solute en acuoso solución. A refractómetro es el instrumento usado para medir el índice de refracción. Para una solución del azúcar, el índice de refracción se puede utilizar para determinar el contenido del azúcar (véase Brix).

Vea también

Referencias

  1. ^ Tanya M. Sansosti, Lentes refractivas compuestas para las radiografías. 2002
  2. ^ p.49 Frederick Wooten. Características ópticas de sólidos. Prensa académica, Nueva York, 1972
  3. ^ p.49 Frederick Wooten. Características ópticas de sólidos. Prensa académica, Nueva York, 1972
  4. ^ Glassproperties.com
  5. ^ Nacht Ges. Wiss. Göttn. Matemáticas. - Phys. Kl.53 (1908).
  6. ^ Rend. Circ. Matem. Palermo 28, 1 (1909).
  7. ^ La “óptica: Ímpetu en una luz incierta " (14 de diciembre de 2006). Naturaleza 444: 823-824. doi:10.1038/444823a. 

Acoplamientos externos

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