Показатель преломления

Показа́тель преломле́ния вещества — величина, равная отношению фазовых скоростей света (электромагнитных волн) в вакууме и в данной среде $n =\frac{c}{v}$. Также о показателе преломления говорят для любых других волн, например, звуковых^[1].

Описание

Показатель преломления зависит от свойств вещества и длины волны излучения, для некоторых веществ показатель преломления достаточно сильно меняется при изменении частоты электромагнитных волн от низких частот до оптических и далее, а также может ещё более резко меняться в определённых областях частотной шкалы. По умолчанию обычно имеется в виду оптический диапазон или диапазон, определяемый контекстом.

Существуют оптически анизотропные вещества, в которых показатель преломления зависит от направления и поляризации света. Такие вещества достаточно распространены, в частности, это все кристаллы с достаточно низкой симметрией кристаллической решётки, а также вещества, подвергнутые механической деформации.

Показатель преломления можно выразить как корень из произведения магнитной и диэлектрических проницаемостей среды

$n=\sqrt{\mu\varepsilon}$

(надо при этом учитывать, что значения магнитной проницаемости $~\mu$ и показателя абсолютной диэлектрической проницаемости $~\varepsilon$ для интересующего диапазона частот — например, оптического, могут очень сильно отличаться от статического значения этих величин).

Для измерения показателя преломления используют ручные и автоматические рефрактометры. При использовании рефрактометра для определения концентрации сахара в водном растворе прибор называют сахариметр.

Отношение показателя преломления одной среды $n_1$ к показателю преломления второй $n_2$ называют относительным показателем преломления $n_{12}$ первой среды по отношению к второй. Для $n_{12}$ выполняется:

$n_{12}=\frac{v_2}{v_1},$

где $v_1$ и $v_2$ — фазовые скорости света в первой и второй средах соответственно. Очевидно, что относительным показателем преломления $n_{21}$ второй среды по отношению к первой является величина, равная $\frac{1}{n_{12}}$.

Эта величина, при прочих равных условиях, обычно меньше единицы при переходе луча из среды более плотной в среду менее плотную, и больше единицы при переходе луча из среды менее плотной в среду более плотную (например, из газа или из вакуума в жидкость или твердое тело). Есть исключения из этого правила, и потому принято называть среду оптически более или менее плотной, чем другая (не путать с оптической плотностью как мерой непрозрачности среды).

Луч, падающий из безвоздушного пространства на поверхность какой-нибудь среды, преломляется сильнее, чем при падении на неё из другой среды; показатель преломления луча, падающего на среду из безвоздушного пространства, называется его абсолютным показателем преломления или просто показателем преломления данной среды, это и есть показатель преломления, определение которого дано в начале статьи. Показатель преломления любого газа, в том числе воздуха, при обычных условиях много меньше, чем показатели преломления жидкостей или твердых тел, поэтому приближенно (и со сравнительно неплохой точностью) об абсолютном показателе преломления можно судить по показателю преломления относительно воздуха.

Примеры

Показатели преломления некоторых сред приведены в таблице.

Показатели преломления для длины волны 589,3 нм

Тип среды	Среда	Температура, °С	Значение
Кристаллы[2]	LiF	20	1,3920
	NaCl	20	1,5442
	KCl	20	1,4870
	KBr	20	1,5552
Оптические стёкла[3]	ЛК3 (Лёгкий крон)	20	1,4874
	К8 (Крон)	20	1,5163
	ТК4 (Тяжёлый крон)	20	1,6111
	СТК9 (Сверхтяжёлый крон)	20	1,7424
	Ф1 (Флинт)	20	1,6128
	ТФ10 (Тяжёлый флинт)	20	1,8060
	СТФ3 (Сверхтяжёлый флинт)	20	2,1862[4]
Драгоценные камни[2]	Алмаз белый	-	2,417
	Берилл	-	1,571 — 1,599
	Изумруд	-	1,588 — 1,595
	Сапфир белый	-	1,768 — 1,771
	Сапфир зелёный	-	1,770 — 1,779
Жидкости[2]	Вода дистиллированная	20	1,3330
	Бензол	20-25	1,5014
	Глицерин	20-25	1,4370
	Кислота серная	20-25	1,4290
	Кислота соляная	20-25	1,2540
	Масло анисовое	20-25	1,560
	Масло подсолнечное	20-25	1,470
	Масло оливковое	20-25	1,467
	Спирт этиловый	20-25	1,3612

Материалы с отрицательным коэффициентом преломления

В 1967 году Виктор Георгиевич Веселаго высказал гипотезу о существовании веществ с отрицательным значением показателя преломления ^[5]. Существование подобных веществ было практически доказано в 2000 г. Дэвидом Смитом (англ. David R. Smith) из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Джоном Пендри (англ. John B. Pendry) из Имперского колледжа в Лондоне ^[6]. Подобные метаматериалы обладают рядом интересных свойств ^[7]:

• фазовая и групповая скорости волн имеют различное направление;
• возможно преодоление дифракционного предела при создании оптических систем («суперлинз»), повышение с их помощью разрешающей способности микроскопов, создание микросхем наномасштаба, повышение плотности записи на оптические носители информации).

См. также

• Преломление
• Закон Снелла
• Метаматериалы
• Метрический тензор
• Иммерсионный метод измерения показателя преломления.

Примечания

1. ↑ Линза акустическая — статья из Физической энциклопедии
2. ↑ ^{1 2 3} Бабичев А. П., Бабушкина Н. А., Братковский А. М. и др. Физические величины/ / Под ред. Григорьева И. С. и Мейлихова Е. З.. — Справочник. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-283-04013-5
3. ↑ ГОСТ 13659-78. Стекло оптическое бесцветное. Физико-химические характеристики. Основные параметры. — М: Издательство стандартов, 1999. — 27 с.
4. ↑ Бесцветное оптическое стекло СССР. Каталог. Под ред. Петровского Г. Т. — М.: Дом оптики, 1990. — 131 с. — 3000 экз.
5. ↑ Веселаго В. Г.  // УФН. — 1967. — Т. 92. — С. 517.
6. ↑ John B. Pendry; David R. Smith. «Reversing Light with Negative Refraction». Physics Today 57 (6).
7. ↑ Дж. Пендри, Д. Смит В поисках суперлинзы. Elementy.ru (2006). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.

Ссылки

• Отрицательный показатель преломления
• RefractiveIndex.INFO база данных показателей преломления

При написании этой статьи использовался материал из Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона (1890—1907).