Αλλάζει ο δείκτης διάθλασης ενός αντικειμένου όταν φορτίζεται;

Ο δείκτης διάθλασης ενός υλικού είναι μια ιδιότητα της ηλεκτρονικής δομής του. Εάν η προσθήκη φορτίου αλλάξει την ηλεκτρονική δομή, τότε αλλάζει ο δείκτης διάθλασης.

Η οπτική είναι ο κλάδος της φυσικής που σχετίζεται με την αλληλεπίδραση φωτός και ύλης. Αυτή η αλληλεπίδραση μπορεί να παρατηρηθεί σε καθημερινή βάση σε μια σειρά από διαφορετικά σενάρια. Για παράδειγμα, όταν ένα μολύβι τοποθετείται μέσα σε ένα φλιτζάνι που περιέχει νερό, το μολύβι φαίνεται να είναι σπασμένο πάνω και κάτω από το στρώμα νερού.

Όταν το λευκό φως χτυπά ένα γυάλινο πρίσμα, υφίσταται διασπορά, παράγοντας ένα όμορφο φάσμα επτά χρωμάτων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το φως, που ταξιδεύει μέσω του αέρα, δρα διαφορετικά από το φως που ταξιδεύει μέσω του νερού. Οι διαφορές μεταξύ αυτών των ακτίνων φωτός προκύπτουν λόγω της αλληλεπίδρασης του φωτός με την παρεμβαλλόμενη ύλη, δηλαδή το νερό και τον αέρα, σε αυτήν την περίπτωση.

Η Φύση του Φωτός

Το ορατό φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα είναι αυτό που ταξιδεύει μέσα από ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία επηρεάζονται μόνο από φορτισμένα σωματίδια. Για παράδειγμα, όταν ένα ηλεκτρόνιο (ένα φορτισμένο σωματίδιο) κινείται μέσα από ένα σύρμα, αλλάζει το τοπικό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, με αποτέλεσμα την παραγωγή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα του ορατού φωτός. (Φωτογραφία:udaix/Shutterstock)

Όλα τα κύματα έχουν κάποιες μετρήσιμες ιδιότητες που σχετίζονται με αυτά, όπως η συχνότητα, το μήκος κύματος και το πλάτος. Το ορατό φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα που βρίσκεται στην περιοχή μήκους κύματος 400 nm – 700 nm (ισοδύναμο με ένα εύρος συχνοτήτων 430 THz – 750 THz).

Δείκτης διάθλασης

Η διάθλαση συζητείται αρκετά συχνά σε σχέση με το φως. Η διάθλαση είναι στην πραγματικότητα ένα φαινόμενο που σχετίζεται με τα κύματα, γενικά. Είναι η αλλαγή στην κατεύθυνση διάδοσης ενός κύματος (κάμψη) όταν εισέρχεται σε ένα νέο μέσο λόγω αλλαγής της ταχύτητας διάδοσής του.

Ο δείκτης διάθλασης ή ο δείκτης διάθλασης (n ) ενός αντικειμένου ορίζεται ως ο λόγος της ταχύτητας ενός φωτεινού κύματος στο κενό προς την ταχύτητα του φωτός σε αυτό το αντικείμενο. Μαθηματικά,

<πίνακας>

όπου,

γ =ταχύτητα φωτός στο κενό

v =ταχύτητα φωτός στο αντικείμενο

Αλληλεπίδραση φωτός με ύλη

Τα άτομα είναι τα δομικά στοιχεία της ύλης. Πολλά άτομα συνδυάζονται (δεσμεύονται) μεταξύ τους για να σχηματίσουν μόρια. Η χύδην ύλη είναι μια συσσώρευση εκατομμυρίων μορίων. Το άτομο αποτελείται από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα, αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και ουδέτερα σωματίδια που ονομάζονται νετρόνια.

Δεδομένου ότι ο πυρήνας και τα ηλεκτρόνια είναι φορτισμένα, αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία . Αυτή η αλληλεπίδραση μπορεί να μετρηθεί όταν χρησιμοποιούνται κατάλληλα όργανα για τη μέτρησή τους. Η παρουσία φορτίων είναι υπεύθυνη για τις οπτικές ιδιότητες των ουσιών.

Η φασματοσκοπία είναι η μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ ύλης και ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. (Πιστωτική φωτογραφία :VectorMine/Shutterstock)

Όταν μια δέσμη ορατού φωτός προσπίπτει σε ένα υλικό, διεγείρει (αυξάνει την ενέργεια) τα ηλεκτρόνια του υλικού (μπορεί να αναρωτηθεί γιατί το ορατό φως δεν διεγείρει τον πυρήνα. Η απάντηση είναι ότι η ενέργεια του ορατού φωτός δεν είναι αρκετή για να αυξήσει η ενέργεια των πυρήνων, αλλά μόνο των ηλεκτρονίων). Η προσπίπτουσα δέσμη έχει κάποια συχνότητα (f ) συνδέονται με αυτό. Όταν προσκρούει στα ηλεκτρόνια, αυτά απορροφούν την ενέργεια και αρχίζουν να ταλαντώνονται με την ίδια συχνότητα με αυτή του προσπίπτοντος φωτός. Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια είναι τα ίδια φορτισμένα σωματίδια, οι ταλαντώσεις τους προκαλούν δευτερεύοντα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, τα οποία απομακρύνονται από το ηλεκτρόνιο προς όλες τις κατευθύνσεις. Αυτά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν μήκος κύματος στο ορατό φάσμα. Έτσι, το ηλεκτρόνιο αρχίζει επίσης να συμπεριφέρεται ως πηγή φωτός.

Δεδομένου ότι το υλικό αποτελείται από εκατομμύρια άτομα με εκατομμύρια ηλεκτρόνια, το καθαρό αποτέλεσμα είναι ότι συμβαίνει μια υπέρθεση όλων των κυμάτων, το αποτέλεσμα της οποίας είναι ένα προκύπτον κύμα με μικρότερη ταχύτητα φάσης (v ) από το προσπίπτον κύμα (c ).

Δείκτης διάθλασης και φορτία

Όλα τα φορτία παράγουν ηλεκτρικό πεδίο. Η προσθήκη, αφαίρεση ή μετακίνηση φορτίων αλλάζει το ηλεκτρικό πεδίο.

Ο δείκτης διάθλασης ενός υλικού όταν υποβάλλεται σε ηλεκτρικό πεδίο, n(E) , δίνεται από την ακόλουθη γενική εξίσωση:

Για τις περισσότερες ουσίες, οι όροι υψηλότερης τάξης (προϊόν του E μεγαλύτερο από 2) είναι αμελητέοι. Έτσι, η εξίσωση απλοποιείται σε:

όπου,

n(0) =δείκτης διάθλασης απουσία εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου

a1, a2 =εξαρτώμενες από υλικό σταθερές (εξαρτώμενη από την ηλεκτρονική δομή και τη συμμετρία)

Δείκτης διάθλασης μιας φορτισμένης ουσίας

Μέχρι τώρα η συζήτηση περιοριζόταν σε υλικά που παρέμεναν ουδέτερα. Όταν εισάγονται επιπλέον χρεώσεις, ένα ηλεκτρικό πεδίο, E , αναπτύσσεται. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο αλληλεπιδρά με το υλικό και επηρεάζει την πόλωσή του. Αυτό μεταφράζεται σε αλλαγή στη θέση και τον προσανατολισμό των διπόλων. Αυτή η αλλαγή επηρεάζει τις οπτικές του ιδιότητες.

Το ηλεκτρικό πεδίο λόγω εξωτερικού φορτίου επαναπροσανατολίζει τα δίπολα μέσα στο υλικό, με αποτέλεσμα την πόλωση (Photo Credit :DKN0049/Shutterstock)

Η αλλαγή στις οπτικές ιδιότητες λόγω ηλεκτρικών πεδίων ονομάζεται ηλεκτρο-οπτικό φαινόμενο .

Υπάρχουν δύο τύποι ηλεκτροοπτικών εφέ:γραμμικό ηλεκτροοπτικό εφέ (φαινόμενο Pockels) και μη γραμμικό ηλεκτροοπτικό εφέ (φαινόμενο Kerr).

Εφέ Pockels

Η αλλαγή στον δείκτη διάθλασης ( ) εξαρτάται από την 1η εκθετική ισχύ της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου (η μεταβολή του δείκτη διάθλασης είναι γραμμική συνάρτηση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου). Μαθηματικά, αντιπροσωπεύεται από την εξίσωση:

Εφέ Kerr

Η αλλαγή στον δείκτη διάθλασης ( ) εξαρτάται μόνο από τη 2η εκθετική ισχύ της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου (η μεταβολή του δείκτη διάθλασης είναι τετραγωνική λειτουργία της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου). Μαθηματικά, αντιπροσωπεύεται από την εξίσωση:

Η απάντηση

Έτσι, η προσθήκη φορτίου αλλάζει τον δείκτη διάθλασης επειδή αναπτύσσεται ένα νέο ηλεκτρικό πεδίο και στη συνέχεια αλληλεπιδρά με τα φορτία στο υλικό. Αυτή η αλληλεπίδραση οδηγεί σε αλλαγή των οπτικών ιδιοτήτων του υλικού.