Amint egy fénysugár áthalad egyik közegből a másikba - például amikor kilép egy vízi tóból, vagy amikor áthalad a szemüvegén -, észrevehette, hogy meghajlik. Ezt hívják fénytörésnek, és a beeső fénytől és az anyagtól függően különböző szögekben történik. Az is, hogy a szemek hogyan láthatnak és továbbíthatnak képeket az agyba.
Fénytörés
A fénytörés a fénysugarak hajlítása, amikor egyik közegből egy második közegbe kerülnek. Ennek oka az, hogy a fény kissé eltérő sebességgel halad a különböző közegekben. Az, hogy egy fénysugár mennyire törik meg, attól függ, hogy a második közegben milyen sebességgel tér el az első. Minél nagyobb a sebességkülönbség, annál nagyobb a törés szöge.
Ezen gondolkodhat a legkevesebb idő elvével. Képzelje el, hogy egy vízimentő a lehető legrövidebb idő alatt megpróbálja elérni az úszót, messze a parton és kint a vízben. Tudja, hogy sokkal gyorsabban tud futni, mint úszni. Ha egyenes vonalban haladva megpróbál eljutni az úszóhoz, nem lenne hatékony, mivel lassú az úszási sebessége a futási sebességéhez képest; ehelyett lefut a partra, amíg majdnem az úszó előtt van, majd a vízbe ugrik.
Az általa megtett távolság hosszabb, de a megtett idő rövidebb, mert különböző közegekben eltérő a sebessége. Ezt teszi a fény, ha megtörik.
A vízhullámok különböző mélységű területek között haladva is megtörhetnek, mert a hullámok különböző sebességgel haladnak, attól függően, hogy sekély vagy mély vízben vannak-e.
Törésmutató
Egy adott közeg törésmutatója egység nélküli számnholn = c / v, holca fény sebessége vákuumban ésva fény sebessége a közegben. Minél lassabban halad a fény egy közegben, annál magasabb lesz a közeg törésmutatója. A közegben lévő fényhullám sebessége függ a hullámhosszától, ezért a törésmutató is.
Ez egy úgynevezett jelenséghez vezetdiszperzió, amely a fényprizmákban látható: Amikor a fehér fény, amely sokféle fényhullámot tartalmaz hullámhosszúságú, belép egy prizmába, minden egyes komponens fényhulláma annak szögétől függően különböző szögben megtörik hullámhossz. Ez szivárvány megjelenését kelti.
A fénytörési index számos tényezőtől függ, beleértve a nyomást és a hőmérsékletet is. A forró tárgyakból, például a járdából nyáron látott "hullámok" azért fordulnak elő, mert a fény forróbb levegőn keresztül másként törik, mint a hűvösebb, torz képeket okozva.
Ezenkívül a forró út közelében lévő levegő nyáron valóban visszatükrözi a megfigyelő felé érkező fényt sekély szögben, úgy tűnik, mintha tükör vagy fényvisszaverő vízfelület lenne a út.
Snell törvénye
Snell törvénye két közeg törésmutatóit, valamint a beesési szöget kapcsolja összeθéna törés szögéhezθr, arra, hogy a fény hogyan hajlik át, amikor az egyik közegből a másikba halad.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
Ez az egyenlet megjósolhatja azt a szöget, amelynél a fény egy adott közegben megtörik, ha ismertek a közegek törésmutatói és a beesési szög. Minden fénytöréssel járó helyzetben igaz, bármely két közeggel.
Teljes belső reflexió
Ha a fényhullámok a magas törésmutatójú közegből az alacsonyabb törésmutatójú közegbe kerülnek, van egy kritikus szög, amely felett a fény eléggé meghajlik, így egyik sem mozdul el a másik közegbe. Ezt teljes belső reflexiónak nevezzük.
A kritikus szög az a beesési szög, amelynél a kimenő sugár törésszöge 90 fok. Így
\ theta_i = \ sin ^ {- 1} \ frac {n_i} {n_r}
A kritikus szög feletti szögekben minden fény teljes belső visszaverődésen megy keresztül.
A teljes belső visszatükröződés megmagyarázza, hogy egy akváriumban lévő víz / levegő felülete egy bizonyos szögből miért néz ki tökéletes tükörnek. A levegő törésmutatója jóval alacsonyabb, mint a vízé, ezért a fényhullámok sekély szögben vannak a az alulról érkező felület visszaverődik a felszínről, ahelyett, hogy áttörne rajta, létrehozva a tükör.
A teljes belső visszaverődés vízhullámokban és hanghullámokban is előfordulhat.
Lencsék
A fény fénytörése egy közegben megváltozhat, ha a médiumok közötti felület ívelt. Valójában az azonos irányból érkező fény különböző szögekben fog megtörni attól függően, hogy az ívelt felületen hova ütközik.
A lencsék átlátszó, ívelt oldalú anyagdarabok, amelyek fénytörésre hatnak a fény útjában. A konvergáló lencse középen vastagabb, így a lencse egyik oldaláról bejutó fénysugarak konvergálhatnak a másik oldalon lévő fókuszpontba. Ezt használják a nagyító és néhány távcső.
A konkáv lencse középen vékonyabb, mint a széleken, és az egyik oldalról bejutó fénysugarak megtörnek kifelé, és szétszóródnak, amikor a másik oldalon megjelennek.
Mindkét típusú lencsét alkalmazzák a korrekciós látásban, akár szemüvegben, akár kontaktusban, attól függően, hogy mi a probléma a szemben.
Példák
A szemünk fénytörést használ. A fény bejut a szaruhártyába, majd a lencsébe, a retina pontos pontjára törik. A képet a látóidegen keresztül továbbítják az agyba. A könnyes szemek homályos látáshoz vezetnek a könnyek törésálló tulajdonságai miatt.
Bármi, ami optikai szálakat tartalmaz, a teljes belső visszaverődésre támaszkodik. A szálak törésmutatója magas, és nagyon alacsony törésmutatójú anyag veszi körül őket. Amint a fény áthalad a szálon, szöge a szál külsejével elég alacsony ahhoz, hogy ne szökhessen el. Ez lehetővé teszi, hogy a szál nagyon fókuszált fényt vigyen nagy távolságra. A száloptikát elsősorban az internetes és telefonos szolgáltatásokban használják.
A szivárványokat a fénytörés és a napfény visszaverődése okozza a levegőben lévő vízcseppekről. Ez előfordulhat viharok után vagy ködös körülmények között, de vízesések és szökőkutak közelében is. Amint azt korábban említettük, a különböző hullámhosszúságú (színű) fények kissé eltérnek egy adott anyag törésmutatójától, ami miatt különböző szögekben törnek meg. Ezután egy megfigyelő meglátja a színek szivárványát, hullámhossz szerint.
A fénytörés miatt a tóban lévő víz sekélyebbnek tűnik, mint amilyen valójában. Amint a levegőben lévő fény bejut a vízbe, a fénytörés miatt sekélyebb szögben hajlik a felszínhez. A felület "levegő" oldalán lévő megfigyelő számára úgy tűnik, mintha a felszín alatt minden sekélyebb lenne, mert a fény sekélyebb szögben hajlik.
A kritikus szög befolyásolja a drágakövek vágásának módját is. Egy drágakövet úgy lehet kivágni, hogy a belépő fény teljes belső visszaverődést éljen át, amikor a hátsó oldalra ütközik, és újra előkerül a kő elülső részén, hogy fényesebbnek tűnjön. A magas törésmutatójú gyémánt erre különösen ideális, ezért népszerű drágakő.