Διάθλαση – Ορισμός, Δείκτης Διάθλασης, Νόμος του Snell

Στη φυσική, η διάθλαση είναι η αλλαγή στην ταχύτητα και την κατεύθυνση ενός κύματος καθώς εισέρχεται σε ένα νέο μέσο. Ίσως το πιο οικείο παράδειγμα είναι η διάθλαση του λευκού φωτός σε ένα πρίσμα, η κάμψη μήκους κύματος του φωτός σε διαφορετικές ποσότητες και η παραγωγή ενός ουράνιου τόξου. Ωστόσο, η διάθλαση εμφανίζεται επίσης σε άλλους τύπους κυμάτων, συμπεριλαμβανομένου του ήχου και του νερού.

Παραδείγματα διάθλασης

Ακολουθούν παραδείγματα διάθλασης διαφορετικών τύπων κυμάτων:

• Η διάθλαση του φωτός σε ένα πρίσμα κάμπτει το ιώδες φως περισσότερο και το κόκκινο φως το λιγότερο, δημιουργώντας ένα ουράνιο τόξο. Ο διαχωρισμός του φωτός ανάλογα με το μήκος κύματος είναι διασπορά .
• Το νερό διαθλάται και διαχέει το φως στην ατμόσφαιρα, δημιουργώντας ένα ουράνιο τόξο.
• Η διάθλαση του ήχου συμβαίνει όταν ένα ηχητικό κύμα ταξιδεύει από τον θερμό αέρα στον ψυχρό αέρα. Το μήκος κύματος του ηχητικού κύματος μειώνεται.
• Ο φακός του ανθρώπινου ματιού κάμπτει το φως μέσω διάθλασης, σχηματίζοντας εικόνες στον αμφιβληστροειδή.
• Ένα ίσιο αντικείμενο, όπως ένα μολύβι, φαίνεται λυγισμένο όταν είναι μερικώς βυθισμένο στο νερό λόγω της διάθλασης του φωτός στο νερό.
• Τα κύματα του νερού διαθλώνται όταν μετακινούνται από βαθύτερα σε ρηχά νερά ή το αντίστροφο. Τα κύματα του νερού ταξιδεύουν πιο γρήγορα στα βαθιά νερά και πιο αργά στα ρηχά. Μια δεξαμενή κυματισμού απεικονίζει τόσο τη διάθλαση όσο και τη διάθλαση των κυμάτων του νερού.
• Σκεφτείτε μια μπάντα που βαδίζει ως κύμα. Τα μέλη του συγκροτήματος βαδίζουν με βήμα. Καθώς κινούνται από το σκυρόδεμα στο γρασίδι, η μπάντα επιβραδύνεται. Αλλάζει κατεύθυνση ανάλογα με το ποιο πόδι χτυπά πρώτο το γρασίδι. Ένα παρόμοιο παράδειγμα συμβαίνει όταν ένα ελαστικό ενός αυτοκινήτου βγαίνει από το δρόμο, επιβραδύνοντάς το και αλλάζοντας την κατεύθυνση.

Δείκτης διάθλασης

Ο δείκτης διάθλασης (ονομάζεται επίσης δείκτης διάθλασης) είναι ένας αδιάστατος αριθμός που συγκρίνει την ταχύτητα του φωτός στο κενό με την ταχύτητά του σε ένα δεδομένο μέσο (την ταχύτητα φάσης του):

n =c / v

Εδώ, n είναι ο δείκτης διάθλασης, c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό και v είναι η ταχύτητα φάσης. Άρα, ο δείκτης διάθλασης στο κενό είναι 1. Ο δείκτης διάθλασης του φωτός στο νερό στους 20 °C είναι 1,333.

Ο δείκτης διάθλασης που συγκρίνει την ταχύτητα του κύματος με την ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι ο απόλυτος δείκτης διάθλασης. Σε ορισμένες αναφορές, η ταχύτητα του φωτός στον αέρα σε τυπική θερμοκρασία και πίεση αντικαθιστά την ταχύτητα του φωτός. Σε αυτήν την περίπτωση, η τιμή δεν είναι "απόλυτη".

Νόμος του Snell

Ο νόμος του Snell περιγράφει τη διάθλαση του φωτός. Για ένα ζεύγος μέσων, ο λόγος των ημιτόνων της γωνίας πρόσπτωσης θ₁ και η γωνία διάθλασης θ₂ ισούται με την αναλογία των ταχυτήτων φάσης των δύο μέσων (v ₁ / v ₂ ) ή τους δείκτες διάθλασης ( n ₂ / n ₁ ). Ο δείκτης διάθλασης είναι

sin θ₁ / sin θ₂ =v ₁ / v ₂ =n ₂ / n ₁

Μια παραλλαγή είναι ο νόμος της διάθλασης :

n ₁ sin θ₁ =n ₂ sin θ₂

Πώς λειτουργεί η διάθλαση του φωτός

Ίσως αναρωτιέστε γιατί το φως αλλάζει διαδρομή και ταχύτητα όταν εισέρχεται σε ένα νέο μέσο.

Ταχύτητα

Το φως είναι μια ηλεκτρομαγνητική ταλάντωση που κάνει την ύλη να ταλαντώνεται επίσης. Συγκεκριμένα, τα ηλεκτρόνια των ατόμων δονούνται και εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα ως απόκριση στο φως. Αυτά τα κύματα αλληλεπιδρούν με τα κύματα φωτός, με αποτέλεσμα ένα πιο αργό συνδυασμένο κύμα (δομική παρεμβολή). Το μέσο επιβραδύνει το φως, αλλά αν επιστρέψει στο κενό, δεν υπάρχει επιβράδυνση, επομένως επιστρέφει στην αρχική του ταχύτητα.

Κατεύθυνση

Ο λόγος που η διάθλαση κάμπτει τη διαδρομή του φωτός είναι επειδή μέρος του κύματος χτυπά το μέσο νωρίτερα από το άλλο μέρος. Η πλευρά του κύματος που πηγαίνει πιο αργά περιστρέφει ολόκληρο το κύμα προς αυτή την κατεύθυνση. Ένα κύμα κάμπτεται μακριά από την επιφάνεια ή προς το κανονικό καθώς πηγαίνει σε ένα πιο αργό υλικό. Λυγίζει προς την επιφάνεια ή απομακρύνεται από το κανονικό καθώς εισέρχεται σε ένα πιο γρήγορο υλικό. Ουσιαστικά, η συχνότητα του κύματος παραμένει η ίδια, αλλά το μήκος κύματος αλλάζει. Ή, καθώς η ταχύτητα μειώνεται, το μήκος κύματος μειώνεται.

Αξίζει να σημειωθεί ότι το χρώμα του φωτός δεν αλλάζει καθώς εισέρχεται στο μέσο. Ναι, το μήκος κύματος αλλάζει, αλλά η συχνότητα (και το χρώμα) παραμένουν ίδια.

Αναφορές

• Born, Max (1999). Αρχές Οπτικής (7η έκδ.). Cambridge University Press. ISBN:978-0521642224.
• Dill, Lawrence M. (1977). «Η διάθλαση και η συμπεριφορά του φτυσίματος του τοξότη (Toxotes chatareus )». Συμπεριφορική Οικολογία και Κοινωνιοβιολογία . 2 (2):169–184. doi:10.1007/BF00361900
• Hecht, Eugene (2002). Οπτικά . Άντισον-Γουέσλι. ISBN 0-321-18878-0.
• Hogan, C. Michael (1973). «Ανάλυση θορύβου αυτοκινητοδρόμων». Ρύπανση νερού, αέρα και εδάφους . 2 (3):387–392. doi:10.1007/BF00159677