Optica este una dintre cele mai vechi ramuri ale fizicii. Încă din Grecia antică, mulți filozofi au fost interesați de legile mișcării și propagării luminii în diverse materiale transparente precum apa, sticla, diamantul și aerul. Acest articol discută despre fenomenul refracției luminii, concentrându-se pe indicele de refracție al aerului.
Efectul de refracție a fasciculului de lumină
Toată lumea din viața lui s-a confruntat de sute de ori cu manifestarea acestui efect atunci când se uita la fundul unui rezervor sau la un pahar cu apă cu un obiect plasat în el. În același timp, rezervorul nu părea atât de adânc pe cât era în realitate, iar obiectele dintr-un pahar cu apă păreau deformate sau sparte.
Fenomenul de refracție a unui fascicul de lumină este o întrerupere a traiectoriei sale rectilinie atunci când traversează interfața dintre două materiale transparente. Rezumând un număr mare de date experimentale, la începutul secolului al XVII-lea, olandezul Willebrord Snell a primit o expresie matematică,care a descris cu acurateţe acest fenomen. Această expresie este de obicei scrisă sub următoarea formă:
1sin(θ1)=n2sin(θ 2)=const.
Aici n1, n2 sunt indicii de refracție absoluti ai luminii din materialul corespunzător, θ1și θ2 - unghiurile dintre fasciculul incident și cel refractat și perpendiculara pe planul interfeței, care este trasată prin punctul de intersecție al fasciculului cu acest plan.
Această formulă se numește legea lui Snell sau a lui Snell-Descartes (francezul a fost cel care a notat-o în forma prezentată, în timp ce olandezul a folosit nu sinusuri, ci unități de lungime).
Pe lângă această formulă, fenomenul refracției este descris de o altă lege, care este de natură geometrică. Constă în faptul că perpendiculara marcată pe plan și două raze (refractată și incidentă) se află în același plan.
Indice absolut de refracție
Această valoare este inclusă în formula Snell, iar valoarea ei joacă un rol important. Matematic, indicele de refracție n corespunde formulei:
n=c/v.
Simbolul c este viteza undelor electromagnetice în vid. Este de aproximativ 3108m/s. Valoarea v este viteza luminii în mediu. Astfel, indicele de refracție reflectă cantitatea de încetinire a luminii într-un mediu în raport cu spațiul fără aer.
Există două implicații importante din formula de mai sus:
- valoarea n este întotdeauna mai mare decât 1 (pentru vid este egal cu unu);
- aceasta este o cantitate fără dimensiuni.
De exemplu, indicele de refracție al aerului este 1,00029, în timp ce pentru apă este 1,33.
Indicele de refracție nu este o valoare constantă pentru un anumit mediu. Depinde de temperatura. Mai mult, pentru fiecare frecvență a unei unde electromagnetice, aceasta are propriul ei sens. Deci, cifrele de mai sus corespund unei temperaturi de 20 oC și părții galbene a spectrului vizibil (lungimea de undă este de aproximativ 580-590 nm).
Dependența valorii lui n de frecvența luminii se manifestă în descompunerea luminii albe de către o prismă într-un număr de culori, precum și în formarea unui curcubeu pe cer în timpul ploii abundente.
Indice de refracție al luminii în aer
Valoarea sa a fost deja dată mai sus (1, 00029). Deoarece indicele de refracție al aerului diferă doar cu a patra zecimală de zero, atunci pentru rezolvarea problemelor practice poate fi considerat egal cu unu. O mică diferență de n pentru aer față de unitate indică faptul că practic lumina nu este încetinită de moleculele de aer, ceea ce este asociat cu densitatea sa relativ scăzută. Deci, densitatea medie a aerului este de 1,225 kg/m3, adică este de peste 800 de ori mai ușor decât apa dulce.
Aerul este un mediu optic subțire. Însuși procesul de încetinire a vitezei luminii într-un material este de natură cuantică și este asociat cu actele de absorbție și emisie de fotoni de către atomii materiei.
Modificări ale compoziției aerului (de exemplu, o creștere a conținutului de vapori de apă din acesta) și schimbările de temperatură duc la modificări semnificative ale indicatoruluirefracţie. Un exemplu izbitor este efectul de miraj din deșert, care apare din cauza diferenței indicilor de refracție ai straturilor de aer cu temperaturi diferite.
Interfață sticla-aer
Sticlă este un mediu mult mai dens decât aerul. Indicele său absolut de refracție variază de la 1,5 la 1,66, în funcție de tipul de sticlă. Dacă luăm valoarea medie de 1,55, atunci refracția fasciculului la interfața aer-sticlă poate fi calculată folosind formula:
sin(θ1)/sin(θ2)=n2/ n1=n21=1, 55.
Valoarea n21 se numește indicele de refracție relativ al aerului - sticlă. Dacă fasciculul iese din sticlă în aer, atunci trebuie utilizată următoarea formulă:
sin(θ1)/sin(θ2)=n2/ n1=n21=1/1, 55=0, 645.
Dacă unghiul fasciculului refractat în acest din urmă caz va fi egal cu 90o, atunci unghiul de incidență corespunzător acestuia se numește critic. Pentru bordura sticla - aer este:
θ1=arcsin(0, 645)=40, 17o.
Dacă fasciculul va cădea pe limita sticlă-aer cu unghiuri mai mari de 40, 17o, atunci va fi reflectat complet înapoi în sticlă. Acest fenomen se numește „reflexie internă totală”.
Unghiul critic există numai atunci când fasciculul se deplasează dintr-un mediu dens (din sticlă în aer, dar nu invers).
