Quando un raggio di luce passa da un mezzo all'altro, ad esempio quando esce da uno stagno d'acqua o quando passa attraverso gli occhiali, potresti aver notato che si piega. Questa è chiamata rifrazione e avviene con angoli diversi a seconda della luce incidente e del materiale. È anche il modo in cui gli occhi possono vedere e trasmettere immagini al cervello.
Rifrazione della luce
La rifrazione è la curvatura dei raggi luminosi mentre passano da un mezzo a un secondo mezzo. Risulta dal fatto che la luce viaggia a velocità leggermente diverse in mezzi diversi. Quanto viene rifratto un raggio di luce dipenderà da quanto è diversa la sua velocità nel secondo mezzo dal primo. Maggiore è la differenza di velocità, maggiore è l'angolo di rifrazione.
Puoi pensarci usando il principio del tempo minimo. Immagina un bagnino che cerca di raggiungere un nuotatore, in fondo alla riva e in acqua, nel più breve tempo possibile. Sa che può correre molto più veloce di quanto sappia nuotare. Cercare di raggiungere il nuotatore viaggiando in linea retta sarebbe inefficiente a causa della sua bassa velocità di nuoto rispetto alla sua velocità di corsa; invece, corre lungo la spiaggia fino a quando non è quasi di fronte al nuotatore, e poi si tuffa in acqua.
La distanza che percorre è più lunga, ma il tempo percorso è più breve a causa delle sue diverse velocità in diversi mezzi. Questo è ciò che fa la luce quando viene rifratta.
Le onde d'acqua possono anche essere rifratte quando si viaggia tra aree di diverse profondità, perché le onde viaggeranno a velocità diverse a seconda che si trovino in acque poco profonde o profonde.
Indice di rifrazione
L'indice di rifrazione per un dato mezzo è un numero senza unitàndoven = c/v, dovecè la velocità della luce nel vuoto evè la velocità della luce nel mezzo. Più la luce viaggia lentamente in un mezzo, più alto sarà l'indice di rifrazione di quel mezzo. La velocità di un'onda luminosa in un mezzo dipenderà dalla sua lunghezza d'onda, e quindi anche l'indice di rifrazione.
Questo porta ad un fenomeno chiamatodispersione, che può essere visto nei prismi di luce: quando la luce bianca, che contiene onde luminose di molte diverse lunghezze d'onda, entra in un prisma, ogni onda luminosa componente viene rifratta con un angolo diverso a seconda della sua lunghezza d'onda. Questo crea l'aspetto di un arcobaleno.
L'indice di rifrazione nell'aria dipende da molti fattori tra cui la pressione e la temperatura. Le "onde" che si vedono emanare da oggetti caldi come i marciapiedi in estate si verificano perché la luce si rifrange in modo diverso attraverso l'aria più calda rispetto all'aria più fredda, causando immagini distorte.
Inoltre, l'aria vicino a una strada calda in estate può effettivamente riflettere la luce che arriva verso un osservatore con un angolo poco profondo, facendo sembrare che ci fosse uno specchio o una superficie d'acqua riflettente sul strada.
Legge di Snell
La legge di Snell mette in relazione gli indici di rifrazione di due mezzi, così come l'angolo di incidenzaθioall'angolo di rifrazioneθr, a come la luce si piega mentre passa da un mezzo all'altro.
n_i\sin (\theta_i)=n_r\sin (\theta_r)
Questa equazione può prevedere l'angolo di rifrazione della luce in un dato mezzo, se sono noti gli indici di rifrazione di entrambi i mezzi e l'angolo di incidenza. Vale in qualsiasi situazione che coinvolga la rifrazione della luce, con due mezzi qualsiasi.
Riflessione interna totale
Se le onde luminose passano da un mezzo con un alto indice di rifrazione a un mezzo con un indice di rifrazione più basso, c'è un angolo critico al di sopra del quale la luce si piega abbastanza da non muoversi nell'altro mezzo. Questa è chiamata riflessione interna totale.
L'angolo critico è l'angolo incidente per il quale il raggio in uscita ha un angolo di rifrazione di 90 gradi. Così
\theta_i=\peccato^{-1}\frac{n_i}{n_r}
Ad angoli al di sopra dell'angolo critico, tutta la luce subisce una riflessione interna totale.
La riflessione interna totale spiega perché, da una certa angolazione, la superficie acqua/aria in un acquario, se osservata dal basso, sembrerà uno specchio perfetto. L'aria ha un indice di rifrazione molto più basso dell'acqua, quindi le onde luminose hanno un angolo poco profondo rispetto al superficie dal basso si rifletterà sulla superficie invece di rifrangersi attraverso di essa, creando a specchio.
La riflessione interna totale può verificarsi anche nelle onde d'acqua e nelle onde sonore.
Lenti a contatto
La rifrazione della luce in un mezzo può cambiare quando la superficie tra i mezzi è curva. In effetti, la luce che proviene dalla stessa direzione si rifrangerà ad angoli diversi a seconda di dove colpisce la superficie curva.
Le lenti sono pezzi di materiale trasparente con lati curvi che utilizzano la rifrazione per influenzare il percorso della luce. Una lente convergente è più spessa al centro, consentendo ai raggi luminosi che entrano da un lato della lente di convergere verso un punto focale dall'altro lato. Questo è ciò che usano le lenti di ingrandimento e alcuni telescopi.
Una lente concava è più sottile al centro che ai bordi e i raggi luminosi che entrano da un lato vengono rifratti verso l'esterno e si diffondono mentre emergono dall'altro lato.
Entrambi i tipi di lenti sono utilizzati nella visione correttiva, sia negli occhiali che nelle lenti a contatto, a seconda di quale sia il problema nell'occhio.
Esempi
I nostri occhi interpretano la luce usando la rifrazione. La luce entra nella cornea e poi nel cristallino, rifrangendosi in un punto preciso della retina. L'immagine viene quindi trasmessa al cervello attraverso il nervo ottico. Gli occhi lacrimosi portano a una visione offuscata a causa delle proprietà rifrattive delle lacrime.
Tutto ciò che contiene fibre ottiche si basa sulla riflessione interna totale. Le fibre hanno un alto indice di rifrazione e sono circondate da materiale con un indice di rifrazione molto basso. Quando la luce attraversa la fibra, il suo angolo con l'esterno della fibra è sufficientemente basso da impedirne la fuoriuscita. Ciò consente alla fibra di trasportare una luce molto focalizzata a grande distanza. Le fibre ottiche sono utilizzate principalmente nei servizi Internet e telefonici.
Gli arcobaleni sono causati dalla rifrazione e dal riflesso della luce solare sulle goccioline d'acqua nell'aria. Questo può accadere dopo i temporali o in condizioni di nebbia, ma anche in prossimità di cascate e fontane. Come accennato in precedenza, diverse lunghezze d'onda (colori) della luce hanno indici di rifrazione leggermente diversi per un dato materiale, il che le rende rifrangenti ad angoli diversi. Un osservatore vede quindi un arcobaleno di colori, in ordine di lunghezza d'onda.
La rifrazione è il motivo per cui l'acqua in uno stagno sembra meno profonda di quanto non sia in realtà. Non appena la luce nell'aria entra nell'acqua, si piega con un angolo minore rispetto alla superficie a causa della rifrazione. A un osservatore sul lato "aria" della superficie, sembra che tutto sotto la superficie sia meno profondo, perché la luce è piegata ad angoli meno profondi.
L'angolo critico influenza anche il modo in cui vengono tagliate le pietre preziose. Una pietra preziosa può essere tagliata in modo tale che la luce che entra in essa subisca una riflessione interna totale quando colpisce le sfaccettature posteriori, emergendo nuovamente dalla parte anteriore della pietra per farla sembrare più luminosa. Il diamante, con un alto indice di rifrazione, è particolarmente ideale per questo, rendendolo una pietra preziosa popolare.