Химия и Химики № 2 2016. Преломление света (демонстрация с использованием лазера, дыма и коллоидного раствора). How to Visualize Refraction of Light using: Laser, Smoke and Sol (Colloid)

Если луч света переходит из одной прозрачной среды в другую, он меняет направление: происходит преломление света. Падающий и преломленный лучи света не лежат на одной прямой. Преломленный луч распространяется под другим углом (относительно поверхности разделения сред), по сравнению с падающим лучом света. Этот угол зависит от угла падения луча и от разницы показателей преломления двух сред. Явление преломления света на границе раздела воды и воздуха можно наглядно наблюдать, если опустить в сосуд с водой какой-то прямой предмет, например: карандаш, линейку, ровную палку или соломинку для коктейля. В статье [1] мы описали простой опыт с линейкой.

Можно провести более сложный, но и более наглядный опыт, который позволяет непосредственно наблюдать, как изменится путь движения светового луча при переходе из воздуха в воду. В чистом воздухе, как и в чистой воде, луч света невидим (равно, как и в других оптически однородных средах). Но существует простой способ сделать луч света видимым - с помощью коллоидов. В коллоидных системах в одной среде (например, вода и воздух) распределены мельчайшие частицы другой среды (например, канифоли или нитрата аммония). Эти частицы рассеивают свет во всех направлениях и делают путь света видимым.

Другими словами, мы собираемся визуализировать световой луч в воздухе с помощью дыма нитрата аммония, и визуализировать световой луч в воде с помощью коллоидного раствора канифоли. Как это сделать, было описано в статьях [2].

В прямоугольный аквариум налил воду, так, чтобы он был заполнен примерно наполовину. Закрепил лазерную указку (красный лазер). Луч лазера падал в воду под углом, на поверхности раздела он преломлялся и продолжал путь уже в воде. Разумеется, и падающий, и преломленный луч не был видим.

В пластиковую бутылку (ПЭТФ) поместил две ватки, одна была смочена концентрированным раствором аммиака, другая - концентрированной азотной кислотой. Бутылка заполнилась дымом нитрата аммония. Опустил горлышко бутылки в аквариум и сдавил стенки: дым нитрата аммония заполнил пространство над водой. Чтобы дым не рассеивался, накрыл аквариум крышкой (но так, чтобы она не пересекала луч лазера). В результате падающий луч стал видим. Добавил в аквариум несколько миллилитров спиртового раствора канифоли, перемешал воду. Образовался коллоидный раствор канифоли, в котором преломленный луч лазера стал видим.

В результате можно было наблюдать путь падающего и преломленного луча. Когда дым над водой рассеивался, добавлял свежие порции дыма из бутылки. Смещая лазер, менял угол падения луча на воду. Соответственно менялся и угол преломления. В частности, можно было наблюдать, что падающий под прямым углом луч света не преломляется. Это следует из формулы:

n₁·sini = n₂·sinr
Где:
n₁, - показатель преломления среды, из которой свет попадает на границу раздела
n₂ - показатель преломления среды, в которую свет попадает с границы раздела
i - угол падения луча
r - угол преломления луча.

__________________________________________________
¹ Преломление света. Refraction of Light [ссылка]

² См. статьи Tyndall Effect (Solution of Rosin in Ethanol was Added to Water). Конус Тиндаля (раствор канифоли в этаноле добавили в воду) [ссылка] и Красный лазер и дым нитрата аммония. Red Laser and Smoke of Ammonium Nitrate [ссылка]

Watch the video / Смотреть Видео (109 Мб, .avi )