Merceklerdeki görüntüler, mikroskoplar ve teleskoplar gibi aletlerin çalışması, gökkuşağı fenomeni ve bir su kütlesinin derinliğinin aldatıcı algılanması, hepsi ışığın kırılması fenomeninin örnekleridir. Bu fenomeni açıklayan yasalar bu makalede tartışılmaktadır.
Kırılma olgusu
Fizikteki ışığın kırılma yasalarını ele almadan önce, fenomenin özünü tanıyalım.
Bildiğiniz gibi, ortam uzaydaki tüm noktalarda homojen ise, ışık onun içinde düz bir yol boyunca hareket edecektir. Bu yolun kırılması, bir ışık huzmesi cam ve su veya hava ve cam gibi iki şeffaf malzeme arasındaki arayüzden belirli bir açıyla geçtiğinde meydana gelir. Başka bir homojen ortama geçerken, ışık da düz bir çizgide hareket edecektir, ancak zaten birinci ortamda yörüngesine bir açıyla yönlendirilecektir. Bu, ışık huzmesinin kırılma olgusudur.
Aşağıdaki video, örnek olarak cam kullanarak kırılma olgusunu göstermektedir.
Burada önemli olan nokta üzerindeki geliş açısıdır.arayüz düzlemi. Bu açının değeri, kırılma olgusunun gözlenip gözlenmeyeceğini belirler. Kiriş yüzeye dik olarak düşerse, ikinci ortama geçtikten sonra aynı düz çizgi boyunca hareket etmeye devam edecektir. İkinci durum, kırılma meydana gelmeyeceği zaman, optik olarak daha yoğun bir ortamdan daha az yoğun olana giden bir ışının bazı kritik değerlerden daha büyük olan gelme açılarıdır. Bu durumda, ışık enerjisi tamamen birinci ortama geri yansıtılacaktır. Son etki aşağıda tartışılmaktadır.
Birinci kırılma yasası
Tek düzlemde üç doğru yasası olarak da adlandırılabilir. İki saydam malzeme arasındaki ara yüzeye düşen bir ışık ışını olduğunu varsayalım. O noktasında, ışın kırılır ve A'nın devamı olmayan B düz çizgisi boyunca hareket etmeye başlar. Ayırma düzlemine dik N'yi O noktasına geri getirirsek, o zaman fenomen için 1. yasa kırılma şu şekilde formüle edilebilir: gelen ışın A, normal N ve kırılan ışın B, arayüz düzlemine dik olan aynı düzlemde bulunur.
Bu basit yasa açık değildir. Formülasyonu, deneysel verilerin genelleştirilmesinin sonucudur. Matematiksel olarak, sözde Fermat ilkesi veya en az zaman ilkesi kullanılarak türetilebilir.
Kırılmanın ikinci yasası
Okul fizik öğretmenleri genellikle öğrencilere şu görevi verir: "Işığın kırılma yasalarını formüle edin." Bunlardan birini düşündük, şimdi ikincisine geçelim.
A ışını ile N dikmesi arasındaki açıyı θ1 olarak belirtin, B ve N ışını arasındaki açı θ2 olarak adlandırılır. Ayrıca A ışınının ortam 1'deki hızının v1 olduğunu, B ışınının ortam 2'deki hızının v2 olduğunu dikkate alıyoruz. Şimdi, söz konusu fenomen için 2. yasanın matematiksel bir formülünü verebiliriz:
sin(θ1)/v1=günah(θ2)/ v2.
Bu formül, 17. yüzyılın başında Hollandalı Snell tarafından elde edildi ve şimdi onun soyadını taşıyor.
İfadeden önemli bir sonuç çıkar: ortamdaki ışığın yayılma hızı ne kadar büyük olursa, ışın normalden o kadar uzak olur (açının sinüsü o kadar büyük olur).
Ortamın kırılma indisi kavramı
Yukarıdaki Snell formülü şu anda biraz farklı bir biçimde yazılmıştır, bu da pratik problemleri çözerken kullanılması daha uygundur. Gerçekten de, maddedeki ışığın hızı v, boşluktakinden daha düşük olmasına rağmen, hala üzerinde çalışılması zor olan büyük bir değerdir. Bu nedenle, fiziğe, eşitliği aşağıda sunulan göreli bir değer eklendi:
n=c/v.
Burada c, ışının boşluktaki hızıdır. n değeri malzemedeki c değerinin v değerinden kaç kat büyük olduğunu gösterir. Bu malzemenin kırılma indisi denir.
Girilen değer dikkate alınarak ışığın kırılma yasasının formülü aşağıdaki biçimde yeniden yazılacaktır:
sin(θ1)n1=günah(θ2) n2.
n değeri büyük olan malzeme,optik olarak yoğun denir. İçinden geçen ışık, havasız uzay için aynı değere kıyasla hızını n kat yavaşlatır.
Bu formül, ışının optik olarak daha yoğun ortamda normale daha yakın olacağını gösterir.
Örneğin, havanın kırılma indeksinin neredeyse bire (1, 00029) eşit olduğunu not ediyoruz. Su için değeri 1.33'tür.
Optik olarak yoğun bir ortamda toplam yansıma
Şu deneyi yapalım: su sütunundan yüzeyine doğru bir ışık huzmesi başlatalım. Su optik olarak havadan daha yoğun olduğundan (1, 33>1, 00029), gelme açısı θ1 kırılma açısından θ2 daha küçük olacaktır.. Şimdi sırasıyla θ1'ı kademeli olarak artıracağız, θ2 da artacak, θ1 eşitsizliği de artacak.<θ2her zaman doğru kalır.
Bir an gelecek θ1<90o ve θ2=90 o. Bu açı θ1 bir çift su-hava ortamı için kritik olarak adlandırılır. Bundan daha büyük herhangi bir geliş açısı, ışının hiçbir bölümünün su-hava arayüzünden daha az yoğun bir ortama geçmesine neden olmaz. Sınırdaki ışının tamamı toplam yansımayı deneyimleyecektir.
Kritik geliş açısının hesaplanması θc şu formülle yapılır:
θc=arcsin(n2/n1).
Medya suyu vehava 48, 77o.
Bu fenomenin tersinir olmadığına, yani ışık havadan suya geçtiğinde kritik bir açı olmadığına dikkat edin.
Açıklanan fenomen optik fiberlerin çalışmasında kullanılır ve ışığın dağılımı ile birlikte yağmur sırasında birincil ve ikincil gökkuşaklarının ortaya çıkmasına neden olur.
