Kırılma olgusu. Havanın kırılma indisi

2024 Yazar: Angel Austin | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-02 17:57

Optik, fiziğin en eski dallarından biridir. Antik Yunan'dan beri birçok filozof, su, cam, elmas ve hava gibi çeşitli saydam maddelerde ışığın hareket ve yayılım yasalarıyla ilgilendi. Bu makale, havanın kırılma indisine odaklanarak ışığın kırılma fenomenini tartışıyor.

Işık huzmesinin kırılmasının etkisi

Hayatındaki herkes, bir rezervuarın dibine veya içine bir nesne yerleştirilmiş bir bardak suya baktığında bu etkinin tezahürü ile yüzlerce kez karşılaşmıştır. Aynı zamanda, rezervuar gerçekte olduğu kadar derin görünmüyordu ve bir bardak sudaki nesneler deforme olmuş veya kırılmış görünüyordu.

Bir ışık huzmesinin kırılma fenomeni, iki şeffaf malzeme arasındaki arayüzden geçtiğinde doğrusal yörüngesinde bir kırılmadır. Çok sayıda deneysel veriyi özetleyen 17. yüzyılın başında Hollandalı Willebrord Snell matematiksel bir ifade aldı:hangi bu fenomeni doğru bir şekilde tanımladı. Bu ifade genellikle şu biçimde yazılır:

₁sin(θ₁)=n₂sin(θ ₂)=sabit

Burada n₁, n₂ karşılık gelen malzemedeki ışığın mutlak kırılma indisleridir, θ_{1ve θ}2 _{- gelen ve kırılan ışınlar arasındaki açılar ve ışın ile bu düzlemin kesişme noktasından çizilen arayüz düzlemine dik açı.}

Bu formüle Snell'in veya Snell-Descartes'ın yasası denir (Fransızlar sinüsleri değil uzunluk birimlerini kullanırken, bunu sunulan biçimde yazan Fransız'dı).

Bu formülün yanı sıra, kırılma olgusu, doğası gereği geometrik olan başka bir yasa ile tanımlanır. Bu, düzleme dik olarak işaretlenen ve iki ışının (kırılan ve gelen) aynı düzlemde yer alması gerçeğinde yatmaktadır.

Mutlak kırılma indisi

Bu değer Snell formülüne dahildir ve değeri önemli bir rol oynar. Matematiksel olarak, kırılma indisi n şu formüle karşılık gelir:

n=c/v.

c sembolü, elektromanyetik dalgaların boşluktaki hızıdır. Yaklaşık 310⁸m/s'dir. v değeri ışığın ortamdaki hızıdır. Böylece, kırılma indisi bir ortamdaki ışığın havasız uzaya göre yavaşlama miktarını yansıtır.

Yukarıdaki formülden iki önemli sonuç çıkar:

• değer n her zaman 1'den büyüktür (vakum için bire eşittir);
• bu boyutsuz bir miktardır.

Örneğin, havanın kırılma indisi 1.00029 iken su için 1.33'tür.

Kırılma indisi belirli bir ortam için sabit bir değer değildir. Sıcaklığa bağlıdır. Ayrıca, bir elektromanyetik dalganın her frekansı için kendi anlamı vardır. Bu nedenle, yukarıdaki rakamlar 20 ^oC sıcaklığa ve görünür spektrumun sarı kısmına (dalga boyu yaklaşık 580-590 nm'dir) karşılık gelir.

n değerinin ışığın frekansına bağımlılığı, beyaz ışığın bir prizma tarafından bir dizi renge ayrışmasında ve ayrıca şiddetli yağmur sırasında gökyüzünde bir gökkuşağının oluşumunda kendini gösterir.

Havadaki ışığın kırılma indeksi

Değeri yukarıda verilmiş (1.00029). Havanın kırılma indisi sıfırdan yalnızca dördüncü ondalık basamakta farklı olduğundan, pratik problemleri çözmek için bire eşit olarak kabul edilebilir. Hava için birlikten küçük bir n farkı, ışığın nispeten düşük yoğunluğu ile ilişkili olan hava molekülleri tarafından pratik olarak yavaşlatılmadığını gösterir. Yani, havanın ortalama yoğunluğu 1.225 kg/m³, yani tatlı sudan 800 kat daha hafiftir.

Hava optik olarak ince bir ortamdır. Bir malzemede ışığın hızını yavaşlatma işleminin kendisi kuantum bir yapıya sahiptir ve maddenin atomları tarafından fotonların absorpsiyon ve emisyon eylemleriyle ilişkilidir.

Havanın bileşimindeki değişiklikler (örneğin, içindeki su buharı içeriğindeki artış) ve sıcaklıktaki değişiklikler göstergede önemli değişikliklere neden olurrefraksiyon. Çarpıcı bir örnek, farklı sıcaklıklardaki hava katmanlarının kırılma indislerinin farklı olması nedeniyle çölde meydana gelen serap etkisidir.

Cam-hava arayüzü

Cam havadan çok daha yoğun bir ortamdır. Mutlak kırılma indisi, camın tipine bağlı olarak 1,5 ile 1,66 arasında değişmektedir. Ortalama 1.55 değerini alırsak, ışının hava-cam arayüzündeki kırılması şu formül kullanılarak hesaplanabilir:

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1, 55.

n₂₁ değerine hava - camın bağıl kırılma indisi denir. Işın camdan havaya çıkarsa, aşağıdaki formül kullanılmalıdır:

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

İkinci durumda kırılan ışının açısı 90^o'a eşit olacaksa, buna karşılık gelen gelme açısı kritik olarak adlandırılır. Kenar camı için - hava:

θ₁=arcsin(0, 645)=40, 17^o.

Işın cam-hava sınırına 40, 17^o'tan daha büyük açılarla düşerse, tamamen cama geri yansır. Bu fenomene "toplam iç yansıma" denir.

Kritik açı, yalnızca ışın yoğun bir ortamdan hareket ettiğinde var olur (camdan havaya, ancak tersi olmaz).