Kakšen je fizični pomen indeksa loma svetlobe?

Svetloba in zakoni njene porazdelitve v preglednem okolju so osebo zanimali že od antičnih časov. V tem članku bomo preučili, kakšen je lom elektromagnetnih valov, ki je prvi oblikoval ustrezen zakon in kakšen je fizični pomen lomnega indeksa.

Bistvo pojava

Spreminjanje smeri širjenja svetlobnega snopa pri prehodu iz enega transparentnega medija v drugega se imenuje lom. Za obstoj tega pojava je treba izpolniti naslednje tri pogoje:

1. Svetlobni pramen naj pade pod določen naklon v ravnino ločevanja medijev. Če je kot med smerjo gibanja žarka in interesne ravnine 0 ^o (vzporedno) ali 90 ^o (pravokotno), se lom ne bo pojavil. Potrebno je povečati ali zmanjšati naklon.
2. Dva medija morata biti prozorna za svetlobo. V nasprotnem primeru se elektromagnetni val preprosto odbije od površine.
3. Indeks loma medija mora biti drugačen. Kakšen je fizični pomen lomnega indeksa, bomo razpravljali kasneje v članku.

Primeri lomljenja v vsakdanjem življenju in naravi

Morda je najpogostejši primer tega fizičnega pojava upoštevanje meje med zrakom in vodo. Torej so vsi opazili, da je svinčnik, ki je položen v kozarec s tekočino, zaokrožen. Še en primer: če pogledate v katero koli plovilo z vodo na dnu, se zdi, da je globina veliko manjša kot v resnici.

Naslednji pomemben trenutek učinka loma so mirazi, ki jih lahko vidimo ne samo v puščavah, temveč tudi v kateremkoli kraju na vroč poletni dan. Ko žgoče sonce leži ob površini zemlje, se plasti atmosfere močno segrejejo glede na višje ravni. Različna temperatura zraka vodi v spremembo njegove gostote in posledično refrakcijskih indeksov svetlobe.

Posledično obstajajo pogoji, v katerih se premikajoči se žarki navzdol premikajo vzdolž krivulje poti in se začnejo premikati od spodaj navzgor. Ko pridejo v oči opazovalca, ustvarjajo vtis, da se nebo in krošnje dreves odražajo na površini zemlje. Možgani ta učinek razlagajo kot pudle.

Drug manj opazen, a nič manj pomemben primer za ljudi je večkratno lomljenje radijskih valov v ionosferi našega planeta. Zaradi tega se radijski valovi lahko razširijo na velike razdalje na Zemlji.

Zakoni loma

Da bi razumeli, kakšen je fizični pomen refraktivnega indeksa svetlobe, imenujemo zakone, ki opisujejo ta pojav. Dva sta:

1. Svetlobni žarek na meji dveh medijev, norma, vrnjena v ravnino meje na mestu vdora, in svetlobni žarek, ki se prenaša na drugi medij, leži v isti ravnini.
2. Produkt sinusnega vpadnega kota in lomni količnik medija, v katerem se svetloba širi, je konstantna vrednost.

Prvi od teh zakonov je podoben zakonu refleksije. Poleg tega noben posamezen žarek na vmesniku ne oddaja celotne energije drugemu med obravnavanim pojavom. Vedno se odraža del energije. Odvisna je od številnih dejavnikov (valovne dolžine svetlobe, lastnosti medija in kota). Torej, v ravnini z normalno, obstajajo trije žarki: pojavnost, lom in odboj.

Opis drugega zakona je le ena od oblik. Druge formulacije bodo upoštevane pri razpravljanju o vrednosti lomnega količnika.

Kaj je indeks loma?

To je koeficient sorazmernosti med hitrostjo širjenja svetlobe v vakuumu in mediju. Praviloma je označen s črko n in se izračuna po formuli:

n = c / v.

Tu je c hitrost elektromagnetnih valov v vakuumu, v je ista, samo v pravem transparentnem mediju. Ker je c> v vedno, je lomni količnik večji od enega (n> 1).

Če sta vpadna in lomna kuta označena s simboloma θ ₁ in θ ₂ , in lomni količniki prvega in drugega medija so zapisani kot n ₁ oziroma n ₂ , potem je drugi zakon loma v obliki:

sin (θ ₁ ) * n ₁ = sin (θ ₂ ) * n ₂ .

Če nadomestimo izraz za n v tej enakosti, potem imamo:

sin (θ ₁ ) / sin (θ ₂ ) = v ₁ / v ₂ .

Rezultat je druga formulacija drugega zakona loma: razmerje sinusov kotov incidence in lom je neposredno sorazmerno z razmerjem hitrosti širjenja valov v ustreznem mediju.

Kakšen je fizični pomen refraktivnega indeksa medija?

Zdaj lahko zlahka odgovorite na to vprašanje. Glede na zgornjo definicijo ta vrednost kaže, kolikokrat je svetloba v vakuumu hitrejša kot v mediju. Na primer, v zraku, n = 1.00029, to je v atmosferi našega planeta, se svetloba upočasni v primerjavi s porazdelitvijo v prostoru le stotinke odstotka.

Še en primer: indeks n za diamant je 2,43. Pri diamantu se svetloba premika 2,43-krat počasneje kot v vakuumu.

Z razumevanjem fizičnega pomena lomnega količnika (absolutna hitrost svetlobe v mediju postane manj) je zanimivo razumeti, zakaj se zmanjšuje.

Dejstvo je, da je medij sestavljen iz delcev snovi (atomov, molekul), ki absorbirajo in ponovno sevajo elektromagnetna valovanja, ki se premikajo skozi njih. Ti fizikalni procesi imajo nekaj značilnih časov, zato je hitrost svetlobe zamuja.

Razlog za lom valov

Vprašanja o fizičnem pomenu indeksa loma svetlobe in zakaj pride do loma so med seboj povezani. Razlog za ta pojav je prav razlika v hitrosti v različnih okoljih. To lahko pojasnite na več načinov:

• Uporaba načela Huygens-Fresnel. Sestavlja ga dejstvo, da vsaka točka medija, skozi katero prehaja val, postane nov vir. Ustvarja sferične valove, katerih niz površin določa naslednjo valovno fronto.
• Uporaba načela kmetije. Dolžino trajektorije povezuje s časom gibanja vala. Zlasti svetloba izbere takšno pot med dvema mestoma v prostoru, ki jo lahko potuje v najkrajšem času.
• Uporaba Feynmanove analogije. Recimo, da je reševalec videl utopljenega v morju. Kakšna bodo njegova dejanja? Najprej bo tekel po plaži do določenega mesta, potem pa bo tekel v vodo in plaval, da bi rešil človeka. Usmeritev reševalca je podobna tisti za svetlobo. Plaža in morje sta dva okolja z različnimi vrednostmi n.

Zgodovinsko ozadje

2. zakon loma valov, ki je bil oblikovan na dva načina, se običajno imenuje zakon Snell ali Snell, v čast nizozemskega fizika iz začetka 17. stoletja, ki ga je odkril.

A šest stoletij pred tem, to je okoli konca 10. stoletja, je bil zakon loma v svoji moderni matematični obliki že znan arabom. Domneva se, da ga je perzijski matematik Ibn Sahl najprej formuliral in uporabil pri analiziranju poteka svetlobnih žarkov v lečah. Tako so znanstveni fenomen odkrili in opisali znanstveniki iz antike.