Ռեֆրակցիայի երեւույթը. Օդի բեկման ինդեքսը

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-02 17:49

Օպտիկան ֆիզիկայի ամենահին ճյուղերից է։ Հին Հունաստանից ի վեր շատ փիլիսոփաներ հետաքրքրված են եղել լույսի շարժման և տարածման օրենքներով տարբեր թափանցիկ նյութերում, ինչպիսիք են ջուրը, ապակին, ադամանդը և օդը: Այս հոդվածում քննարկվում է լույսի բեկման ֆենոմենը՝ կենտրոնանալով օդի բեկման ցուցիչի վրա։

Լույսի ճառագայթի բեկման ազդեցությունը

Յուրաքանչյուրն իր կյանքում հարյուրավոր անգամ բախվել է այս էֆեկտի դրսևորմանը, երբ նա նայում էր ջրամբարի հատակին կամ ջրի բաժակին, որի մեջ դրված ինչ-որ առարկա: Միևնույն ժամանակ, ջրամբարն այնքան խորը չէր թվում, որքան իրականում կար, և մի բաժակ ջրի մեջ գտնվող առարկաները դեֆորմացված կամ կոտրված տեսք ուներ։

Լույսի ճառագայթի բեկման երևույթը նրա ուղղագիծ հետագծի բեկումն է, երբ այն հատում է երկու թափանցիկ նյութերի միջերեսը։ Ամփոփելով մեծ թվով փորձարարական տվյալներ՝ 17-րդ դարի սկզբին հոլանդացի Վիլլեբրորդ Սնելը ստացել է մաթեմատիկական արտահայտություն.որը ճշգրիտ նկարագրել է այս երեւույթը։ Այս արտահայտությունը սովորաբար գրվում է հետևյալ ձևով՝

₁sin(θ₁)=n₂ sin(θ ₂)=Const.

Այստեղ n₁, n₂-ը համապատասխան նյութի լույսի բացարձակ բեկման ինդեքսներն են, θ_{1և θ}2 _{- անկյունները անկման և բեկված ճառագայթների և միջերեսի հարթությանը ուղղահայաց, որը գծված է ճառագայթի և այս հարթության հատման կետով:}

Այս բանաձևը կոչվում է Սնելի կամ Սնել-Դեկարտի օրենք (ֆրանսիացին է այն գրել ներկայացված ձևով, մինչդեռ հոլանդացին օգտագործում էր ոչ թե սինուսներ, այլ երկարության միավորներ):

Բացի այս բանաձեւից, բեկման երեւույթը նկարագրվում է մեկ այլ օրենքով, որն իր բնույթով երկրաչափական է։ Այն կայանում է նրանում, որ հարթությանը նշված ուղղահայացը և երկու ճառագայթները (բեկված և ընկնող) գտնվում են նույն հարթության մեջ։

Բացարձակ բեկման ինդեքս

Այս արժեքը ներառված է Snell բանաձևում, և դրա արժեքը կարևոր դեր է խաղում: Մաթեմատիկորեն n բեկման ինդեքսը համապատասխանում է բանաձևին՝

n=c/v.

c խորհրդանիշը էլեկտրամագնիսական ալիքների արագությունն է վակուումում: Այն մոտավորապես 310⁸մ/վ է: v արժեքը լույսի արագությունն է միջավայրում։ Այսպիսով, բեկման ինդեքսն արտացոլում է միջավայրում լույսի դանդաղեցման չափը անօդ տարածության նկատմամբ։

Կա երկու կարևոր հետևանք վերևի բանաձևից.

• արժեքը n միշտ մեծ է 1-ից (վակուումի համար այն հավասար է մեկի);
• սա անչափ մեծություն է:

Օրինակ՝ օդի բեկման ինդեքսը 1,00029 է, մինչդեռ ջրի համար՝ 1,33։

բեկման ինդեքսը հաստատուն արժեք չէ որոշակի միջավայրի համար: Դա կախված է ջերմաստիճանից: Ավելին, էլեկտրամագնիսական ալիքի յուրաքանչյուր հաճախականության համար այն ունի իր նշանակությունը։ Այսպիսով, վերը նշված թվերը համապատասխանում են 20 ^oC ջերմաստիճանին և տեսանելի սպեկտրի դեղին հատվածին (ալիքի երկարությունը մոտ 580-590 նմ):

n-ի արժեքի կախվածությունը լույսի հաճախականությունից դրսևորվում է սպիտակ լույսի պրիզմայով մի շարք գույների տարրալուծման, ինչպես նաև հորդառատ անձրևի ժամանակ երկնքում ծիածանի ձևավորման մեջ։

Օդում լույսի բեկման ինդեքսը

Դրա արժեքը արդեն տրված է վերևում (1, 00029): Քանի որ օդի բեկման ինդեքսը զրոյից տարբերվում է միայն չորրորդ տասնորդական տեղում, ապա գործնական խնդիրներ լուծելու համար այն կարելի է հավասար համարել մեկի։ Օդի համար n-ի փոքր տարբերությունը միասնությունից ցույց է տալիս, որ լույսը գործնականում չի դանդաղեցնում օդի մոլեկուլները, ինչը կապված է դրա համեմատաբար ցածր խտության հետ: Այսպիսով, օդի միջին խտությունը 1,225 կգ/մ է³, այսինքն՝ այն ավելի քան 800 անգամ թեթև է քաղցրահամ ջրից։

։

Օդը օպտիկականորեն բարակ միջավայր է: Նյութում լույսի արագության դանդաղեցման գործընթացը կրում է քվանտային բնույթ և կապված է նյութի ատոմների կողմից ֆոտոնների կլանման և արտանետման գործողությունների հետ:

Օդի բաղադրության փոփոխությունները (օրինակ՝ դրանում ջրի գոլորշու պարունակության ավելացում) և ջերմաստիճանի փոփոխությունները հանգեցնում են ցուցիչի զգալի փոփոխության.բեկում. Վառ օրինակ է միրաժի էֆեկտը անապատում, որն առաջանում է տարբեր ջերմաստիճաններով օդի շերտերի բեկման ինդեքսների տարբերության պատճառով։

Ապակի-օդ ինտերֆեյս

Ապակը շատ ավելի խիտ միջավայր է, քան օդը: Նրա բեկման բացարձակ ինդեքսը տատանվում է 1,5-ից մինչև 1,66՝ կախված ապակու տեսակից։ Եթե վերցնենք միջին արժեքը 1,55, ապա ճառագայթի բեկումը օդ-ապակի միջերեսում կարելի է հաշվարկել՝ օգտագործելով բանաձևը՝

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1, 55.

n₂₁ արժեքը կոչվում է օդ-ապակի հարաբերական բեկման ինդեքս: Եթե ճառագայթը ապակուց դուրս է գալիս օդ, ապա պետք է օգտագործվի հետևյալ բանաձևը՝

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1/1, 55=0, 645.

Եթե բեկված ճառագայթի անկյունը վերջին դեպքում հավասար կլինի 90^o, ապա դրան համապատասխանող անկման անկյունը կոչվում է կրիտիկական: Եզրագծի ապակու - օդի համար այն է՝

θ₁=arcsin(0, 645)=40, 17^o.

Եթե ճառագայթը ընկնի ապակի-օդ սահմանի վրա 40, 17^o-ից ավելի մեծ անկյուններով, ապա այն ամբողջությամբ կանդրադառնա ապակու մեջ: Այս երեւույթը կոչվում է «ընդհանուր ներքին արտացոլում»:

Կրիտիկական անկյուն գոյություն ունի միայն այն ժամանակ, երբ ճառագայթը շարժվում է խիտ միջավայրից (ապակուց օդ, բայց ոչ հակառակը):