Kiedy promień światła przechodzi z jednego ośrodka do drugiego – na przykład gdy wychodzi ze stawu wodnego lub gdy przechodzi przez twoje okulary – być może zauważyłeś, że się ugina. Nazywa się to załamaniem i zachodzi pod różnymi kątami w zależności od padającego światła i materiału. W ten sposób oczy widzą i przekazują obrazy do mózgu.
Załamanie światła
Refrakcja to zakrzywienie promieni świetlnych przechodzących z jednego ośrodka do drugiego ośrodka. Wynika to z faktu, że światło porusza się z nieco inną prędkością w różnych mediach. Stopień załamania promienia świetlnego będzie zależeć od tego, jak różni się jego prędkość w drugim ośrodku od pierwszego. Im większa różnica prędkości, tym większy kąt załamania.
Możesz o tym myśleć stosując zasadę najmniejszego czasu. Wyobraź sobie ratownika próbującego dotrzeć do pływaka daleko na brzegu i w wodzie w jak najkrótszym czasie. Wie, że potrafi biegać znacznie szybciej niż pływać. Próba dotarcia do pływaka po linii prostej byłaby nieskuteczna ze względu na jej małą prędkość pływania w stosunku do jej prędkości biegu; zamiast tego biegnie po plaży, aż znajdzie się prawie przed pływakiem, a następnie wskakuje do wody.
Dystans, który pokonuje, jest dłuższy, ale przebyty czas jest krótszy ze względu na jej różne prędkości w różnych mediach. To właśnie robi światło, gdy się załamuje.
Fale wodne mogą również załamywać się podczas podróży między obszarami o różnych głębokościach, ponieważ fale będą przemieszczać się z różnymi prędkościami w zależności od tego, czy znajdują się w płytkiej, czy głębokiej wodzie.
Współczynnik załamania światła
Współczynnik załamania światła dla danego ośrodka jest liczbą niemianowanąniegdzien = c/v, gdziedoto prędkość światła w próżni ivto prędkość światła w ośrodku. Im wolniej światło porusza się w ośrodku, tym wyższy będzie współczynnik załamania tego ośrodka. Prędkość fali świetlnej w ośrodku będzie zależeć od jego długości fali, a tym samym od współczynnika załamania.
Prowadzi to do zjawiska zwanegodyspersja, co widać w pryzmatach świetlnych: Kiedy białe światło, które zawiera wiele różnych fal świetlnych długości fal, wchodzi do pryzmatu, każda składowa fala świetlna jest załamywana pod różnym kątem w zależności od jego długość fali. Tworzy to wygląd tęczy.
Współczynnik załamania w powietrzu zależy od wielu czynników, w tym ciśnienia i temperatury. Widoczne „fale” emanujące z gorących obiektów, takich jak nawierzchnia latem, występują, ponieważ światło załamuje się inaczej w cieplejszym powietrzu niż w chłodniejszym, powodując zniekształcenie obrazów.
Ponadto latem powietrze w pobliżu gorącej drogi może odbijać światło, które dociera do obserwatora pod niewielkim kątem, co sprawia wrażenie, jakby na powierzchni znajdowało się lustro lub odbijająca światło tafla wody Droga.
Prawo Snella
Prawo Snella wiąże współczynniki załamania dwóch mediów oraz kąt padaniaθjado kąta załamaniaθr, jak światło ugina się, przechodząc z jednego medium do drugiego.
n_i\sin (\theta_i)=n_r\sin (\theta_r)
To równanie może przewidzieć kąt, pod jakim światło będzie załamywać się w danym ośrodku, jeśli znane są współczynniki załamania obu ośrodków oraz kąt padania. Odnosi się to do każdej sytuacji, w której zachodzi załamanie światła, z dowolnymi dwoma ośrodkami.
Całkowite odbicie wewnętrzne
Jeżeli fale świetlne przechodzą z ośrodka o wysokim współczynniku załamania do ośrodka o niższym współczynniku załamania, istnieje kąt krytyczny, powyżej którego światło zostaje wygięte na tyle, że żadne z nich nie przesuwa się w inne medium. Nazywa się to całkowitym odbiciem wewnętrznym.
Kąt krytyczny to kąt padania, dla którego promień wychodzący ma kąt załamania 90 stopni. Więc
\theta_i=\sin^{-1}\frac{n_i}{n_r}
Pod kątami powyżej kąta krytycznego całe światło ulega całkowitemu odbiciu wewnętrznemu.
Całkowite odbicie wewnętrzne wyjaśnia, dlaczego pod pewnym kątem powierzchnia wody/powietrza w akwarium obserwowana od dołu będzie wyglądać jak idealne lustro. Powietrze ma znacznie niższy współczynnik załamania światła niż woda, a więc fale świetlne pod niewielkim kątem do powierzchnia od dołu będzie odbijać się od powierzchni zamiast załamywać się przez nią, tworząc lustro.
Całkowite odbicie wewnętrzne może również wystąpić w falach wodnych i falach dźwiękowych.
Soczewki
Załamanie światła w ośrodku może ulec zmianie, gdy powierzchnia między ośrodkami jest zakrzywiona. W rzeczywistości światło nadchodzące z tego samego kierunku będzie załamywać się pod różnymi kątami w zależności od tego, gdzie padnie na zakrzywioną powierzchnię.
Soczewki to kawałki przezroczystego materiału o zakrzywionych bokach, które wykorzystują załamanie do wpływania na ścieżkę światła. Soczewka skupiająca jest grubsza w środku, dzięki czemu promienie światła wpadające z jednej strony soczewki skupiają się w ognisku po drugiej stronie. Właśnie tego używają lupy i niektóre teleskopy.
Soczewka wklęsła jest cieńsza w środku niż na krawędziach, a promienie światła wpadające z jednej strony są załamywane na zewnątrz i rozchodzą się, gdy wychodzą z drugiej strony.
Oba rodzaje soczewek są używane w korekcji wzroku, czy to w okularach, czy w kontaktach, w zależności od problemu w oku.
Przykłady
Nasze oczy interpretują światło za pomocą refrakcji. Światło wnika do rogówki, a następnie do soczewki, załamując się w precyzyjnym punkcie na siatkówce. Obraz jest następnie przesyłany do mózgu przez nerw wzrokowy. Oczy łez prowadzą do niewyraźnego widzenia ze względu na właściwości refrakcyjne łez.
Wszystko, co zawiera włókna światłowodowe, opiera się na całkowitym odbiciu wewnętrznym. Włókna mają wysoki współczynnik załamania i są otoczone materiałem o bardzo niskim współczynniku załamania. Gdy światło przechodzi przez włókno, jego kąt z zewnętrzną stroną światłowodu jest wystarczająco niski, aby zapobiec ucieczce. Dzięki temu światłowód może przenosić bardzo skupione światło na dużą odległość. Światłowody wykorzystywane są przede wszystkim w usługach internetowych i telefonicznych.
Tęcze są spowodowane załamaniem i odbiciem światła słonecznego od kropel wody w powietrzu. Może się to zdarzyć po ulewie lub w mglistych warunkach, ale także w pobliżu wodospadów i fontann. Jak wspomniano wcześniej, różne długości fal (kolory) światła mają nieco inne współczynniki załamania dla danego materiału, co powoduje, że załamują się pod różnymi kątami. Obserwator widzi następnie tęczę kolorów w kolejności długości fali.
Refrakcja sprawia, że woda w stawie wygląda na płytszą niż jest w rzeczywistości. Gdy tylko światło w powietrzu dostanie się do wody, ugina się pod płytszym kątem do powierzchni z powodu załamania. Obserwatorowi po „powietrznej” stronie powierzchni wydaje się, że wszystko pod powierzchnią jest płytsze, ponieważ światło jest zakrzywione pod płytszymi kątami.
Kąt krytyczny wpływa również na sposób cięcia kamieni szlachetnych. Kamień szlachetny można ciąć w taki sposób, że światło, które wpada do niego, ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, gdy uderza w tylne fasety, wyłaniając się ponownie z przodu kamienia, aby wydawał się jaśniejszy. Diament o wysokim współczynniku załamania jest do tego szczególnie idealny, co czyni go popularnym kamieniem szlachetnym.