Slike u sočivima, rad instrumenata kao što su mikroskopi i teleskopi, fenomen duge i obmanjujuća percepcija dubine vodenog tijela su primjeri fenomena prelamanja svjetlosti. Zakoni koji opisuju ovaj fenomen razmatraju se u ovom članku.
Fenomen refrakcije
Prije razmatranja zakona prelamanja svjetlosti u fizici, hajde da se upoznamo sa suštinom samog fenomena.
Kao što znate, ako je medij homogen u svim tačkama u prostoru, tada će se svjetlost u njemu kretati po pravoj putanji. Prelamanje ove putanje nastaje kada svjetlosni snop prijeđe pod uglom preko granice između dva prozirna materijala, kao što su staklo i voda ili zrak i staklo. Prelazeći u drugu homogenu sredinu, svetlost će se takođe kretati pravolinijski, ali će već biti usmerena pod nekim uglom u odnosu na svoju putanju u prvom mediju. Ovo je fenomen prelamanja svetlosnog snopa.
Video ispod demonstrira fenomen refrakcije koristeći staklo kao primjer.
Važna tačka ovde je upadni ugaoravni interfejsa. Vrijednost ovog ugla određuje da li će se fenomen refrakcije primijetiti ili ne. Ako snop padne okomito na površinu, tada će se, prešavši u drugi medij, nastaviti kretati duž iste prave linije. Drugi slučaj, kada neće doći do prelamanja, su uglovi upada zraka koji ide iz optički gušćeg medija u manje gust, koji su veći od neke kritične vrijednosti. U ovom slučaju, svjetlosna energija će se potpuno reflektirati natrag u prvi medij. O posljednjem efektu se govori u nastavku.
Prvi zakon refrakcije
Može se nazvati i zakonom tri prave u jednoj ravni. Pretpostavimo da postoji snop svjetlosti A koji pada na granicu između dva prozirna materijala. U tački O, snop se lomi i počinje da se kreće duž prave linije B, koja nije nastavak A. Ako vratimo okomitu N na ravan razdvajanja u tačku O, tada je 1. zakon za fenomen refrakcija se može formulisati na sledeći način: upadni snop A, normalni N i prelomljeni snop B leže u istoj ravni, koja je okomita na ravninu interfejsa.
Ovaj jednostavan zakon nije očigledan. Njegova formulacija rezultat je generalizacije eksperimentalnih podataka. Matematički se može izvesti korištenjem takozvanog Fermatovog principa ili principa najmanjeg vremena.
Drugi zakon refrakcije
Školski profesori fizike često daju učenicima sljedeći zadatak: "Formulirajte zakone prelamanja svjetlosti." Razmotrili smo jednu od njih, a sada idemo na drugu.
Označite ugao između zraka A i okomice N kao θ1, ugao između zraka B i N će se zvati θ2. Takođe uzimamo u obzir da je brzina snopa A u mediju 1 v1, brzina zraka B u mediju 2 je v2. Sada možemo dati matematičku formulaciju 2. zakona za fenomen koji se razmatra:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
Ovu formulu je dobio Holanđanin Snell početkom 17. vijeka i sada nosi njegovo prezime.
Važan zaključak slijedi iz izraza: što je veća brzina širenja svjetlosti u mediju, to će snop biti udaljeniji od normale (što je veći sinus ugla).
Koncept indeksa prelamanja medija
Gore navedena Snellova formula je trenutno napisana u malo drugačijem obliku, koji je pogodniji za korištenje pri rješavanju praktičnih problema. Zaista, brzina v svjetlosti u materiji, iako manja od one u vakuumu, i dalje je velika vrijednost s kojom je teško raditi. Stoga je u fiziku uvedena relativna vrijednost, za koju je jednakost predstavljena u nastavku:
n=c/v.
Ovde je c brzina zraka u vakuumu. Vrijednost n pokazuje koliko je puta vrijednost c veća od vrijednosti v u materijalu. Zove se indeks prelamanja ovog materijala.
Uzimajući u obzir unesenu vrijednost, formula zakona prelamanja svjetlosti će biti prepisana u sljedećem obliku:
sin(θ1)n1=sin(θ2) n2.
Materijal koji ima veliku vrijednost n,naziva optički gusto. Prolazeći kroz njega, svjetlost usporava svoju brzinu za n puta u poređenju sa istom vrijednošću za prostor bez zraka.
Ova formula pokazuje da će snop ležati bliže normali u mediju koji je optički gušći.
Na primjer, primjećujemo da je indeks prelamanja zraka skoro jednak jedan (1, 00029). Za vodu, njegova vrijednost je 1,33.
Potpuna refleksija u optički gustom mediju
Provedimo sljedeći eksperiment: pokrenimo snop svjetlosti od vodenog stuba prema njegovoj površini. Budući da je voda optički gušća od zraka (1, 33>1, 00029), upadni ugao θ1 bit će manji od ugla prelamanja θ2. Sada ćemo postepeno povećavati θ1, odnosno θ2, dok će nejednakost θ1<θ2uvijek ostaje istinit.
Doći će trenutak kada θ1<90o i θ2=90 o. Ovaj ugao θ1 se naziva kritičnim za par vode-vazduh medija. Bilo koji upadni uglovi veći od ovog neće dovesti do toga da nijedan dio snopa ne prođe kroz interfejs voda-vazduh u manje gust medij. Cijeli zrak na granici će doživjeti potpunu refleksiju.
Proračun kritičnog upadnog ugla θc vrši se po formuli:
θc=arcsin(n2/n1).
).
Za medij vodu izrak je 48, 77o.
Imajte na umu da ovaj fenomen nije reverzibilan, tj. kada se svjetlost kreće iz zraka u vodu, ne postoji kritični ugao.
Opisani fenomen se koristi u radu optičkih vlakana, a zajedno sa disperzijom svjetlosti uzrok je pojave primarnih i sekundarnih duga tokom kiše.
