Εάν το γυαλί είναι διαφανές, τότε γιατί οι ρωγμές του είναι αδιαφανείς;

Οι ρωγμές εμφανίζονται αδιαφανείς/πολύ ημιδιαφανείς λόγω του συνδυασμού της ακανόνιστης ανάκλασης, της συνολικής εσωτερικής ανάκλασης και της απορρόφησης του φωτός μέσα στο γυαλί.

Αν έχετε σπάσει ποτέ τα γυαλιά σας, σίγουρα έχετε παρατηρήσει ότι η ραγισμένη άκρη του γυαλιού φαίνεται σκούρο γκρι και αδιαφανές. Στην πραγματικότητα, εάν φοράτε γυαλιά ανοιχτού σκελετού, τότε σίγουρα έχετε δει επίσης ότι το κάτω άκρο του γυαλιού είναι πράσινο-γκρι χρώματος και επίσης αδιαφανές, ακόμη και χωρίς ρωγμές.

Αυτό συμβαίνει επίσης με γυάλινους χάρακες, παράθυρα και οθόνες smartphone. Όχι μόνο το γυαλί, αλλά και τα σκληρά διαφανή πλαστικά (όπως το προστατευτικό οθόνης των smartphone) εμφανίζουν επίσης τα ίδια φαινόμενα.

Γιατί όμως συμβαίνει αυτό; Δεν πρέπει το γυαλί να είναι διαφανές από κάθε κατεύθυνση;

Η απάντηση βρίσκεται στην ίδια την ερώτηση, δηλαδή στην «κατεύθυνση». Ωστόσο, πριν προχωρήσουμε σε αυτό, πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε ορισμένα βασικά σχετικά με τη συμπεριφορά του φωτός γενικά.

Βασικά στοιχεία γεωμετρικής οπτικής

1) Αντανάκλαση Φωτός

Όταν το φως προσπίπτει σε μια γυαλιστερή επιφάνεια, αναπηδά προς την ίδια κατεύθυνση από την οποία προήλθε. Αυτό είναι γνωστό ως αντανάκλαση. Μπορεί να οριστεί με μεγαλύτερη ακρίβεια χρησιμοποιώντας απλή γεωμετρία.

Μια γεωμετρική αναπαράσταση της αντανάκλασης από έναν καθρέφτη

Φανταστείτε ότι μια ακτίνα φωτός χτυπά μια επίπεδη επιφάνεια. Στο σημείο επαφής μεταξύ της επιφάνειας και της ακτίνας φωτός, σχεδιάστε μια γραμμή κάθετη στο επίπεδο. Αυτή η γραμμή ονομάζεται κανονική. Όταν μια ακτίνα φωτός χτυπά την επίπεδη επιφάνεια, κάνει κάποια γωνία με την κανονική. Αυτό ονομάζεται γωνία πρόσπτωσης . Όταν το φως αναπηδά από την επιφάνεια, η ανακλώμενη ακτίνα κάνει επίσης κάποια γωνία με την κανονική. Αυτή η γωνία ονομάζεται γωνία ανάκλασης .

Για ανάκλαση, η γωνία πρόσπτωσης και η γωνία ανάκλασης είναι πάντα ίσες.

2) Διάθλαση φωτός

Όταν το φως χτυπά ένα διαφανές αντικείμενο, όπως το γυαλί, κινείται μέσα από αυτό το αντικείμενο και βγαίνει από την άλλη πλευρά. Ωστόσο, οι εικόνες φαίνεται να είναι σπασμένες στο όριο του γυαλιού και του περιβάλλοντος μέσου.

Αυτό ονομάζεται διάθλαση, η οποία μπορεί επίσης να περιγραφεί με μεγαλύτερη ακρίβεια χρησιμοποιώντας απλή γεωμετρία.

Γεωμετρική αναπαράσταση διάθλασης φωτός. Παρατηρήστε ότι η γωνία διάθλασης είναι μικρότερη από τη γωνία πρόσπτωσης. Έτσι, το μέσο στο κάτω μέρος είναι πιο πυκνό από το μέσο από πάνω του.

Ας υποθέσουμε ότι μια ακτίνα φωτός διαδίδεται μέσω του αέρα και χτυπά μια χοντρή γυάλινη πλάκα. Στο σημείο επαφής της πλάκας με την ακτίνα φωτός, σχεδιάστε μια γραμμή κάθετη στη γυάλινη πλάκα. Αυτό ονομάζεται κανονικό. Όταν η ακτίνα φωτός χτυπά τη γυάλινη πλάκα, δημιουργεί μια γωνία με την κανονική. Αυτό ονομάζεται γωνία πρόσπτωσης .

Αφού χτυπήσει την πλάκα, η ακτίνα εισέρχεται στην πλάκα και κινείται μέσα από αυτήν. Αυτή η ακτίνα φωτός μέσα στην πλάκα ονομάζεται διαθλασμένη ακτίνα. Η γωνία μεταξύ της διαθλασμένης ακτίνας και της κανονικής ονομάζεται γωνία διάθλασης .

Κατά τη διάθλαση, η γωνία πρόσπτωσης και η γωνία διάθλασης δεν είναι ποτέ ίσες.

Κάθε μέσο έχει μια ιδιότητα που ονομάζεται οπτική πυκνότητα . Η οπτική πυκνότητα δίνει κάποια ιδέα για την ταχύτητα του φωτός σε αυτό το υλικό. Ο λόγος της ταχύτητας του φωτός σε ένα υλικό προς την ταχύτητα του φωτός στο κενό ονομάζεται δείκτης διάθλασης . Όσο μεγαλύτερος είναι ο δείκτης διάθλασης, τόσο πιο αργή είναι η ταχύτητα του φωτός και επομένως τόσο μεγαλύτερη είναι η οπτική πυκνότητα.

, όπου v =ταχύτητα φωτός στο μέσο

c =ταχύτητα φωτός στο κενό

n =δείκτης διάθλασης του μέσου

Εάν η ταχύτητα του φωτός σε ένα μέσο είναι μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός στο κενό, τότε αυτό το μέσο λέγεται ότι είναι οπτικά πυκνότερο από τον αέρα.

Εάν το φως ταξιδεύει σε δύο μέσα με διαφορετικούς δείκτες διάθλασης, τότε νόμος του Snell παρέχει μια χρήσιμη σχέση.

, όπου n1, n2 =δείκτες διάθλασης των μέσων 1 και 2 αντίστοιχα

=γωνία πρόσπτωσης

=γωνία διάθλασης

Ο νόμος του Snell είναι πολύ χρήσιμος για τον υπολογισμό των δεικτών διάθλασης άγνωστων υλικών με τη μέτρηση της γωνίας διάθλασης.

3) Συνολική εσωτερική αντανάκλαση

Όταν το φως μετακινείται από ένα οπτικά πυκνότερο μέσο σε ένα οπτικά πιο σπάνιο μέσο, ​​εάν η γωνία πρόσπτωσης είναι μεγαλύτερη από μια γωνία κατωφλίου, που ονομάζεται κρίσιμη γωνία, τότε η ακτίνα φωτός ανακλάται πίσω προς το αρχικό μέσο, ​​χωρίς να υφίσταται διάθλαση. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ολική εσωτερική αντανάκλαση .

Μέσα σε ένα πυκνότερο μέσο, ​​εάν η γωνία πρόσπτωσης γίνει μεγαλύτερη από ένα κατώφλι, που ονομάζεται κρίσιμη γωνία, η ακτίνα φωτός ανακλάται εσωτερικά. Μονάδα:NCERT Physics Textbook for Class XII-Part II, Κεφάλαιο 9, Σελίδα 320, εικ. 9.12

Απορρόφηση Φωτός

Κάθε φορά που το φως διαδίδεται μέσω ενός μέσου, η έντασή του μειώνεται με την πάροδο του χρόνου. Για παράδειγμα, μια δέσμη από έναν πυρσό μπορεί να φτάσει τόσο μακριά πριν εξαφανιστεί και γίνει αόρατη. Αυτό συμβαίνει επειδή το φως αλληλεπιδρά με την ύλη γύρω του και μέρος αυτού του φωτός απορροφάται ως αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης.

Ομοίως, όταν το φως κινείται μέσα από το γυαλί, μέρος της ενέργειάς του απορροφάται, με αποτέλεσμα τη μείωση της έντασης του διαθλασμένου κύματος. Εάν το γυαλί είναι αρκετά παχύ, το φως πρέπει να διανύσει μεγάλη απόσταση μέσα στο γυαλί. Έτσι, ένα σημαντικό κλάσμα του φωτός απορροφάται και η ένταση της αναδυόμενης ακτίνας μειώνεται, σε σύγκριση με την ένταση της προσπίπτουσας ακτίνας. Το πόσο ένα υλικό απορροφά το φως δίνεται από τον νόμο του Beer-Lambert .

Η ένταση του αναδυόμενου φωτός, I δίνεται από:

, όπου Io =ένταση προσπίπτουσας δέσμης

l = απόσταση που διανύει το φως μέσα στο απορροφητικό μέσο

γ =μοριακή συγκέντρωση απορροφητικών μορίων, ιόντων

=μοριακός συντελεστής απορρόφησης (δίνει μια ιδέα της απορροφητικής ικανότητας του μέσου)

Επομένως, όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος του γυαλιού, τόσο μικρότερη είναι η ένταση της αναδυόμενης ακτίνας.

Το προσπίπτον φως με ένταση (Io ) απορροφάται εν μέρει από το διάλυμα, με αποτέλεσμα την ανάδυση φωτός μειωμένης έντασης (I ). Το μπλε διάλυμα μπορεί να αντικατασταθεί από γυαλί για να πάρει την απορρόφηση λόγω του γυαλιού. (Φωτογραφία:petrroudny43/ Shutterstock

Γιατί οι ρωγμές στο γυαλί φαίνονται αδιαφανείς

Τώρα που έχουμε κάποια ιδέα για τη συμπεριφορά του φωτός μέσα σε ένα μέσο, ​​ας συζητήσουμε την απάντηση.

Όταν το φως προσπίπτει σε μια ραγισμένη άκρη γυαλιού, συμβαίνει το εξής:

Υπάρχει πάντα κάποια αντανάκλαση, ακόμη και από μια διαφανή επιφάνεια όπως το γυαλί. Το ράγισμα του γυαλιού εκθέτει τις τραχιές άκρες. Όταν μια δέσμη φωτός προσπίπτει σε αυτό το τραχύ άκρο, η δέσμη χωρίζεται σε πολλαπλές ακτίνες που αντανακλώνται σε πολλές κατευθύνσεις. Αυτές οι ανακλώμενες ακτίνες παρεμβαίνουν με τέτοιο τρόπο που δεν μπορεί να σχηματιστεί καθαρή εικόνα. Αυτό ονομάζεται ακανόνιστη ανάκλαση.

Ένα μέρος του φωτός μπαίνει στο ποτήρι. Όταν το φως εισέρχεται από τη ραγισμένη άκρη, μερικές από τις ακτίνες παγιδεύονται μέσα λόγω της συνολικής εσωτερικής ανάκλασης. Αυτό συμβαίνει επειδή οι ακτίνες κινούνται με τέτοιο τρόπο ώστε η γωνία πρόσπτωσης μέσα στο γυαλί να είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία.

Έτσι, το φως δεν μπορεί να βγει από το ποτήρι. Δεδομένου ότι το φως είναι παγιδευμένο μέσα, δεν υπάρχει ορατότητα της περιοχής πίσω από το σπασμένο γυαλί, δηλαδή το διαφανές γυαλί στην άλλη πλευρά. Ως αποτέλεσμα, η διαφάνεια αυτής της γυάλινης περιοχής μειώνεται.

Δεδομένου ότι ένα μέρος του φωτός παραμένει παγιδευμένο, απορροφάται επίσης. Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος της διαδρομής (l ) που πρέπει να περάσουν οι ακτίνες φωτός μέσα στο γυαλί, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα της απορρόφησης. Αυτή η μειωμένη ένταση του φωτός (I ) ευθύνεται επίσης για την αυξημένη αδιαφάνεια των ρωγμών. Όσο μεγαλύτερος είναι ο μοριακός συντελεστής απορρόφησης του γυαλιού ( ), τόσο μεγαλύτερη είναι η απορρόφηση του φωτός.

Έτσι, οι ρωγμές εμφανίζονται αδιαφανείς/πολύ ημιδιαφανείς λόγω ενός συνδυασμού ακανόνιστης ανάκλασης, συνολικής εσωτερικής ανάκλασης και απορρόφησης στο εσωτερικό του γυαλιού!