Dok zraka svjetlosti prelazi iz jednog medija u drugi - na primjer kada izlazi iz ribnjaka s vodom ili kad prolazi kroz vaše naočale - možda ste primijetili da se savija. To se naziva lom i događa se pod različitim kutovima, ovisno o upadnoj svjetlosti i materijalu. Također je kako oči mogu vidjeti i prenijeti slike u mozak.
Prelamanje svjetlosti
Refrakcija je savijanje svjetlosnih zraka dok prelaze iz jednog u drugi medij. To proizlazi iz činjenice da svjetlost putuje neznatno različitim brzinama u različitim medijima. Koliko će se svjetlosna zraka lomiti ovisit će o tome koliko se njegova brzina u drugom mediju razlikuje od prvog. Što je veća razlika u brzinama, to je veći kut loma.
O tome možete razmišljati koristeći princip najmanje vremena. Zamislite spasioca koji pokušava doći do plivača, daleko niz obalu i izaći u vodu, u najkraćem mogućem roku. Zna da može trčati puno brže nego što može plivati. Pokušaj dolaska do plivača putujući ravnom linijom bio bi neučinkovit zbog njene spore brzine plivanja u odnosu na brzinu trčanja; umjesto toga, trči plažom dok se gotovo ne nađe ispred kupača, a zatim skače u vodi.
Udaljenost koju pređe je duža, ali prijeđeno vrijeme je kraće zbog različitih brzina u različitim medijima. To svjetlost čini kad se lomi.
Vodeni se valovi također mogu lomiti kada putuju između područja različitih dubina, jer će se valovi kretati različitim brzinama, ovisno o tome jesu li u plitkoj vodi ili dubokoj vodi.
Indeks loma
Indeks loma za dani medij je broj bez jedinicengdjen = c / v, gdjecje brzina svjetlosti u vakuumu ivje brzina svjetlosti u mediju. Što sporije svjetlost putuje u mediju, to će veći biti indeks loma tog medija. Brzina svjetlosnog vala u mediju ovisit će o njegovoj valnoj duljini, a time će ovisiti i indeks loma.
To dovodi do pojave tzvdisperzija, što se može vidjeti u svjetlosnim prizmama: Kad bijela svjetlost, koja sadrži svjetlosne valove mnogih različitih valnih duljina, ulazi u prizmu, svaki se svjetlosni val lomi pod različitim kutom, ovisno o svom valna duljina. To stvara izgled duge.
Indeks loma u zraku ovisi o mnogim čimbenicima, uključujući tlak i temperaturu. "Valovi" koji ljeti proizlaze iz vrućih predmeta poput pločnika javljaju se jer se svjetlost lomi drugačije kroz vrući zrak nego hladniji, što uzrokuje iskrivljene slike.
Osim toga, zrak u blizini vruće ceste ljeti zapravo može reflektirati svjetlost koja dolazi prema promatraču pod plitkim kutom, čineći se kao da na zrcalu postoji zrcalo ili reflektirajuća vodena površina ceste.
Snelllov zakon
Snellov zakon povezuje indekse loma dva medija, kao i upadni kutθina kut lomaθr, na to kako se svjetlost savija dok prelazi iz jednog medija u drugi.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
Ova jednadžba može predvidjeti kut pod kojim će se svjetlost lomiti u danom mediju, ako su poznati indeksi loma oba medija i upadni kut. To vrijedi u bilo kojoj situaciji koja uključuje lom svjetlosti, s bilo koja dva medija.
Ukupna unutarnja refleksija
Ako svjetlosni valovi prelaze iz medija s visokim indeksom loma u medij s nižim indeksom loma, postoji kritični kut iznad kojeg svjetlost postaje dovoljno savijena da se niti jedna ne pomakne u drugi medij. To se naziva totalna unutarnja refleksija.
Kritični kut je upadni kut za koji odlazeća zraka ima kut loma od 90 stupnjeva. Tako
\ theta_i = \ sin ^ {- 1} \ frac {n_i} {n_r}
Pod kutovima iznad kritičnog kuta, sva svjetlost prolazi kroz potpunu unutarnju refleksiju.
Ukupna unutarnja refleksija objašnjava zašto će iz određenog kuta površina vode / zraka u akvariju promatrana odozdo izgledati kao savršeno ogledalo. Zrak ima puno niži indeks loma od vode, pa svjetlosni valovi pod malim kutom prema površina odozdo odbijat će se od površine, umjesto da se kroz nju prelama, stvarajući a ogledalo.
Ukupna unutarnja refleksija također se može dogoditi u vodenim valovima i zvučnim valovima.
Leće
Prelamanje svjetlosti u mediju može se promijeniti kada je površina između medija zakrivljena. Zapravo, svjetlost koja dolazi iz istog smjera lomit će se pod različitim kutovima, ovisno o tome gdje na zakrivljenoj površini udara.
Leće su komadi prozirnog materijala sa zakrivljenim stranama koji koriste lom kako bi utjecali na put svjetlosti. Konvergentna leća je u sredini deblja, što omogućuje svjetlosnim zrakama koje ulaze s jedne strane leće da se konvergiraju u žarišnu točku s druge strane. To je ono što koriste povećala i neki teleskopi.
Udubljena leća je u sredini tanja nego na rubovima, a zrake svjetlosti koje ulaze s jedne strane prelamaju se prema van i šire se kad izlaze s druge strane.
Obje vrste leća koriste se u korektivnom vidu, bilo u naočalama ili kontaktima, ovisno o problemu u oku.
Primjeri
Naše oči interpretiraju svjetlost pomoću refrakcije. Svjetlost ulazi u rožnicu, a zatim u leću, prelamajući se u točno određenu točku na mrežnici. Slika se zatim prenosi u mozak kroz vidni živac. Suzne oči dovode do zamućenja vida zbog loma svojstava suza.
Sve što sadrži optička vlakna oslanja se na potpunu unutarnju refleksiju. Vlakna imaju visok indeks loma i okružena su materijalom s vrlo niskim indeksom loma. Kako svjetlost putuje kroz vlakno, njegov je kut s vanjskom stranom vlakna dovoljno nizak da ne bi pobjegao. To omogućuje vlaknima da nose jako fokusiranu svjetlost na veliku udaljenost. Optička vlakna koriste se prvenstveno u internetskim i telefonskim uslugama.
Duge nastaju lomom i odbijanjem sunčeve svjetlosti od kapljica vode u zraku. To se može dogoditi nakon kišnih oluja ili u maglovitim uvjetima, ali i u blizini slapova i fontana. Kao što je već spomenuto, različite valne duljine (boje) svjetlosti imaju malo različite indekse loma za određeni materijal, zbog čega se lome pod različitim kutovima. Tada promatrač vidi dugu boja, poredane po valnoj duljini.
Refrakcija je razlog zašto voda u ribnjaku izgleda pliće nego što zapravo jest. Čim svjetlost u zraku uđe u vodu, ona se savija pod manjim kutom prema površini zbog loma. Promatraču na "zračnoj" strani površine izgleda kao da je sve ispod površine pliće, jer je svjetlost savijena pod manjim kutovima.
Kritični kut također utječe na način rezanja dragog kamenja. Dragi kamen može se izrezati tako da svjetlost koja u njega uđe doživi potpunu unutarnju refleksiju kada udari u stražnje strane, izlazeći opet iz prednje strane kamena kako bi se učinila sjajnijom. Dijamant, s visokim indeksom loma, posebno je idealan za to, što ga čini popularnim dragim kamenom.