Dzisiaj ujawnimy, jaki jest kąt załamania fali elektromagnetycznej (tzw. światła) i jak powstają jej prawa.
Oko, skóra, mózg
Człowiek ma pięć głównych zmysłów. Naukowcy medyczni rozróżniają do jedenastu różnych niepodobnych doznań (na przykład uczucie ucisku lub bólu). Ale ludzie czerpią większość informacji z ich oczu. Do dziewięćdziesięciu procent dostępnych faktów, których ludzki mózg jest świadomy jako wibracje elektromagnetyczne. Więc ludzie najczęściej rozumieją piękno i estetykę wizualnie. Ważną rolę odgrywa w tym kąt załamania światła.
Pustynia, jezioro, deszcz
Świat wokół jest przesiąknięty światłem słonecznym. Powietrze i woda to podstawa tego, co ludzie lubią. Oczywiście suche pustynne krajobrazy mają surowe piękno, ale większość ludzi woli trochę wilgoci.
Człowieka zawsze fascynowały górskie strumienie i gładkie nizinne rzeki, spokojne jeziora i wiecznie falujące fale morskie, plusk wodospadu i zimny sen o lodowcach. Niejednokrotnie wszyscy dostrzegali piękno gry świateł w rosie na trawie, blask szronu na gałęziach, mleczną biel mgły i ponurą urodę niskich chmur. I wszystkie te efekty powstajądzięki kątowi załamania wiązki w wodzie.
Oko, skala elektromagnetyczna, tęcza
Światło to fluktuacja pola elektromagnetycznego. Długość fali i jej częstotliwość określają rodzaj fotonu. Częstotliwość drgań decyduje o tym, czy będzie to fala radiowa, promień podczerwony, widmo jakiegoś koloru widocznego dla człowieka, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie czy promieniowanie gamma. Ludzie są w stanie dostrzec za pomocą oczu wibracje elektromagnetyczne o długości fali od 780 (czerwony) do 380 (fioletowy) nanometrów. W skali wszystkich możliwych fal odcinek ten zajmuje bardzo mały obszar. Oznacza to, że ludzie nie są w stanie dostrzec większości widma elektromagnetycznego. A całe piękno dostępne człowiekowi tworzy różnica między kątem padania a kątem załamania na granicy między mediami.
Próżnia, Słońce, planeta
Fotony są emitowane przez Słońce w wyniku reakcji termojądrowej. Fuzji atomów wodoru i narodzinom helu towarzyszy uwolnienie ogromnej liczby różnych cząstek, w tym kwantów światła. W próżni fale elektromagnetyczne rozchodzą się w linii prostej iz największą możliwą prędkością. Kiedy wejdzie w przezroczysty i gęstszy ośrodek, taki jak ziemska atmosfera, światło zmienia swoją prędkość propagacji. W efekcie zmienia kierunek propagacji. Ile określa współczynnik załamania światła. Kąt załamania jest obliczany ze wzoru Snella.
Prawo Snella
Holenderski matematyk Willebrord Snell przez całe życie pracował z kątami i odległościami. Zrozumiał, jak mierzyć odległości między miastami, jak znaleźć danypunkt na niebie. Nic dziwnego, że znalazł wzór w kątach załamania światła.
Wzór prawa wygląda tak:
- 1sin θ1 =n2sin θ2.
W tym wyrażeniu znaki mają następujące znaczenie:
- 1 i n2 to współczynniki załamania światła ośrodka 1 (z którego pada wiązka) i ośrodka 2 (wpada do niego);
- θ1 i θ2 to odpowiednio kąt padania i załamania światła.
Wyjaśnienia do prawa
Konieczne jest wyjaśnienie tego wzoru. Kąty θ oznaczają liczbę stopni, która leży między kierunkiem propagacji wiązki a normalną do powierzchni w miejscu kontaktu wiązki światła. Dlaczego w tym przypadku używany jest normalny? Ponieważ w rzeczywistości nie ma ściśle płaskich powierzchni. A znalezienie normalnej do dowolnej krzywej jest dość proste. Ponadto, jeśli w zadaniu znany jest kąt między granicą mediów a padającą wiązką x, to wymagany kąt θ wynosi tylko (90º-x).
Najczęściej światło przechodzi z bardziej rozrzedzonego (powietrza) do gęstszego (woda). Im bliżej siebie znajdują się atomy ośrodka, tym silniejsze jest załamanie wiązki. Dlatego im gęstsze medium, tym większy kąt załamania. Ale dzieje się też na odwrót: światło spada z wody do powietrza lub z powietrza do próżni. W takich okolicznościach może wystąpić sytuacja, w której n1sin θ1>n2. Oznacza to, że cała wiązka zostanie odbita z powrotem do pierwszego ośrodka. Zjawisko to nazywa się totalnym wewnętrznymodbicie. Kąt, przy którym występują opisane powyżej okoliczności, nazywany jest granicznym kątem załamania światła.
Co decyduje o współczynniku załamania?
Ta wartość zależy tylko od właściwości substancji. Na przykład są kryształy, dla których ma znaczenie, pod jakim kątem wpada wiązka. Anizotropia właściwości przejawia się w dwójłomności. Są media, dla których ważna jest polaryzacja dochodzącego promieniowania. Należy również pamiętać, że kąt załamania światła zależy od długości fali padającego promieniowania. Na tej różnicy opiera się eksperyment z podziałem światła białego na tęczę przez pryzmat. Należy zauważyć, że temperatura ośrodka wpływa również na współczynnik załamania promieniowania. Im szybciej drgają atomy kryształu, tym bardziej deformuje się jego struktura i zdolność do zmiany kierunku propagacji światła.
Przykłady wartości współczynnika załamania światła
Podajemy różne wartości dla znajomych środowisk:
- Sól (wzór chemiczny NaCl) jako minerał nazywana jest „halitem”. Jego współczynnik załamania światła wynosi 1,544.
- Kąt załamania szkła jest obliczany na podstawie jego współczynnika załamania. W zależności od rodzaju materiału wartość ta waha się od 1,487 do 2,186.
- Diament słynie właśnie z grania w nim światła. Przy cięciu jubilerzy biorą pod uwagę wszystkie jego płaszczyzny. Współczynnik załamania światła diamentu wynosi 2,417.
- Woda oczyszczona z zanieczyszczeń ma współczynnik załamania światła 1,333. H2O jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem. Dlatego w przyrodzie nie ma chemicznie czystej wody. Każda studnia, każda rzeka jest scharakteryzowanaz jego składem. Dlatego zmienia się również współczynnik załamania światła. Ale aby rozwiązać proste problemy szkolne, możesz przyjąć tę wartość.
Jowisz, Saturn, Kallisto
Do tej pory rozmawialiśmy o pięknie ziemskiego świata. Tak zwane warunki normalne implikują bardzo określoną temperaturę i ciśnienie. Ale w Układzie Słonecznym są inne planety. Są całkiem różne krajobrazy.
Na Jowiszu można zaobserwować mgiełkę argonu w chmurach metanu i prądach wstępujących helu. Powszechne są tam również zorze rentgenowskie.
Na Saturnie mgły etanowe pokrywają atmosferę wodoru. W niższych warstwach planety diamentowe deszcze padają z bardzo gorących chmur metanu.
Jednak skalisty zamarznięty księżyc Jowisza Callisto ma wewnętrzny ocean bogaty w węglowodory. Być może w jego głębi żyją bakterie zużywające siarkę.
W każdym z tych krajobrazów gra światła na różnych powierzchniach, krawędziach, półkach i chmurach tworzy piękno.
