Danas ćemo otkriti koji je ugao prelamanja elektromagnetnog talasa (tzv. svjetlosti) i kako nastaju njegovi zakoni.
Oko, koža, mozak
Čovek ima pet glavnih čula. Medicinski naučnici razlikuju do jedanaest različitih različitih senzacija (na primjer, osjećaj pritiska ili bola). Ali ljudi većinu informacija dobijaju svojim očima. Do devedeset posto dostupnih činjenica ljudski mozak je svjestan kao elektromagnetne vibracije. Dakle, ljudi uglavnom vizuelno shvataju lepotu i estetiku. Ugao prelamanja svjetlosti igra važnu ulogu u tome.
Pustinja, jezero, kiša
Svijet okolo je prožet sunčevom svjetlošću. Vazduh i voda čine osnovu onoga što ljudi vole. Naravno, sušnih pustinjskih pejzaža ima grube ljepote, ali uglavnom ljudi više vole malo vlage.
Čovjeka su oduvijek fascinirali planinski potoci i glatke nizijske rijeke, mirna jezera i valovi mora koji se neprestano talasaju, prskanje vodopada i hladni san glečera. Svi su više puta primijetili ljepotu igre svjetlosti u rosi na travi, blještavilo inja na granama, mliječnu bjelinu magle i sumornu ljepotu niskih oblaka. I svi ti efekti se stvarajuzahvaljujući kutu prelamanja zraka u vodi.
Oko, elektromagnetna vaga, duga
Svjetlost je fluktuacija elektromagnetnog polja. Talasna dužina i njena frekvencija određuju vrstu fotona. Frekvencija vibracije određuje da li će to biti radio talas, infracrveni zraci, spektar neke boje vidljive osobi, ultraljubičasto, rendgensko ili gama zračenje. Ljudi su u stanju da svojim očima percipiraju elektromagnetne vibracije sa talasnim dužinama u rasponu od 780 (crvena) do 380 (ljubičasta) nanometara. Na skali svih mogućih valova, ovaj dio zauzima vrlo malo područje. To jest, ljudi nisu u stanju da percipiraju većinu elektromagnetnog spektra. A sva ljepota dostupna čovjeku je stvorena razlikom između upadnog ugla i ugla prelamanja na granici između medija.
Vakum, Sunce, planeta
Sunce emituje fotone kao rezultat termonuklearne reakcije. Fuzija atoma vodika i rađanje helija praćeno je oslobađanjem ogromnog broja raznih čestica, uključujući kvante svjetlosti. U vakuumu, elektromagnetski talasi se šire pravolinijski i najvećom mogućom brzinom. Kada uđe u prozirni i gušći medij, kao što je Zemljina atmosfera, svjetlost mijenja brzinu širenja. Kao rezultat toga, mijenja smjer širenja. Koliko određuje indeks loma. Ugao prelamanja se izračunava korištenjem Snellove formule.
Snellov zakon
Holandski matematičar Willebrord Snell cijeli je život radio na uglovima i udaljenostima. Shvatio je kako mjeriti udaljenosti između gradova, kako pronaći datotačka na nebu. Nije ni čudo što je pronašao uzorak u uglovima prelamanja svjetlosti.
Formula zakona izgleda ovako:
- 1sin θ1 =n2sin θ2.
U ovom izrazu, znakovi imaju sljedeće značenje:
- 1 i n2 su indeksi prelamanja srednjeg jedan (sa kojeg snop pada) i medija 2 (ulazi u njega);
- θ1 i θ2 su ugao upada i prelamanja svjetlosti, respektivno.
Objašnjenja zakona
Neophodno je dati neka objašnjenja ovoj formuli. Uglovi θ označavaju broj stepeni koji se nalazi između smjera prostiranja zraka i normale na površinu u tački kontakta svjetlosnog snopa. Zašto se u ovom slučaju koristi normalno? Jer u stvarnosti ne postoje strogo ravne površine. A pronalaženje normale na bilo koju krivulju je prilično jednostavno. Osim toga, ako je ugao između granice medija i upadne zrake x poznat u problemu, tada je traženi ugao θ samo (90º-x).
Najčešće, svjetlost ulazi iz razrijeđenijeg (vazduh) u gušći (vodeni) medij. Što su atomi medija bliži jedan drugom, to se snop jače lomi. Dakle, što je medij gušći, to je veći ugao prelamanja. Ali dešava se i obrnuto: svetlost pada iz vode u vazduh ili iz vazduha u vakuum. U takvim okolnostima, može nastati uslov pod kojim n1sin θ1>n2. To jest, ceo snop će se reflektovati nazad u prvi medij. Ovaj fenomen se naziva totalno internorefleksija. Ugao pod kojim se događaju gore opisane okolnosti naziva se granični ugao prelamanja.
Šta određuje indeks loma?
Ova vrijednost zavisi samo od svojstava supstance. Na primjer, postoje kristali za koje je bitno pod kojim uglom snop ulazi. Anizotropija svojstava se manifestuje u dvolomu. Postoje mediji za koje je važna polarizacija dolaznog zračenja. Takođe treba imati na umu da ugao prelamanja zavisi od talasne dužine upadnog zračenja. Na toj se razlici zasniva eksperiment s podjelom bijele svjetlosti u dugu pomoću prizme. Treba napomenuti da temperatura sredine takođe utiče na indeks prelamanja zračenja. Što brže atomi kristala vibriraju, to se više deformiše njegova struktura i sposobnost promjene smjera širenja svjetlosti.
Primjeri vrijednosti indeksa prelamanja
Dajemo različite vrijednosti za poznata okruženja:
- Sol (hemijska formula NaCl) kao mineral naziva se "halit". Njegov indeks loma je 1.544.
- Ugao prelamanja stakla se izračunava iz njegovog indeksa prelamanja. Ovisno o vrsti materijala, ova vrijednost varira između 1.487 i 2.186.
- Dijamant je poznat upravo po igri svjetlosti u njemu. Zlatari prilikom rezanja uzimaju u obzir sve njegove ravnine. Indeks prelamanja dijamanta je 2.417.
- Voda pročišćena od nečistoća ima indeks prelamanja od 1.333 H2O je veoma dobar rastvarač. Stoga u prirodi ne postoji hemijski čista voda. Svaki bunar, svaka reka je okarakterisanasa svojim sastavom. Stoga se mijenja i indeks loma. Ali da biste riješili jednostavne školske probleme, možete uzeti ovu vrijednost.
Jupiter, Saturn, Kalisto
Do sada smo govorili o ljepoti zemaljskog svijeta. Takozvani normalni uslovi podrazumevaju vrlo specifičnu temperaturu i pritisak. Ali postoje i druge planete u Sunčevom sistemu. Ima dosta različitih pejzaža.
Na Jupiteru, na primjer, moguće je promatrati argonsku izmaglicu u oblacima metana i uzlazne strujanja helijuma. Rendgenske aurore su takođe česte tamo.
Na Saturnu, etanske magle prekrivaju vodikovu atmosferu. Na nižim slojevima planete dijamant pada iz veoma vrućih metanskih oblaka.
Međutim, Jupiterov kameni smrznuti mjesec Kalisto ima unutrašnji okean bogat ugljovodonicima. Možda u njegovim dubinama žive bakterije koje troše sumpor.
I u svakom od ovih pejzaža, igra svjetlosti na različitim površinama, rubovima, izbočinama i oblacima stvara ljepotu.
