Indeks biasan

Dalam bidang optik, indeks biasan n satu bahan (medium optik) ialah satu angka tanpa dimensi yang menerangkan bagaimana cahaya atau sebarang jenis radiasi yang lain, tersebar melalui medium tersebut. Ia ditakrifkan sebagai

n={\frac {c}{v}}

di mana c ialah kelajuan cahaya dalam vakum dan v ialah kelajuan cahaya dalam bahan tersebut. Sebagai contoh, indeks biasan cahaya bagi air ialah 1.33, bermaksud cahaya bergerak 1.33 kali lebih perlahan dalam air berbanding dalam vakum.

Indeks biasan pertama kali disebut dalam hukum Snell bagi pembiasan, n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂, di mana θ₁ dan θ₂ adalah sudut sinaran yang mendatang yang melalui antara muka di antara dua bahan dengan indeks biasan n₁ dan n₂.

Pembiasan, sudut kritikal dan pantulan cahaya di antara muka antara dua bahan.

Sudut Brewster, sudut kritikal bagi biasan dalaman penuh, dan kebolehpantulan satu bahan juga bergantung pada indeks biasan seperti yang diterangkan oleh persamaan-persamaan Fresnel.^[1]

Indeks biasan boleh dilihat sebagai faktor sebanyak mana halaju dan panjang gelombang radiasi dikurangkan mengikut nilai vakumnya: kelajuan cahaya dalam satu medium ialah $v=c/n$ dan serupa juga panjang gelombang dalam medium tersebut ialah $\lambda =\lambda _{0}/n$ , di mana $\lambda _{0}$ ialah panjang gelombang cahaya itu dalam vakum. Ini menunjukkan bahawa vakum mempunyai indeks biasan 1. Dalam sejarah bahan rujukan lain (seperti udara pada tekanan dan suhu piawai) kebiasaannya telah digunakan.

Indeks biasan bahan-bahan berbeza mengikut panjang gelombang. Ini dinamakan serakan; ia menyebabkan pemisahan cahaya putih dalam prisma dan pelangi, dan aberasi kromatik dalam lensa. Dalam bahan legap, indeks biasan ialah satu nombor kompleks: bahagian nyatanya menerangkan pembiasan dan bahagian bayangannya menyatakan penyerapan.

Konsep indeks biasan digunakan secara meluas dalam keseluruhan spektrum elektromagnet, daripada sinar x ke gelombang radio. Ia juga boleh digunakan dengan fenomena gelombang selain cahaya (seperti bunyi). Dalam keadaan ini, kelajuan bunyi yang digunakan dan medium rujukan selain vakum perlu dipilih.^[2]

Sejarah

Thomas Young mungkin adalah orang pertama yang menggunakan, dan menerbitkan, istilah "indeks biasan", pada tahun 1807.^[3] Pada masa yang sama beliau mengubah nilai kuasa pembiasan ini kepada nombor tunggal dan bukannya nilai nisbah dua angka yang digunakan sebelum itu. Nisbah ini mempunyai kelemahan dari segi rupanya. Isaac Newton memanggil nisbah ini "nisbah sinus-sinus tuju dan terbias" dan menulisnya dalam bentuk nisbah dua angka seperti "529 kepada 396" (atau "hampir 4 kepada 3"; bagi air).^[4] Francis Hauksbee memanggilnya "nisbah pembiasan" dan menulisnya dalam bentuk nisbah dengan pengangka yang tetap seperti "10000 kepada 7451.9" (bagi air kencing).^[5] Charles Hutton menulisnya dalam bentuk nisbah dengan penyebut yang tetap, seperti 1.3358 kepada 1 (air).^[6]

Young tidak menggunakan simbol untuk indeks biasan pada 1807. Pada tahun-tahun berikutnya, mereka yang lain telah gunakan simbol-simbol berbeza: n, m, dan µ.^[7]^[8]^[9] Perlahan-lahan, simbol n terus kekal digunakan.

Nilai-nilai biasa

Indeks-indeks biasan terpilih pada λ=589 nm. Bagi rujukan, lihat rencana Senarai indeks biasan.
Bahan-bahan	n
Gas-gas pada 0 °C dan 1 atm
Udara	1.000 293
Helium	1.000 036
Hidrogen	1.000 132
Karbon dioksida	1.000 45
Cecair-cecair pada 20 °C
Air	1.333
Etanol	1.36
Benzena	1.501
Pepejal-pepejal
Ais	1.309
Silika terlakur	1.46
PMMA (Plexiglas)	1.49
Kaca mahkota (biasa)	1.52
Kaca batu api (biasa)	1.62
Berlian	2.42

Bagi cahaya tampak kebanyakan bahan lutsinar memiliki indeks biasan di antara 1 dan 2. Beberapa contoh diberikan dalam jadual di sebelah kanan. Nilai-nilai ini diukur pada garis D natrium kuning berpasang dengan panjang gelombang 589 nanometer, seperti yang biasanya dilakukan. Gas-gas pada tekanan atmosfera mempunyai indeks biasan hampir dengan 1 disebabkan ketumpatannya yang rendah. Hampir semua pepejal dan cecair memiliki indeks biasan lebih daripada 1.3, dengan pengecualian aerogel. Aerogel ialah pepejal berketumpatan sangat rendah yang boleh dihasilkan dengan indeks biasan di antara 1.002 hingga 1.265.^[10] Berlian pula terletak pada hujung yang lain julat dengan indeks biasan 2.42. Kebanyakan plastik memiliki indeks biasan antara 1.3 hingga 1.7, tetapi sesetengah polimer berindeks biasan tinggi boleh mencapai nilai setinggi 1.76.^[11]

Bagi cahaya inframerah indeks biasan boleh jadi lebih tinggi. Germanium dikira sebagai lutsinar dalam julat ini dan mempunyai indeks biasan lebih kurang 4, menjadikannya bahan yang penting dalam optik inframerah.

Indeks biasan kurang daripada 1

Salah anggap yang meluas berkenaan indeks biasan ialah ia tidak boleh kurang daripada 1 kerana menurut teori relativiti, tiada apa-apa yang boleh bergerak lebih laju daripada cahaya dalam vakum. Ini salah kerana indeks biasan mengukur halaju fasa cahaya, dan ia tidak membawa informasi. Halaju fasa ialah kelajuan pergerakan puncak-puncak gelombang dan boleh jadi lebih laju daripada kelajuan cahaya dalam vakum, oleh itu memberikannya indeks biasan kurang daripada 1. Ini boleh berlaku hampir dengan frekuensi resonans, bagi bahan penyerap, dalam plasma dan bagi sinar x. Bagi sinar x, indeks biasan adalah kurang daripada tetapi sangat hampir dengan 1 (kecuali jika hampir dengan frekuensi resonans).^[12] Misalnya, air mempunyai indeks biasan 1 - 2.6 × 10^-7 bagi sinar x dengan tenaga foton 30 keV (panjang gelombang 0.04 nanometer).^[12]

Indeks biasan negatif

Kajian baru-baru ini juga telah menunjukkan kewujudan bahan dengan indeks biasan negatif, yang boleh berlaku sekiranya kebertelusan dan kebolehtelapan mempunyai nilai negatif serentak. Ini boleh dicapai dengan metabahan yang dihasilkan secara berkala. Pembiasan negatif yang terhasil (dengan kata lain, penerbalikan hukum Snell) menawarkan kemungkinan lensa lampau (superlens) dan fenomena-fenomena eksotik lain.

Lihat juga

Rujukan

^ Hecht, Eugene (2002). Optics. Addison-Wesley. ISBN 0-321-18878-0.
^ Kinsler, Lawrence E. (2000). Fundamentals of Acoustics. John Wiley & Sons, Inc. m/s. 136. ISBN 0-471-84789-5.
^ Young, Thomas (1807). A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts. m/s. 413.
^ Newton, Isaac (1730). Opticks: Or, A Treatise of the Reflections, Refractions, Inflections and Colours of Light. m/s. 247.
^ Hauksbee, Francis (1710). "A Description of the Apparatus for Making Experiments on the Refractions of Fluids". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 27 (325–336): 207. doi:10.1098/rstl.1710.0015.
^ Hutton, Charles (1795). Philosophical and mathematical dictionary. m/s. 299.
^ von Fraunhofer, Joseph (1817). "Bestimmung des Brechungs und Farbenzerstreuungs Vermogens verschiedener Glasarten". Denkschriften der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu München. 5: 208. Exponent des Brechungsverhältnisses is index of refraction
^ Brewster, David (1815). "On the structure of doubly refracting crystals". Philosophical Magazine. 45: 126.
^ Herschel, John F.W. (1828). On the Theory of Light. m/s. 368.
^ Tabata, M. et al.. "Development of Silica Aerogel with Any Density". Diarkibkan 2013-05-18 di Wayback Machine
^ Naoki Sadayori and Yuji Hotta "Polycarbodiimide having high index of refraction and production method thereof" US patent 2004/0158021 A1 (2004)
^ ^a ^b "X-Ray Interactions With Matter". The Center for X-Ray Optics. Dicapai pada 2011-08-30.

Pautan luar

Kalkulator NIST untuk menentukan indeks biasan udara
Bahan-bahan dielektrik
Science World - Wolfram
Pangkalan data atas talian Filmetrics Pangkalan data percuma indeks biasan dan maklumat pekali serapan
RefractiveIndex.INFO Pangkalan data indeks biasan dengan pemplotan atas talian dan pemparameteran data
sopra-sa.com Diarkibkan 2009-02-28 di Wayback Machine Pangkalan data indeks biasan dalam bentuk fail-fail teks (pendaftaran diperlukan)
LUXPOP Indeks biasan filem nipis dan pukan serta pengiraan fotonik

Rencana berkaitan fizik ini ialah rencana tunas. Anda boleh membantu Wikipedia dengan mengembangkannya.

[Hecht-1] Hecht, Eugene (2002). Optics. Addison-Wesley. ISBN 0-321-18878-0.

[Kinsler-2] Kinsler, Lawrence E. (2000). Fundamentals of Acoustics. John Wiley & Sons, Inc. m/s. 136. ISBN 0-471-84789-5.

[3] Young, Thomas (1807). A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts. m/s. 413.

[Newton-4] Newton, Isaac (1730). Opticks: Or, A Treatise of the Reflections, Refractions, Inflections and Colours of Light. m/s. 247.

[Hauksbee-5] Hauksbee, Francis (1710). "A Description of the Apparatus for Making Experiments on the Refractions of Fluids". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 27 (325–336): 207. doi:10.1098/rstl.1710.0015.

[Hutton-6] Hutton, Charles (1795). Philosophical and mathematical dictionary. m/s. 299.

[Fraunhofer-7] von Fraunhofer, Joseph (1817). "Bestimmung des Brechungs und Farbenzerstreuungs Vermogens verschiedener Glasarten". Denkschriften der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu München. 5: 208. Exponent des Brechungsverhältnisses is index of refraction

[Brewster-8] Brewster, David (1815). "On the structure of doubly refracting crystals". Philosophical Magazine. 45: 126.

[Herschel-9] Herschel, John F.W. (1828). On the Theory of Light. m/s. 368.

[10] Tabata, M. et al.. "Development of Silica Aerogel with Any Density". Diarkibkan 2013-05-18 di Wayback Machine

[11] Naoki Sadayori and Yuji Hotta "Polycarbodiimide having high index of refraction and production method thereof" US patent 2004/0158021 A1 (2004)

[CXRO-12] "X-Ray Interactions With Matter". The Center for X-Ray Optics. Dicapai pada 2011-08-30.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]