Pri vaji spremljamo pot žarka v nehomogenem plastovitem sredstvu. Lomni zakon se za zvezno spremenljiv lomni količnik posploši na $\cos{\phi} = \frac{\text{konst}}{n(z)}$. Pot žarka skozi kiveto podamo z enačbo:
$\frac{d \phi}{dx} = \frac{dn}{n \cdot dz}$
Slika 1: Shematsko prikazana pot žarka
Za majhe kote dobimo odmik $Y = bd \frac{dn}{dz}$. Če obsvetimo kiveto z ravninskim snopom žarkov, nagnjenim za $45^{\circ}$, dobimo na zaslonu krivuljo.
Slika 2: Oblika krivulje kot jo vidimo na zaslonu
Difuzijska enačba za naš primer je:
$ D \frac{\partial^2 f }{\partial z^2} = \frac{\partial f}{\partial t}$
Osnovna rešitev PDE je Greenova funkcija, za naše začetne pogoje pa je rešitev:
$f = \frac{f_0}{2} \left[ 1 + \text{erf} \left( \frac{z}{\sqrt{4 Dt}} \right) \right]$
S predpostavko, da je lomni količnik liearna funkcija koncentracije ga lahko izrazimo kot:
$ n(z) = \frac{n_0 + n_1}{2} + \frac{n_0 - n_1}{2} \text{erf} \left( \frac{z}{\sqrt{4Dt}} \right) $
zato je odmik enak:
$ Y = bd \frac{dn}{dz} = bd \frac{n_0 - n_1}{\sqrt{4 \pi D t}} \exp{\frac{-z^2}{4Dt}}$
Maksimalni odmik pri $z = 0$ je enak:
$ Y_{\text{max}} = bd \frac{n_0 - n_1}{\sqrt{4 \pi D t}} = \frac{S}{k \sqrt{4 \pi D t}}$
kjer je $k$ povečava, $k = (a+b) / a$
Z meritvami na milimetrskem papirju smo določili višini krivulje. Izmerili smo tudi sledeče vrednosti razdalj:
Čas [min] | Višina [mm] | |
---|---|---|
0 | 0 | 195 |
1 | 7 | 178 |
2 | 10 | 166 |
3 | 15 | 155 |
4 | 20 | 148 |
5 | 25 | 144 |
6 | 28 | 158 |
7 | 40 | 134 |
8 | 50 | 128 |
9 | 60 | 142 |
10 | 80 | 120 |
11 | 100 | 125 |
12 | 120 | 114 |
13 | 140 | 100 |
14 | 160 | 85 |
Meritev višine krivulje v odvisnosti od časa nam omogoči določitev difuzijske konstante. Za to potrebujemo še ploščino pod grafom, ki jo lahko izračunamo kot:
$S = \frac{a + b}{a} \, b \, d \, (n_1 - n_0) = (12 \pm 0.5) \cdot 10^{-4} \, \text{m}^2$
Z znano ploščino lahko sedaj narišemo graf odvisnosti $ \frac{1}{4 \pi k^2} \cdot (S / Y_{\text{max}} )^2$ od časa $t$. Ker velja zveza $ D = \frac{1}{t} \cdot \frac{1}{4 \pi k^2} \cdot (S / Y_{\text{max}} )^2$, lahko tedaj difuzijsko konstanto $D$ izrazimo kot naklon premice na omenjenem grafu.
Iz strmine premice lahko tako razberemo vrednost konstante D, dobimo:
$D = 2.6 \cdot 10^{-9} \; \frac{m^2}{s} \; \pm 3.5 \cdot 10^{-10} \; \frac{m^2}{s}$