Kun valonsäde kulkee väliaineesta toiseen - esimerkiksi kun se poistuu vesialtaasta tai kun se kulkee silmälasien läpi - olet ehkä huomannut, että se taipuu. Tätä kutsutaan taittumiseksi, ja se tapahtuu eri kulmissa riippuen tulevasta valosta ja materiaalista. Se on myös miten silmät näkevät ja välittävät kuvia aivoihin.
Valon taittuminen
Taittuminen on valonsäteiden taipumista, kun ne kulkevat väliaineesta toiseen väliaineeseen. Se johtuu siitä, että valo kulkee hieman eri nopeuksilla eri väliaineissa. Kuinka paljon valonsäde taittuu, riippuu siitä, kuinka erilainen sen nopeus on toisessa väliaineessa ensimmäisestä. Mitä suurempi ero nopeuksissa, sitä suurempi taittokulma.
Voit ajatella tätä käyttämällä periaatetta vähiten aikaa. Kuvittele, että hengenpelastaja yrittää tavoittaa uimarin niin kaukana rannasta kuin vedessä mahdollisimman lyhyessä ajassa. Hän tietää pystyvänsä juoksemaan paljon nopeammin kuin uimaan. Yritä päästä uimarin luokse matkustamalla suoralla linjalla olisi tehotonta hänen hitaan uintinopeudensa vuoksi suhteessa juoksunopeuteen; sen sijaan hän juoksee alas rannalle, kunnes on melkein uimarin edessä, ja hyppää sitten veteen.
Hänen kulkemansa matkansa on pidempi, mutta kuljettu aika on lyhyempi, koska hänellä on erilaiset nopeudet eri välineissä. Tätä valo tekee, kun se taittuu.
Vesiaallot voivat myös taittua, kun ne kulkevat eri syvyisten alueiden välillä, koska aallot kulkevat eri nopeuksilla sen mukaan, ovatko ne matalassa vai syvässä vedessä.
Taitekerroin
Tietyn väliaineen taitekerroin on yksikköön kuulumaton lukunmissän = c / v, missäcon valon nopeus tyhjiössä javon valon nopeus väliaineessa. Hitaammin valo kulkee väliaineessa, sitä suurempi on väliaineen taitekerroin. Valoaallon nopeus väliaineessa riippuu sen aallonpituudesta ja siten myös taitekerroin.
Tämä johtaa ilmiöön nimeltädispersio, joka näkyy valoprizmissa: Kun valkoinen valo, joka sisältää monenlaisten valoaaltoja aallonpituuksilla, menee prismaan, jokainen komponentti-valoaalto taittuu eri kulmassa sen riippuen aallonpituus. Tämä luo sateenkaaren ulkonäön.
Taitekerroin ilmassa riippuu monista tekijöistä, mukaan lukien paine ja lämpötila. Kesällä kuumista esineistä, kuten jalkakäytävästä, tulevat "aallot" tapahtuvat, koska valo taittuu kuumemman ilman kautta viileämmän ilman kautta aiheuttaen vääristyneitä kuvia.
Lisäksi ilma kuumalla tiellä lähellä kesää voi todella heijastaa valoa, joka tulee kohti tarkkailijaa matalassa kulmassa, jolloin näyttää siltä, että siinä olisi peili tai heijastava vesipinta tiellä.
Snellin laki
Snellin laki koskee kahden väliaineen taittumisindeksejä sekä tulokulmaaθitaittokulmaanθr, kuinka valo taipuu kulkiessaan väliaineesta toiseen.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
Tämä yhtälö voi ennustaa kulman, jolla valo taittuu tietyssä väliaineessa, jos molempien väliaineiden taitekertoimet ja tulokulma tunnetaan. Se pitää paikkansa kaikissa tilanteissa, joihin liittyy valon taittuminen, millä tahansa kahdella väliaineella.
Sisäinen heijastus
Jos valoaallot kulkevat väliaineesta, jolla on korkea taitekerroin, väliaineeseen, jolla on alempi taitekerroin, on kriittinen kulma, jonka yläpuolella valo taipuu tarpeeksi, ettei mikään niistä siirry toiseen väliaineeseen. Tätä kutsutaan täydelliseksi sisäiseksi heijastukseksi.
Kriittinen kulma on tulokulma, jonka lähtevän säteen taittokulma on 90 astetta. Niin
\ theta_i = \ sin ^ {- 1} \ frac {n_i} {n_r}
Kriittisen kulman yläpuolella olevissa kulmissa kaikki valot läpikäyvät täydellisen sisäisen heijastuksen.
Täydellinen sisäinen heijastus selittää, miksi tietyssä kulmassa kalasäiliön vesi / ilman pinta näyttää alhaalta katsottuna täydellisenä peilinä. Ilman taitekerroin on paljon pienempi kuin vedellä, joten valoaallot ovat matalassa kulmassa alhaalta tuleva pinta heijastuu pois pinnasta sen sijaan, että se taittaisi sen läpi muodostaen peili.
Täydellinen sisäinen heijastus voi tapahtua myös vesi- ja ääniaalloilla.
Linssit
Valon taittuminen väliaineessa voi muuttua, kun väliaineiden välinen pinta on kaareva. Itse asiassa samasta suunnasta tuleva valo taittuu eri kulmissa sen mukaan, mihin kaarevaan pintaan se osuu.
Linssit ovat läpinäkyviä materiaaleja, joissa on kaarevat sivut ja jotka käyttävät taittumista valon polkuun vaikuttamiseksi. Yhdistyvä linssi on keskeltä paksumpi, jolloin linssin yhdeltä puolelta tulevat valonsäteet voivat yhtyä polttopisteeseen toisella puolella. Tätä suurennuslasit ja jotkut teleskoopit käyttävät.
Kovera linssi on keskeltä ohuempi kuin reunoilla, ja yhdeltä puolelta tulevat valonsäteet taittuvat ulospäin ja leviävät toisistaan, kun ne syntyvät toiselle puolelle.
Molempia linssejä käytetään korjaavassa näkössä, olivatpa ne sitten silmälaseja tai kontakteja, riippuen siitä, mikä ongelma silmässä on.
Esimerkkejä
Silmämme tulkitsevat valoa taittamalla. Valo tulee sarveiskalvoon ja sitten linssiin, taittumalla tarkkaan verkkokalvon pisteeseen. Kuva siirretään sitten aivoihin näköhermon kautta. Kyyneliset silmät johtavat näön hämärtymiseen kyynelien taitekykyjen takia.
Kaikki, mikä sisältää optisia kuituja, perustuu täydelliseen sisäiseen heijastukseen. Kuiduilla on korkea taitekerroin, ja niitä ympäröi materiaali, jolla on hyvin alhainen taitekerroin. Kun valo kulkee kuidun läpi, sen kulma kuidun ulkopinnan kanssa on riittävän alhainen, jotta se ei pääse poistumaan. Tämä sallii kuidun kuljettaa hyvin tarkennettua valoa suurella etäisyydellä. Kuituoptiikkaa käytetään pääasiassa Internet- ja puhelinpalveluissa.
Sateenkaaret johtuvat taittumisesta ja auringonvalon heijastumisesta ilmassa olevista vesipisaroista. Tämä voi tapahtua sateiden jälkeen tai sumuisissa olosuhteissa, mutta myös vesiputousten ja suihkulähteiden lähellä. Kuten aiemmin mainittiin, valon eri aallonpituuksilla (väreillä) on hieman erilaiset taitekertoimet tietylle materiaalille, mikä saa ne taittumaan eri kulmissa. Tarkkailija näkee sitten värien sateenkaaren aallonpituuden mukaan.
Taittuminen on sitä, miksi lammen vesi näyttää matalammalta kuin se todellisuudessa on. Heti kun ilmavalo pääsee veteen, se taipuu taittumisen vuoksi matalammassa kulmassa pintaa vastaan. Pinnan "ilman" puolella olevalle tarkkailijalle näyttää siltä, että kaikki pinnan alla on matalampaa, koska valo on taipunut matalammissa kulmissa.
Kriittinen kulma vaikuttaa myös jalokivien leikkaamiseen. Jalokivi voidaan leikata siten, että sen sisään tuleva valo läpikäy täydellisen sisäisen heijastuksen, kun se osuu takaosiin ja nousee taas kiven etuosasta saadakseen sen näyttämään kirkkaammalta. Timantti, jolla on korkea taitekerroin, on erityisen ihanteellinen tähän, joten se on suosittu jalokivi.