Wyznaczanie współczynnika załamania gazów za pomocą interferometru

OPIS TEORETYCZNY

Aby nastąpiła interferencja swiatła, muszą nałożyć się conajmniej dwie koherentne wiązki swiatła. W wyniku takiej interferencji obserwujemy prążki interferencyjne. Efekt interferencji obserwować i wykorzystać możemy w różnego rodzaju interferometrach. Jednym z takich interferometrów jest interferometr laboratoryjny czterowiązkowy. Najprościej mówiąc, działanie jego jest następujące:
Wiązka swiatła , która przeszła przez odpowiedni układ optyczny, podzielona zostaje na cztery wiązki. Dwie z nich omijają komory pomiarowe i interferując dają stały układ prążków, które można obserwować w lunetce interferometru. Dwie pozostałe przechodzą przez dwie identyczne komory pomiarowe i również interferują, dając drugi układ prążków. Ponieważ warunki panujące w komorach można zmieniać np. napełniając je różnymi cieczami czy gazami, a także zmieniając ciśnienie tych gazów, można tym samym zmieniać różnice dróg optycznych obu wiązek .
Otrzymamy układ prążków przesunięty względem pierwszego. Przesunięcie to jest tym większe , im większa jest różnica dróg optycznych między promieniami przechodzącymi przez komory pomiarowe, a więc, w naszym ćwiczeniu, im większa jest różnica miedzy ciśnieniem atmosferycznym (w pierwszej komorze), a ciśnieniem powietrza w drugiej komorze interferometru. Ponieważ droga geometryczna obu promieni jest niezmienna, przesunięcie to zależne jest wyłącznie od współczynnika załamania swiatła.

CEL CWICZENIA

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie zależności wspolczynnika załamania powietrza od ciśnienia.
Doświadczenia oraz elementarna teoria wskazują, że w stałej temperaturze współczynnik załamania gazów zależy liniowo od ich gęstości q :
(n - 1)/q = const

natomiast gęstość gazów zależy liniowo od cisnienia , zatem :

( n - 1 )/ p = const

i

n - 1 = c . p

c - stala

Możemy zatem dla gazów oczekiwać liniowej zależności współczynnika załamania światła od ciśnienia.

METODA POMIAROWA

Przed przystąpieniem do właściwych pomiarów należy wyzerować interferometr. W tym celu otwieramy na chwilę obie komory pomiarowe (wyjmując gumowe korki) - w obu komorach panuje teraz ciśnienie atmosferyczne .

Następnie: Przyrząd jest gotowy do pracy.

Zatykamy z powrotem jedną komore pomiarową. Przy pomocy pompki wytwarzamy w tej komorze podciśnienie i łączymy ją z manometrem wodnym (przez odpowiednie ustawienie dwudrożnego kraniku szklanego dołączonego do igelitowych rurek łączących komorę pomiarową z manometrem i pompką).
Przystępujemy do pomiarów. W tym celu:
Dalej postępujemy następująco:
  1. z manometru wodnego odczytujemy roznice między ciśnieniem atmosferycznym a podcisnieniem w komorze pomiarowej
    ( p1 = q . g . H ;
    q -gęstość wody , g - przyspieszenie ziemskie , H - różnica wysokości słupków wody w manometrze wodnym ) ,
  2. pokrętłem pomiarowym doprowadzamy do pokrycia się górnych i dolnych prążków interferencyjnych ,
  3. odczytujemy ze śruby mikrometrycznej pokrętła wartość liczby interferencyjnej   i  (jest ona równa odczytowi ze śruby wyrażonemu w setnych częściach milimetra; np. przy odczycie ze śruby 3,28 mm liczba i=328 )
  4. z dołączonych tablic , stosujac aproksymację , wyznaczamy
    liczbę  h ,
  5. z dołączonego nomogramu wyznaczamy , zredukowaną do warunkow normalnych , liczbę   ho,
  6. zmniejszamy nieco ( o 2 - 3 cm słupa wody ) podciśnienie w komorze, wpuszczając przez kranik ostrożnie nieco powietrza do komory ,
  7. powtarzamy 10-15-krotnie czynności wymienione w punktach od 1 do 6 .

OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW

Dane umieszczamy w tabelce :


l oznacza długość (wymiennej) komory interferometru


współczynnik załamania wyznaczamy z zależności :


Ciśnienie obliczamy wg wzoru:
p = b - p1
Rysujemy wykres zależności
n = f (p) .