Оптические свойства воды и льда

редактировать

Показатель преломления воды при 20 ° C для видимого свет 1,33. Показатель преломления нормального льда 1,31 (из Списка показателей преломления ). Как правило, показатель преломления представляет собой комплексное число с действительной и мнимой частями, где последняя указывает на величину потерь на поглощение на конкретной длине волны. В видимой части электромагнитного спектра мнимая часть показателя преломления очень мала. Однако вода и лед поглощают в инфракрасном диапазоне и закрывают инфракрасное атмосферное окно, тем самым способствуя парниковому эффекту

. Спектр поглощения чистой воды используется во многих областях, включая рассеяние света и поглощение кристаллы льда и капли воды в облаках, теории радуги, определение альбедо однократного рассеяния, цвет океана и многие другие.

Содержание

1 Количественное описание показателя преломления
2 Объемная масса воды
3 Показатель преломления (действительная и мнимая части) для жидкой воды
4 См. Также
5 Примечания
6 Список литературы

Количественное описание показателя преломления

В диапазоне длин волн от 0,2 мкм до 1,2 мкм и при температурах от -12 ° C до 500 ° C действительная часть показателя преломления воду можно рассчитать с помощью следующего эмпирического выражения:

n 2 - 1 n 2 + 2 (1 / ρ ¯) = a 0 + a 1 ρ ¯ + a 2 T ¯ + a 3 λ ¯ 2 T ¯ + a 4 λ ¯ 2 + a 5 λ ¯ 2 - λ ¯ UV 2 + a 6 λ ¯ 2 - λ ¯ IR 2 + a 7 ρ ¯ 2 {\ displaystyle {\ frac {n ^ {2} -1} {n ^ {2} +2}} (1 / {\ overline {\ rho}}) = a_ {0} + a_ {1} {\ overline {\ rho}} + a_ {2} {\ overline {T}} + a_ {3} {\ overline {\ lambda}} ^ {2} {\ overline {T}} + {\ frac {a_ {4}} {{\ overline {\ lambda}} ^ {2}}} + { \ frac {a_ {5}} {{\ overline {\ lambda}} ^ {2} - {\ overline {\ lambda}} _ {\ mathit {UV}} ^ {2}}} + {\ frac {a_ {6}} {{\ overline {\ lambda}} ^ {2} - {\ overline {\ lambda}} _ {\ mathit {IR}} ^ {2}}} + a_ {7} {\ overline {\ rho}} ^ {2}}

\ frac {n ^ {2} -1} {n ^ {2} +2} (1 / \ overline {\ rho}) = a_ {0} + a_ {1} \ overline {\ rho} + a_ {2} \ overline {T} + a_ {3} {\ overline {\ lambda}} ^ {2} \ overline {T} + \ frac {a_ {4 }} {{\ overline {\ lambda}} ^ {2}} + \ frac {a_ {5}} {{\ overline {\ lambda}} ^ {2} - {\ overline {\ lambda}} _ {\ mathit {UV}} ^ {2}} + \ frac {a_ {6}} {{\ overline {\ lambda}} ^ {2} - {\ overline {\ lambda}} _ {\ mathit {IR}} ^ {2}} + a_ {7} {\ overline {\ rho}} ^ {2}

Где:

T ¯ = TT * {\ displaystyle {\ overline {T}} = {\ frac {T} {T ^ {\ text {*} }}}}

{\ displaystyle {\ overline {T}} = {\ frac {T} {T ^ {\ text {*}} }}}

ρ ¯ = ρ ρ * {\ displaystyle {\ overline {\ rho}} = {\ frac {\ rho} {\ rho ^ {\ text {*}}}}}

{\ displaystyle {\ overline {\ rho}} = {\ frac {\ rho} {\ rho ^ {\ text {*}}}}}

λ ¯ = λ λ * {\ displaystyle {\ overline {\ lambda}} = {\ frac {\ lambda} {\ lambda ^ {\ text {*}}}}}

\ overline \ lambda = \ гидроразрыв {\ лямбда} {\ лямбда ^ {\ текст {*}}}

и соответствующие константы: $a 0 {\ displaystyle a_ {0}}$ $a_ {0}$ = 0,244257733, $a 1 {\ displaystyle a_ {1}}$ $a_ {1}$ = 0,00974634476, $a 2 {\ displaystyle a_ {2}}$ $a_ {2}$ = −0,00373234996, $a 3 {\ displaystyle a_ {3}}$ $a_ {3}$ = 0,000268678472, $a 4 {\ displaystyle a_ {4}}$ $а _4$ = 0,0015892057, $a 5 {\ displaystyle a_ {5}}$ $a_ {5}$ = 0,00245934259, $a 6 {\ displaystyle a_ {6}}$ $a_ {6}$ = 0,90070492, $a 7 {\ displaystyle a_ {7}}$ $a_ {7}$ = −0,0166626219, $T ∗ {\ displaystyle T ^ {*}}$ $T ^ {*}$ = 273,15 К, $ρ ∗ {\ displaystyle \ rho ^ {*}}$ $\rho^{*}$ = 1000 кг / м, $λ ∗ {\ displaystyle \ lambda ^ {*}}$ $\ lambda ^ {{*}}$ = 589 нм, $λ ¯ IR {\ displaystyle {\ overline {\ lambda} } _ {\ text {IR}}}$ $\ overline \ lambda _ {\ text {IR}}$ = 5.432937 и $λ ¯ UV {\ displaystyle {\ overline {\ lambda}} _ {\ text {UV}}}$ $\ overline \ lambda _ {\ text {UV}}$ = 0,229202.

В приведенном выше выражении T - абсолютная температура воды (в К), $λ {\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ - длина волны света в нм, $ρ {\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ - это плотность воды в кг / м, а n - действительная часть показателя преломления воды.

Объемная масса воды

В приведенной выше формуле плотность воды также зависит от температуры и определяется следующим образом:

$ρ (t) = a 5 (1 - (t + a 1) 2 (t + a 2) a 3 (t + a 4)) {\ displaystyle \ rho (t) = a_ {5} \ left (1 - {\ frac {(t + a_ {1}) ^ {2} (t + a_ {2})} {a_ {3} (t + a_ {4})}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ rho (t) = a_ {5} \ left (1 - {\ frac {(t + a_ {1}) ^ {2} (t + a_ {2})} {a_ {3} (t + a_ {4})}} \ right)}$

с:

$a 1 {\ displaystyle a_ {1}}$ $a_ {1}$ = −3,983035 ° C
$a 2 {\ displaystyle a_ {2}}$ $a_ {2}$ = 301,797 ° C
$a 3 {\ displaystyle a_ {3}}$ $a_ {3}$ = 522528,9 ° C
$a 4 {\ displaystyle a_ {4}}$ $а _4$ = 69,34881 ° C
$a 5 {\ displaystyle a_ {5}}$ $a_ {5}$ = 999.974950 кг / м

Показатель преломления (действительная и мнимая части) для жидкой воды

Показатель преломления жидкой воды
Длина волны (мкм)	Волновое число (см)	Частота ( ТГц)	n	k	α '(см)
0.200	5.00 × 10	1.50 ×10	1.396	1,1 × 10	0,069
0,225	4,44 × 10	1,33 × 10	1,373	4,9 × 10	0,027
0.250	4.00 × 10	1.20 × 10	1.362	3.35 × 10	0,016 8
0,275	3,64 × 10	1,09 × 10	1,354	2,35 × 10	0,0107
0,300	3.33 × 10	999	1.349	1.6 ×10	6,7 × 10
0,325	3,08 × 10	922	1,346	1,08 × 10	4,18 × 10
0,350	2,86 × 10	857	1,343	6,5 × 10	2,3 × 10
0,375	2,67 × 10	799	1,341	3,5 × 10	1,2 × 10
0,400	2,50 × 10	749	1,339	1,86 × 10	5,84 × 10
0,425	2,35 × 10	705	1,338	1,3 × 10	3,8 × 10
0,450	2,22 × 10	666	1,337	1,02 × 10	2,85 × 10
0,475	2,11 × 10	631	1,336	9,35 × 10	2.47 × 10
0.500	2.00 × 10	600	1.335	1.00 ×10	2.51 × 10
0,525	1,90 × 10	571	1,334	1,32 × 10	3,16 × 10
0,550	1.82 × 10	545	1.333	1.96 ×10	4,48 × 10
0,575	1,74 × 10	521	1,333	3,60 × 10	7,87 × 10
0,600	1,67 × 10	500	1,332	1,09 × 10	2.28 × 10
0.625	1.60 ×10	480	1.332	1,39 × 10	2,79 × 10
0,650	1,54 × 10	461	1,331	1,64 × 10	3,17 × 10
0,675	1,48 × 10	444	1,331	2,23 × 10	4,15 × 10
0,700	1,43 × 10	428	1,331	3,35 × 10	6,01 × 10
0,725	1,38 × 10	414	1,330	9,15 × 10	0,0159
0,750	1,33 × 10	400	1,330	1,56 × 10	0,0261
0,775	1,29 × 10	387	1,330	1,48 × 10	0,0240
0,800	1,25 × 10	375	1,329	1,25 × 10	0,0196
0,825	1,21 × 10	363	1,329	1,82 × 10	0,0282
0,850	1,18x10	353	1,329	2,93x10	0,0433
0,875	1,14 × 10	343	1,328	3,91 × 10	0,0562
0,900	1,11 × 10	333	1,328	4,86 × 10	0,0679
0,925	1,08 × 10	324	1,328	1,06 × 10	0,144
0,950	1,05 × 10	316	1,327	2,93 × 10	0,388
0,975	1,03 × 10	307	1,327	3,48 × 10	0,449
1,0	1,0x10	300	1,327	2,89x10	0,36
1,2	8300	250	1.324	9,89 × 10	1,0
1,4	7100	210	1,321	1,38 × 10	12
1,6	6200	190	1,317	8,55 × 10	6,7
1,8	5600	170	1,312	1,15 × 10	8,0
2,0	5000	150	1.306	1,1 × 10	69
2.2	4500	136	1.296	2,89 ×10	17
2,4	4200	125	1,279	9,56 × 10	50.
2.6	3800	115	1.242	3,17 ×10	150
2,65	3770	113	1,219	6,7 × 10	318
2,70	3700	111	1.188	0.019	880
2.75	3640	109	1,157	0,059	2700
2.80	3570	107	1,142	0,115	5160
2,85	3510	105	1,149	0,185	8160
2.90	3450	103	1,201	0,268	11600
2,95	3390	102	1,292	0,298	12700
3,00	3330	100.	1,371	0,272	11400
3.05	3280	98.3	1.426	0.240	9990
3.10	3230	96,7	1,467	0,192	7780
3,15	3170	95,2	1,483	0,135	5390
3,20	3120	93,7	1,478	0,0924	3630
3,25	3080	92.2	1,467	0.0610	2 360
3,30	3030	90,8	1,450	0,0368	1400
3,35	2990	89,5	1,432	0,0261	979
3,40	2940	88,2	1.420	0.0195	721
3.45	2900	86.9	1.410	0,0132	481
3,50	2860	85,7	1,400	0,0094	340
3,6	2780	83	1,385	0,00515	180
3,7	2700	81	1,374	0,00360	120
3,8	2630	79	1,364	0,00340	110
3,9	2560	77	1,357	0,00380	120
4,0	2500	75	1,351	0,00460	140
4,1	2440	73	1,346	0,00562	170
4,2	2380	71	1,342	0,00688	210
4,3	2330	70.	1,338	0,00845	250
4,4	2270	69	1.334	0.0103	290
4.5	2220	67	1.332	0.0134	370
4,6	2170	65	1,330	0,0147	4 00
4.7	2130	64	1.330	0.0157	420
4.8	2080	62	1,330	0,0150	390
4,9	2040	61	1,328	0,0137	350
5,0	2000	60.	1,325	0,0124	310
5,1	1960	59	1,322	0,0111	270
5.2	1920	58	1.317	0.0101	240
5.3	1890	57	1,312	0,0098	230
5,4	1850	56	1,305	0,0103	240
5,5	1820	55	1,298	0,0116	380
5,6	1790	54	1,289	0,0142	320
5,7	1750	53	1,277	0,0203	450
5,8	1720	52	1,262	0,0330	710
5,9	1690	51	1,248	0,0622	1300
6,0	1670	50.	1.265	0.107	2200
6.1	1640	49	1.319	0,131	2700
6,2	1610	48,4	1,363	0,0880	1800
6,3	1590	47,6	1,357	0,0 570	1100
6,4	1560	46,8	1,347	0,0449	880
6,5	1540	46,1	1,339	0,0392	760
6,6	1520	45,4	1,334	0,0356	680
6,7	1490	44,7	1,329	0,0337	630
6,8	1470	44,1	1,324	0,0327	600
6.9	1450	43,4	1.321	0.0322	590
7.0	1430	42,8	1,317	0,0320	570

Общий показатель преломления воды определяется как m = n + ik. Коэффициент поглощения α 'используется в законе Бера – Ламберта, где штрих означает основание e. Значения приведены для воды при температуре 25 ° C и были получены из различных источников в цитируемом обзоре литературы.

См. Также

Примечания

Ссылки