Bir ışık ışını bir ortamdan diğerine geçerken – örneğin bir su birikintisinden çıkarken veya gözlüğünüzden geçerken – büküldüğünü fark etmiş olabilirsiniz. Buna kırılma denir ve gelen ışığa ve malzemeye bağlı olarak farklı açılarda gerçekleşir. Aynı zamanda gözlerin görme ve görüntüleri beyne iletme şeklidir.
Işığın Kırılması
Kırılma, ışık ışınlarının bir ortamdan ikinci bir ortama geçerken bükülmesidir. Işığın farklı ortamlarda biraz farklı hızlarda hareket etmesi gerçeğinden kaynaklanır. Bir ışık ışınının ne kadar kırıldığı, ikinci ortamdaki hızının birinciden ne kadar farklı olduğuna bağlı olacaktır. Hızlardaki fark ne kadar büyük olursa, kırılma açısı o kadar büyük olur.
Bunu en az zaman ilkesini kullanarak düşünebilirsiniz. Bir cankurtaranın mümkün olan en kısa sürede kıyıdan uzakta ve suyun içinde bir yüzücüye ulaşmaya çalıştığını hayal edin. Yüzebildiğinden çok daha hızlı koşabileceğini biliyor. Düz bir çizgide seyahat ederek yüzücüye ulaşmaya çalışmak, koşu hızına göre yavaş yüzme hızı nedeniyle verimsiz olacaktır; bunun yerine, neredeyse yüzücünün önüne gelene kadar sahilde koşar ve sonra suya atlar.
Gittiği mesafe daha uzundur, ancak farklı ortamlarda farklı hızları nedeniyle seyahat ettiği zaman daha kısadır. Işığın kırıldığında yaptığı budur.
Su dalgaları, farklı derinliklerdeki alanlar arasında seyahat ederken de kırılabilir, çünkü dalgalar sığ suda mı yoksa derin suda mı olduklarına bağlı olarak farklı hızlarda hareket edeceklerdir.
Kırılma indisi
Belirli bir ortam için kırılma indisi birimsiz bir sayıdır.nnereden = s/h, neredecışığın boşluktaki hızıdır vevışığın ortamdaki hızıdır. Işık bir ortamda ne kadar yavaş hareket ederse, o ortamın kırılma indisi o kadar yüksek olur. Bir ışık dalgasının bir ortamdaki hızı dalga boyuna ve dolayısıyla kırılma indisine bağlı olacaktır.
Bu, denilen bir fenomene yol açar.dağılımışık prizmalarında görülebilen: Birçok farklı ışık dalgasını içeren beyaz ışık dalga boylarında, bir prizmaya girer, her bir bileşen ışık dalgası, özelliklerine bağlı olarak farklı bir açıyla kırılır. dalga boyu. Bu bir gökkuşağı görünümünü yaratır.
Havadaki kırılma indisi, basınç ve sıcaklık dahil olmak üzere birçok faktöre bağlıdır. Yaz aylarında kaldırım gibi sıcak nesnelerden yayılan "dalgalar", ışığın daha sıcak havadan daha soğuk havadan farklı şekilde kırılması ve çarpık görüntülere neden olması nedeniyle oluşur.
Ek olarak, yazın sıcak bir yolun yakınındaki hava, gözlemciye doğru gelen ışığı gerçekten yansıtabilir. sığ bir açıyla, sanki bir ayna ya da yansıtıcı bir su yüzeyi varmış gibi görünmesini sağlar. yol.
Snell Yasası
Snell yasası, iki ortamın kırılma indislerini ve aynı zamanda geliş açısını ilişkilendirir.θbenkırılma açısınaθr, ışığın bir ortamdan diğerine geçerken nasıl büküldüğüne.
n_i\sin (\theta_i)=n_r\sin (\theta_r)
Bu denklem, her iki ortamın kırılma indisleri ve geliş açısı biliniyorsa, ışığın belirli bir ortamda kırılacağı açıyı tahmin edebilir. Herhangi iki ortam ile ışığın kırılmasını içeren herhangi bir durumda geçerlidir.
Toplam İç Yansıma
Işık dalgaları kırılma indisi yüksek bir ortamdan daha düşük kırılma indisi olan bir ortama geçerse, üzerinde ışığın hiçbirinin diğer ortama geçmeyeceği kadar büküldüğü kritik bir açı vardır. Buna toplam iç yansıma denir.
Kritik açı, giden ışının kırılma açısının 90 derece olduğu geliş açısıdır. Yani
\theta_i=\sin^{-1}\frac{n_i}{n_r}
Kritik açının üzerindeki açılarda, tüm ışık toplam iç yansımaya uğrar.
Toplam iç yansıma, bir akvaryumdaki su/hava yüzeyinin belirli bir açıdan, aşağıdan bakıldığında neden mükemmel bir ayna gibi görüneceğini açıklar. Hava sudan çok daha düşük bir kırılma indisine sahiptir ve bu nedenle ışık dalgaları yüzeye sığ bir açıdadır. alttan gelen yüzey, kırılma yerine yüzeyden yansıyacak ve bir ayna.
Toplam iç yansıma, su dalgalarında ve ses dalgalarında da meydana gelebilir.
Lensler
Bir ortamdaki ışığın kırılması, ortamlar arasındaki yüzey eğri olduğunda değişebilir. Aslında aynı yönden gelen ışık, eğri yüzeyin neresine çarptığına bağlı olarak farklı açılarda kırılacaktır.
Mercekler, ışığın yolunu etkilemek için kırılmayı kullanan kavisli kenarları olan şeffaf malzeme parçalarıdır. Yakınsayan bir mercek ortada daha kalındır ve merceğin bir tarafından giren ışık ışınlarının diğer taraftaki bir odak noktasına yakınsamasına izin verir. Büyüteçlerin ve bazı teleskopların kullandığı şey budur.
İçbükey bir mercek, ortada kenarlarından daha incedir ve bir taraftan giren ışık ışınları, diğer taraftan çıktıkça dışarıya doğru kırılır ve dağılır.
Gözdeki problemin ne olduğuna bağlı olarak, gözlükte veya kontakta olsun, düzeltici görmede her iki mercek türü de kullanılır.
Örnekler
Gözlerimiz ışığı kırılmayı kullanarak yorumlar. Işık korneaya ve ardından merceğe girer ve retinada kesin bir noktaya kırılır. Görüntü daha sonra optik sinir yoluyla beyne iletilir. Ağlayan gözler, gözyaşının kırıcı özelliğinden dolayı bulanık görmeye neden olur.
Optik fiberler içeren herhangi bir şey, toplam iç yansımaya dayanır. Lifler yüksek bir kırılma indeksine sahiptir ve çok düşük bir kırılma indeksine sahip malzeme ile çevrilidir. Işık lifin içinden geçerken, lifin dışıyla olan açısı, lifin kaçmasını engelleyecek kadar düşüktür. Bu, fiberin çok odaklanmış ışığı büyük bir mesafeye taşımasını sağlar. Fiber optikler öncelikle internet ve telefon hizmetlerinde kullanılmaktadır.
Gökkuşağı, güneş ışığının havadaki su damlacıklarından kırılması ve yansıması sonucu oluşur. Bu, yağmur fırtınalarından sonra veya sisli koşullarda, ayrıca şelalelerin ve çeşmelerin yakınında da olabilir. Daha önce bahsedildiği gibi, ışığın farklı dalga boyları (renkleri), belirli bir malzeme için biraz farklı kırılma indekslerine sahiptir ve bu da onları farklı açılarda kırılmasına neden olur. Bir gözlemci daha sonra dalga boyu sırasına göre bir renk gökkuşağı görür.
Kırılma, bir havuzdaki suyun gerçekte olduğundan daha sığ görünmesinin nedenidir. Havadaki ışık suya girer girmez kırılma nedeniyle yüzeye daha sığ bir açıyla bükülür. Yüzeyin "hava" tarafındaki bir gözlemciye, yüzeyin altındaki her şey daha sığmış gibi görünür, çünkü ışık daha sığ açılarda bükülür.
Kritik açı, değerli taşların kesilme şeklini de etkiler. Bir değerli taş, içine giren ışığın arka yüzlerine çarptığında toplam iç yansımaya uğrayacağı ve daha parlak görünmesi için taşın önünden tekrar çıkacağı şekilde kesilebilir. Yüksek kırılma indeksine sahip elmas, özellikle bunun için idealdir ve onu popüler bir değerli taş yapar.