ดัชนีการหักเหของแสงสูงสุด กฎการหักเหของแสง

บทความนี้เปิดเผยสาระสำคัญของแนวคิดเกี่ยวกับทัศนศาสตร์เช่นดัชนีการหักเหของแสง สูตรสำหรับการได้รับค่านี้ให้ภาพรวมโดยย่อของการประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์การหักเหของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ความสามารถในการมองเห็นและดัชนีการหักเหของแสง

ในยามรุ่งอรุณของอารยธรรม ผู้คนต่างตั้งคำถามว่า ตามองเห็นได้อย่างไร? มีคนแนะนำว่าบุคคลจะปล่อยรังสีที่สัมผัสวัตถุโดยรอบ หรือในทางกลับกัน ทุกสิ่งเปล่งรังสีดังกล่าว คำตอบสำหรับคำถามนี้ได้รับในศตวรรษที่สิบเจ็ด มีอยู่ในเลนส์และเกี่ยวข้องกับดัชนีการหักเหของแสง แสงสะท้อนจากพื้นผิวทึบแสงต่างๆ และการหักเหของแสงที่ขอบด้วยวัตถุที่โปร่งใส แสงทำให้คนมีโอกาสมองเห็น

ดัชนีแสงและการหักเหของแสง

โลกของเราถูกปกคลุมไปด้วยแสงของดวงอาทิตย์ และแน่นอนกับธรรมชาติคลื่นของโฟตอนที่มีการเชื่อมโยงแนวคิดเช่นดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ เมื่อขยายพันธุ์ในสุญญากาศ โฟตอนไม่พบสิ่งกีดขวาง บนดาวดวงนี้ แสงส่องกระทบตัวกลางที่มีความหนาแน่นต่างกัน: ชั้นบรรยากาศ (ส่วนผสมของก๊าซ) น้ำ ผลึก เนื่องจากเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โฟตอนของแสงจึงมีความเร็วหนึ่งเฟสในสุญญากาศ (แสดงด้วย ค) และในสภาพแวดล้อม - อื่น ๆ (ระบุ วี). อัตราส่วนของตัวแรกและตัวที่สองคือสิ่งที่เรียกว่าดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ สูตรมีลักษณะดังนี้: n = c / v

ความเร็วเฟส

มันคุ้มค่าที่จะให้คำจำกัดความของความเร็วเฟสของตัวกลางแม่เหล็กไฟฟ้า มิฉะนั้นให้เข้าใจว่าดัชนีการหักเหของแสงคืออะไร น, มันเป็นสิ่งต้องห้าม. โฟตอนของแสงเป็นคลื่น ดังนั้นจึงสามารถแสดงเป็นแพ็คเก็ตของพลังงานที่แกว่ง (ลองนึกภาพส่วนของไซนัส) เฟส - นี่คือส่วนของไซนัสที่คลื่นผ่านในเวลาที่กำหนด (โปรดจำไว้ว่านี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำความเข้าใจปริมาณเช่นดัชนีการหักเหของแสง)

ตัวอย่างเช่น เฟสสามารถมีค่าสูงสุดของไซนัสหรือบางส่วนของความชันได้ ความเร็วเฟสของคลื่นคือความเร็วที่เฟสนั้นเคลื่อนที่ ตามคำจำกัดความของดัชนีการหักเหของแสงอธิบาย สำหรับสุญญากาศและสำหรับตัวกลาง ค่าเหล่านี้จะต่างกัน นอกจากนี้ แต่ละสภาพแวดล้อมมีค่าของปริมาณนี้เอง สารประกอบโปร่งใสใดๆ ไม่ว่าจะมีองค์ประกอบอย่างไร มีดัชนีการหักเหของแสงแตกต่างจากสารอื่นๆ ทั้งหมด

ดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์และสัมพัทธ์

มันแสดงให้เห็นแล้วข้างต้นว่าค่าสัมบูรณ์ถูกวัดเทียบกับสุญญากาศ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ยากสำหรับโลกของเรา: แสงมักจะกระทบกับขอบของอากาศและน้ำ หรือควอตซ์และสปิเนล สำหรับแต่ละสื่อเหล่านี้ ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น ดัชนีการหักเหของแสงจะแตกต่างกัน ในอากาศ โฟตอนของแสงเคลื่อนที่ไปตามทิศทางเดียวและมีความเร็วหนึ่งเฟส (v 1) แต่เมื่อเข้าสู่น้ำ มันจะเปลี่ยนทิศทางของการแพร่กระจายและความเร็วของเฟส (v 2) อย่างไรก็ตาม ทิศทางทั้งสองนี้อยู่ในระนาบเดียวกัน สิ่งนี้สำคัญมากสำหรับการทำความเข้าใจว่าภาพของโลกรอบๆ ก่อตัวขึ้นบนเรตินาของดวงตาหรือบนเมทริกซ์ของกล้องอย่างไร อัตราส่วนของค่าสัมบูรณ์ทั้งสองให้ดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ สูตรมีลักษณะดังนี้: n 12 \u003d v 1 / v 2

แต่ถ้าแสงออกมาจากน้ำและเข้าสู่อากาศล่ะ? จากนั้นค่านี้จะถูกกำหนดโดยสูตร n 21 = v 2 / v 1 เมื่อคูณดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ เราจะได้ n 21 * n 12 \u003d (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) \u003d 1 อัตราส่วนนี้เป็นจริงสำหรับสื่อคู่ใดๆ ดัชนีหักเหสัมพัทธ์หาได้จากไซน์ของมุมตกกระทบและการหักเหของแสง n 12 = sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2 อย่าลืมว่ามุมนั้นนับจากมุมปกติถึงพื้นผิว เส้นตั้งฉากคือเส้นตั้งฉากกับพื้นผิว นั่นคือถ้าปัญหาถูกกำหนดมุม α ตกลงมาสัมพันธ์กับพื้นผิว ดังนั้นต้องพิจารณาไซน์ของ (90 - α)

ความงดงามของดัชนีการหักเหของแสงและการนำไปใช้งาน

ในวันที่อากาศแจ่มใสจะมีแสงสะท้อนที่ก้นทะเลสาบ น้ำแข็งสีน้ำเงินเข้มปกคลุมหิน ในมือผู้หญิง เพชรจะกระจายประกายไฟนับพัน ปรากฏการณ์เหล่านี้เป็นผลมาจากความจริงที่ว่าขอบเขตของสื่อโปร่งใสทั้งหมดมีดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ นอกจากความสวยงามแล้ว ปรากฏการณ์นี้ยังสามารถนำไปใช้ได้จริงอีกด้วย

นี่คือตัวอย่างบางส่วน:

• เลนส์แก้วรวบรวมแสงตะวันและจุดไฟเผาหญ้า
• ลำแสงเลเซอร์มุ่งเน้นไปที่อวัยวะที่เป็นโรคและตัดเนื้อเยื่อที่ไม่จำเป็นออก
• แสงแดดหักเหบนหน้าต่างกระจกสีโบราณ ทำให้เกิดบรรยากาศที่พิเศษ
• กล้องจุลทรรศน์ขยายรายละเอียดเล็กมาก
• เลนส์สเปกโตรโฟโตมิเตอร์รวบรวมแสงเลเซอร์ที่สะท้อนจากพื้นผิวของสารที่ทำการศึกษา ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะเข้าใจโครงสร้างและคุณสมบัติของวัสดุใหม่
• มีแม้กระทั่งโครงการสำหรับคอมพิวเตอร์โฟโตนิกซึ่งข้อมูลจะไม่ถูกส่งโดยอิเล็กตรอนอย่างที่เป็นอยู่ แต่โดยโฟตอน สำหรับอุปกรณ์ดังกล่าวจำเป็นต้องมีองค์ประกอบการหักเหของแสง

ความยาวคลื่น

อย่างไรก็ตาม ดวงอาทิตย์ให้โฟตอนแก่เรา ไม่เพียงแต่ในสเปกตรัมที่มองเห็นเท่านั้น ช่วงรังสีอินฟราเรด รังสีอัลตราไวโอเลต และรังสีเอกซ์ไม่ได้ถูกรับรู้โดยการมองเห็นของมนุษย์ แต่จะส่งผลต่อชีวิตของเรา รังสีอินฟราเรดทำให้เราอบอุ่น โฟตอนยูวีจะแตกตัวเป็นไอออนในบรรยากาศชั้นบน และทำให้พืชสามารถผลิตออกซิเจนผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง

และค่าดัชนีการหักเหของแสงเท่ากับอะไร ไม่เพียงขึ้นกับสารที่ขอบเขตตั้งอยู่ แต่ยังขึ้นกับความยาวคลื่นของรังสีตกกระทบด้วย โดยปกติแล้วจะมีความชัดเจนจากบริบทว่ามีการอ้างถึงค่าใด นั่นคือถ้าหนังสือเล่มนี้พิจารณาถึงรังสีเอกซ์และผลกระทบต่อบุคคลแล้ว นมีการกำหนดไว้สำหรับช่วงนี้ แต่โดยปกติสเปกตรัมที่มองเห็นได้ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นหมายถึง เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น

ดัชนีการหักเหของแสงและการสะท้อน

ตามที่เห็นได้ชัดเจนจากข้างต้น เรากำลังพูดถึงสภาพแวดล้อมที่โปร่งใส ตัวอย่างเช่น เราอ้างถึงอากาศ น้ำ เพชร แต่ไม้ หินแกรนิต พลาสติกล่ะ? มีสิ่งเช่นดัชนีการหักเหของแสงสำหรับพวกเขาหรือไม่? คำตอบนั้นซับซ้อน แต่โดยทั่วไปแล้วใช่

ก่อนอื่น เราควรพิจารณาว่าเรากำลังเผชิญกับแสงประเภทใด สื่อที่ทึบแสงกับโฟตอนที่มองเห็นได้ถูกตัดผ่านโดยรังสีเอกซ์หรือแกมมา นั่นคือถ้าเราทุกคนเป็นซุปเปอร์แมน โลกทั้งใบรอบตัวเราจะโปร่งใสสำหรับเรา แต่จะแตกต่างกันออกไป ตัวอย่างเช่น ผนังที่ทำด้วยคอนกรีตจะไม่หนาแน่นกว่าเยลลี่ และส่วนควบที่เป็นโลหะจะดูเหมือนชิ้นผลไม้ที่มีความหนาแน่นมากกว่า

สำหรับอนุภาคมูลฐานอื่น ๆ มิวออน โดยทั่วไปแล้วโลกของเรามีความโปร่งใสผ่านและผ่าน ครั้งหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์นำปัญหามามากมายเพื่อพิสูจน์ความจริงของการมีอยู่ของพวกมัน Muons เจาะเราเป็นล้านทุกวินาที แต่ความน่าจะเป็นของการชนกันของอนุภาคกับสสารอย่างน้อยหนึ่งอนุภาคนั้นน้อยมาก และมันยากมากที่จะแก้ไขปัญหานี้ อย่างไรก็ตาม ในไม่ช้าไบคาลจะกลายเป็นสถานที่สำหรับ "จับ" มิวออน น้ำที่ลึกและใสเหมาะอย่างยิ่งสำหรับสิ่งนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในฤดูหนาว สิ่งสำคัญคือเซ็นเซอร์ไม่หยุด ดังนั้นดัชนีการหักเหของแสงของคอนกรีต เช่น สำหรับโฟตอนเอ็กซ์เรย์ก็สมเหตุสมผล นอกจากนี้ การฉายรังสีเอกซ์ของสารเป็นหนึ่งในวิธีการที่แม่นยำและสำคัญที่สุดในการศึกษาโครงสร้างของผลึก

นอกจากนี้ ยังควรค่าแก่การจดจำว่า ในความหมายทางคณิตศาสตร์ สารที่มีความทึบแสงสำหรับช่วงที่กำหนดจะมีดัชนีการหักเหของแสงในจินตภาพ สุดท้ายนี้ เราต้องเข้าใจว่าอุณหภูมิของสารสามารถส่งผลต่อความโปร่งใสได้เช่นกัน

การหักเหของแสง- ปรากฏการณ์ที่ลำแสงส่องผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางเปลี่ยนทิศทางที่ขอบของตัวกลางเหล่านี้

การหักเหของแสงเกิดขึ้นตามกฎต่อไปนี้:
การตกกระทบและรังสีหักเหและเส้นตั้งฉากที่ลากไปยังส่วนต่อประสานระหว่างสื่อสองตัวที่จุดเกิดลำแสงอยู่ในระนาบเดียวกัน อัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมหักเหเป็นค่าคงที่สำหรับตัวกลางสองตัว:
,
ที่ไหน α - มุมตกกระทบ,
β - มุมหักเห
น - ค่าคงที่ที่ไม่ขึ้นกับมุมตกกระทบ

เมื่อมุมตกกระทบเปลี่ยน มุมหักเหก็จะเปลี่ยนไปด้วย ยิ่งมุมตกกระทบมาก มุมการหักเหก็จะยิ่งมากขึ้น
หากแสงเปลี่ยนจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าทางแสงไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า มุมของการหักเหของแสงจะน้อยกว่ามุมตกกระทบเสมอ: β < α.
ลำแสงที่ตั้งฉากกับส่วนต่อประสานระหว่างสื่อทั้งสองผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่ง โดยไม่ทำลาย

ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ของสาร- ค่าเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วเฟสของแสง (คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ในสุญญากาศและในตัวกลางที่กำหนด n=c/v
ค่า n ที่รวมอยู่ในกฎการหักเหของแสงเรียกว่าดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์สำหรับสื่อคู่หนึ่ง

ค่า n คือดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ของตัวกลาง B เทียบกับตัวกลาง A และ n" = 1/n คือดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ของตัวกลาง A เทียบกับตัวกลาง B
ค่านี้ ceteris paribus มีค่ามากกว่าเอกภาพเมื่อลำแสงผ่านจากตัวกลางที่หนาแน่นกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า และน้อยกว่าความเป็นหนึ่งเดียวกันเมื่อลำแสงผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า (เช่น จากก๊าซหรือจาก ดูดให้เป็นของเหลวหรือของแข็ง) มีข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องปกติที่จะเรียกสื่อที่มีความหนาแน่นมากกว่าหรือน้อยกว่าอย่างอื่น
ลำแสงที่ตกลงมาจากอวกาศที่ไม่มีอากาศลงบนพื้นผิวของตัวกลาง B บางตัวจะหักเหแสงได้แรงกว่าเมื่อตกลงมาจากตัวกลาง A ตัวอื่น ดัชนีการหักเหของแสงของรังสีที่ตกกระทบบนตัวกลางจากอวกาศที่ไม่มีอากาศเรียกว่าดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์

(สัมบูรณ์ - เทียบกับสุญญากาศ
ญาติ - สัมพันธ์กับสารอื่น ๆ (เช่นอากาศเดียวกัน)
ดัชนีสัมพัทธ์ของสารสองชนิดคืออัตราส่วนของดัชนีสัมบูรณ์)

สะท้อนภายในทั้งหมด- การสะท้อนภายใน โดยมีเงื่อนไขว่ามุมตกกระทบเกินมุมวิกฤตที่แน่นอน ในกรณีนี้ คลื่นตกกระทบจะถูกสะท้อนโดยสมบูรณ์ และค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนจะเกินค่าสูงสุดสำหรับพื้นผิวที่ขัดเงา ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนสำหรับการสะท้อนภายในทั้งหมดไม่ได้ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น

ในด้านทัศนศาสตร์ ปรากฏการณ์นี้สังเกตได้จากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสเปกตรัมกว้าง ซึ่งรวมถึงช่วงเอ็กซ์เรย์

ในทัศนศาสตร์เรขาคณิต อธิบายปรากฏการณ์ในแง่ของกฎของสเนลล์ เมื่อพิจารณาว่ามุมการหักเหของแสงต้องไม่เกิน 90° เราจะได้มุมตกกระทบที่มีไซน์มากกว่าอัตราส่วนของดัชนีการหักเหของแสงที่ต่ำกว่าต่อดัชนีที่ใหญ่กว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าควรสะท้อนในตัวกลางแรกโดยสมบูรณ์

ตามทฤษฎีคลื่นของปรากฏการณ์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ายังคงแทรกซึมเข้าไปในตัวกลางที่สอง ซึ่งเรียกว่า "คลื่นที่ไม่สม่ำเสมอ" แพร่กระจายที่นั่น ซึ่งจะสลายตัวแบบทวีคูณและไม่ได้นำพลังงานไปด้วย ความลึกลักษณะเฉพาะของการแทรกซึมของคลื่นที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันในตัวกลางที่สองนั้นอยู่ในลำดับของความยาวคลื่น

กฎการหักเหของแสง

จากทั้งหมดที่กล่าวมาเราสรุปได้ว่า:
1 . ที่ส่วนต่อประสานระหว่างสื่อสองตัวที่มีความหนาแน่นเชิงแสงต่างกัน ลำแสงจะเปลี่ยนทิศทางเมื่อส่งผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง
2. เมื่อลำแสงส่องผ่านเข้าไปในตัวกลางที่มีความหนาแน่นของแสงสูง มุมหักเหจะน้อยกว่ามุมตกกระทบ เมื่อลำแสงส่องผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นทางแสงมากกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า มุมของการหักเหของแสงจะมากกว่ามุมตกกระทบ
การหักเหของแสงจะมาพร้อมกับการสะท้อน และเมื่อมุมตกกระทบเพิ่มขึ้น ความสว่างของลำแสงที่สะท้อนกลับจะเพิ่มขึ้น ในขณะที่แสงที่หักเหจะอ่อนลง ซึ่งสามารถเห็นได้จากการทดลองที่แสดงในรูป ดังนั้น ลำแสงที่สะท้อนกลับยิ่งมีพลังงานแสงมากเท่าใด มุมตกกระทบก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ปล่อยให้เป็น MN- ส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางโปร่งใสสองตัว เช่น อากาศและน้ำ JSC- ลำแสงตก OV- ลำแสงหักเห - มุมตกกระทบ - มุมหักเห - ความเร็วของการแพร่กระจายของแสงในตัวกลางแรก - ความเร็วของการแพร่กระจายของแสงในตัวกลางที่สอง

ไม่มีอะไรอื่นนอกจากอัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมหักเห

ดัชนีการหักเหของแสงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสารและความยาวคลื่นของรังสี สำหรับสารบางชนิด ดัชนีการหักเหของแสงจะเปลี่ยนแปลงค่อนข้างมากเมื่อความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเปลี่ยนจากความถี่ต่ำเป็นแสงและอื่น ๆ และยังสามารถเปลี่ยนได้ชัดเจนยิ่งขึ้นในบางช่วง พื้นที่ของมาตราส่วนความถี่ ค่าเริ่มต้นมักจะเป็นช่วงแสงหรือช่วงที่กำหนดโดยบริบท

ค่าของ n คือ ceteris paribus มักจะน้อยกว่าความสามัคคีเมื่อลำแสงผ่านจากตัวกลางที่หนาแน่นกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า และมากกว่าความเป็นหนึ่งเดียวกันเมื่อลำแสงผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าไปยังตัวกลางที่หนาแน่นกว่า (เช่น จาก แก๊สหรือจากสุญญากาศเป็นของเหลวหรือของแข็ง ) มีข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องปกติที่จะเรียกสื่อที่มีความหนาแน่นทางแสงมากกว่าหรือน้อยกว่าอื่น (เพื่อไม่ให้สับสนกับความหนาแน่นของแสงเพื่อวัดความทึบของตัวกลาง)

ตารางแสดงค่าดัชนีการหักเหของแสงสำหรับสื่อบางประเภท:

ตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่าจะมีความหนาแน่นทางแสงมากกว่า โดยปกติแล้วจะวัดดัชนีการหักเหของแสงของสื่อต่างๆ ที่สัมพันธ์กับอากาศ ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ของอากาศคือ ดังนั้น ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ของตัวกลางใดๆ จึงสัมพันธ์กับดัชนีการหักเหของแสงที่สัมพันธ์กับอากาศโดยสูตร:

ดัชนีการหักเหของแสงขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแสง ซึ่งก็คือสีของมัน สีที่ต่างกันสอดคล้องกับดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกัน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการกระจายตัว (dispersion) มีบทบาทสำคัญในทัศนศาสตร์

กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับแสงเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของฟิสิกส์และล้อมรอบเราทุกที่ในชีวิตประจำวัน สิ่งสำคัญที่สุดในสถานการณ์นี้คือกฎของการสะท้อนและการหักเหของแสง ซึ่งเป็นพื้นฐานของทัศนศาสตร์สมัยใหม่ การหักเหของแสงเป็นส่วนสำคัญของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่

เอฟเฟกต์การบิดเบือน

บทความนี้จะบอกคุณว่าปรากฏการณ์การหักเหของแสงคืออะไร รวมถึงกฎการหักเหของแสงและสิ่งที่ตามมา

พื้นฐานของปรากฏการณ์ทางกายภาพ

เมื่อลำแสงตกลงบนพื้นผิวที่แยกจากกันด้วยสารโปร่งใสสองชนิดที่มีความหนาแน่นของแสงต่างกัน (เช่น แก้วหรือน้ำต่างกัน) รังสีบางส่วนจะสะท้อนกลับ และบางส่วนจะทะลุเข้าไปในโครงสร้างที่สอง (เช่น มันจะแพร่กระจายในน้ำหรือแก้ว) เมื่อส่งผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง ลำแสงจะเปลี่ยนทิศทาง นี่คือปรากฏการณ์การหักเหของแสง
การสะท้อนและการหักเหของแสงสามารถมองเห็นได้ชัดเจนในน้ำ

เอฟเฟกต์การบิดเบือนน้ำ

มองดูสิ่งของในน้ำก็ดูบิดเบี้ยว โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เห็นได้ชัดเจนที่พรมแดนระหว่างอากาศกับน้ำ สายตาดูเหมือนว่าวัตถุใต้น้ำจะเบี่ยงเบนเล็กน้อย ปรากฏการณ์ทางกายภาพที่อธิบายไว้เป็นสาเหตุว่าทำไมวัตถุทั้งหมดจึงดูบิดเบี้ยวในน้ำ เมื่อรังสีกระทบกระจก ผลกระทบนี้จะสังเกตเห็นได้น้อยลง
การหักเหของแสงเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะโดยการเปลี่ยนทิศทางของลำแสงสุริยะในขณะที่เคลื่อนที่จากตัวกลาง (โครงสร้าง) หนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่ง
เพื่อปรับปรุงความเข้าใจในกระบวนการนี้ ให้พิจารณาตัวอย่างลำแสงที่ตกลงมาจากอากาศสู่น้ำ (คล้ายกับแก้ว) โดยการวาดเส้นตั้งฉากตามส่วนต่อประสาน มุมของการหักเหของแสงและการย้อนกลับของลำแสงสามารถวัดได้ ตัวบ่งชี้นี้ (มุมหักเห) จะเปลี่ยนไปเมื่อการไหลทะลุเข้าไปในน้ำ (ภายในแก้ว)
บันทึก! พารามิเตอร์นี้เข้าใจว่าเป็นมุมที่สร้างฉากตั้งฉากกับการแยกสารสองชนิดเมื่อลำแสงทะลุจากโครงสร้างแรกไปยังโครงสร้างที่สอง

ทางบีม

ตัวบ่งชี้เดียวกันนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับสภาพแวดล้อมอื่นๆ เป็นที่ยอมรับว่าตัวบ่งชี้นี้ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของสาร หากลำแสงตกกระทบจากโครงสร้างที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าไปจนถึงโครงสร้างที่หนาแน่นกว่า มุมของการบิดเบือนที่สร้างขึ้นก็จะใหญ่ขึ้น และถ้ากลับกันน้อยกว่านั้น
ในเวลาเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงในความชันของการตกก็จะส่งผลต่อตัวบ่งชี้นี้ด้วย แต่ความสัมพันธ์ระหว่างพวกเขาไม่คงที่ ในเวลาเดียวกันอัตราส่วนของไซน์จะคงที่ซึ่งแสดงโดยสูตรต่อไปนี้: sinα / sinγ = n โดยที่:

• n คือค่าคงที่ที่อธิบายสำหรับสารแต่ละชนิด (อากาศ แก้ว น้ำ ฯลฯ) ดังนั้นสิ่งที่ค่านี้สามารถกำหนดได้จากตารางพิเศษ
• α คือมุมตกกระทบ
• γ คือมุมหักเห

เพื่อกำหนดปรากฏการณ์ทางกายภาพนี้ กฎการหักเหของแสงได้ถูกสร้างขึ้น

กฎทางกายภาพ

กฎการหักเหของฟลักซ์แสงช่วยให้คุณกำหนดลักษณะของสารโปร่งใสได้ กฎหมายเองประกอบด้วยบทบัญญัติสองข้อ:

• ส่วนแรก. ลำแสง (เหตุการณ์, การเปลี่ยนแปลง) และฉากตั้งฉากซึ่งได้รับการแก้ไข ณ จุดเกิดเหตุที่ขอบเขต เช่น อากาศและน้ำ (แก้ว ฯลฯ) จะอยู่ในระนาบเดียวกัน
• ส่วนที่สอง ตัวบ่งชี้อัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมเดียวกันที่เกิดขึ้นเมื่อข้ามขอบเขตจะเป็นค่าคงที่

คำอธิบายของกฎหมาย

ในกรณีนี้ ในขณะนี้ลำแสงออกจากโครงสร้างที่สองไปยังโครงสร้างแรก (เช่น เมื่อฟลักซ์แสงผ่านจากอากาศ ผ่านกระจกและกลับเข้าไปในอากาศ) จะเกิดเอฟเฟกต์การบิดเบือน

พารามิเตอร์ที่สำคัญสำหรับวัตถุต่างๆ

ตัวบ่งชี้หลักในสถานการณ์นี้คืออัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อพารามิเตอร์ที่คล้ายกัน แต่สำหรับการบิดเบือน จากกฎหมายที่อธิบายข้างต้น ตัวบ่งชี้นี้เป็นค่าคงที่
ในเวลาเดียวกัน เมื่อค่าของความชันของการตกเปลี่ยนแปลง สถานการณ์เดียวกันจะเป็นเรื่องปกติสำหรับตัวบ่งชี้ที่คล้ายกัน พารามิเตอร์นี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากเป็นลักษณะสำคัญของสารโปร่งใส

ตัวบ่งชี้สำหรับวัตถุต่างๆ

ด้วยพารามิเตอร์นี้ คุณจึงสามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่างประเภทของแก้วและอัญมณีต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังเป็นสิ่งสำคัญในการกำหนดความเร็วของแสงในสื่อต่างๆ

บันทึก! ความเร็วสูงสุดของฟลักซ์แสงอยู่ในสุญญากาศ

เมื่อเคลื่อนที่จากสารหนึ่งไปยังอีกสารหนึ่ง ความเร็วของสารนั้นจะลดลง ตัวอย่างเช่น เพชรซึ่งมีดัชนีการหักเหของแสงสูงสุด จะมีความเร็วการแพร่กระจายโฟตอน 2.42 เท่าเร็วกว่าอากาศ ในน้ำจะแพร่กระจายช้าลง 1.33 เท่า สำหรับแก้วประเภทต่างๆ พารามิเตอร์นี้มีตั้งแต่ 1.4 ถึง 2.2

บันทึก! แว่นตาบางตัวมีดัชนีการหักเหของแสงที่ 2.2 ซึ่งใกล้เคียงกับเพชรมาก (2.4) ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะแยกแยะชิ้นส่วนของแก้วจากเพชรแท้

ความหนาแน่นทางแสงของสาร

แสงสามารถทะลุผ่านสารต่าง ๆ ซึ่งมีลักษณะความหนาแน่นของแสงต่างกัน ดังที่เราได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ โดยใช้กฎนี้ คุณสามารถกำหนดลักษณะของความหนาแน่นของตัวกลาง (โครงสร้าง) ยิ่งมีความหนาแน่นมากเท่าใดความเร็วของแสงก็จะยิ่งช้าลงเท่านั้น ตัวอย่างเช่น แก้วหรือน้ำจะมีความหนาแน่นทางแสงมากกว่าอากาศ
นอกจากข้อเท็จจริงที่ว่าพารามิเตอร์นี้เป็นค่าคงที่แล้ว ยังสะท้อนอัตราส่วนของความเร็วแสงในสารสองชนิดอีกด้วย ความหมายทางกายภาพสามารถแสดงเป็นสูตรต่อไปนี้:

ตัวบ่งชี้นี้บอกว่าความเร็วของการแพร่กระจายของโฟตอนเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อส่งผ่านจากสารหนึ่งไปยังอีกสารหนึ่ง

ตัวบ่งชี้ที่สำคัญอีกอย่างหนึ่ง

เมื่อเคลื่อนฟลักซ์แสงผ่านวัตถุโปร่งใส โพลาไรซ์ก็เป็นไปได้ สังเกตได้ระหว่างทางเดินของฟลักซ์แสงจากสื่อไอโซโทรปิกอิเล็กทริก โพลาไรซ์เกิดขึ้นเมื่อโฟตอนผ่านกระจก

ผลโพลาไรซ์

โพลาไรเซชันบางส่วนจะสังเกตได้เมื่อมุมตกกระทบของฟลักซ์แสงที่ขอบของไดอิเล็กทริกสองตัวแตกต่างจากศูนย์ ระดับของโพลาไรเซชันขึ้นอยู่กับมุมตกกระทบ (กฎของบรูว์สเตอร์)

สะท้อนภายในเต็มรูปแบบ

ในการสรุปการพูดนอกเรื่องสั้น ๆ ของเรา ยังคงจำเป็นต้องพิจารณาผลกระทบดังกล่าวเป็นการสะท้อนภายในที่เต็มเปี่ยม

ปรากฏการณ์เต็มจอ

เพื่อให้เอฟเฟกต์นี้ปรากฏขึ้น จำเป็นต้องเพิ่มมุมตกกระทบของฟลักซ์แสงในขณะที่เปลี่ยนจากตัวกลางที่หนาแน่นกว่าไปเป็นสื่อที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าที่ส่วนต่อประสานระหว่างสาร ในสถานการณ์ที่พารามิเตอร์นี้เกินค่าจำกัด โฟตอนที่ตกกระทบบนขอบเขตของส่วนนี้จะถูกสะท้อนโดยสมบูรณ์ อันที่จริง นี่จะเป็นปรากฏการณ์ที่เราปรารถนา หากปราศจากมัน ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างใยแก้วนำแสง

บทสรุป

การประยุกต์ใช้คุณลักษณะของพฤติกรรมของฟลักซ์แสงในทางปฏิบัติทำให้เกิดอุปกรณ์ทางเทคนิคที่หลากหลายเพื่อปรับปรุงชีวิตของเรา ในเวลาเดียวกัน แสงไม่ได้เปิดโอกาสทั้งหมดให้กับมนุษยชาติ และศักยภาพในทางปฏิบัติยังไม่ได้รับการตระหนักอย่างเต็มที่

วิธีทำโคมไฟกระดาษด้วยมือของคุณเอง
วิธีตรวจสอบประสิทธิภาพของแถบ LED

ทัศนศาสตร์เป็นหนึ่งในสาขาฟิสิกส์ที่เก่าแก่ที่สุด ตั้งแต่สมัยกรีกโบราณ นักปรัชญาหลายคนสนใจกฎการเคลื่อนที่และการแพร่กระจายของแสงในวัสดุโปร่งใสต่างๆ เช่น น้ำ แก้ว เพชร และอากาศ ในบทความนี้ พิจารณาปรากฏการณ์การหักเหของแสง ความสนใจจะเน้นที่ดัชนีการหักเหของแสงของอากาศ

เอฟเฟกต์การหักเหของลำแสง

ทุกคนในชีวิตของเขาต้องพบกับผลกระทบนี้หลายร้อยครั้งเมื่อเขามองไปยังก้นอ่างเก็บน้ำหรือแก้วน้ำที่มีวัตถุบางอย่างวางอยู่ในนั้น ในเวลาเดียวกัน อ่างเก็บน้ำดูเหมือนจะไม่ลึกเท่าที่จริง และวัตถุในแก้วน้ำก็ดูผิดรูปหรือแตกหัก

ปรากฏการณ์การหักเหของแสงประกอบด้วยการแตกหักในวิถีโคจรเป็นเส้นตรงเมื่อข้ามส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุโปร่งใสสองชนิด เมื่อสรุปข้อมูลการทดลองจำนวนมากในตอนต้นของศตวรรษที่ 17 ชาวดัตช์ Willebrord Snell ได้รับนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายปรากฏการณ์นี้ได้อย่างแม่นยำ นิพจน์นี้เขียนในรูปแบบต่อไปนี้:

n 1 *sin(θ 1) = n 2 *sin(θ 2) = ค่าคงที่

ที่นี่ n 1 , n 2 คือดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ในวัสดุที่เกี่ยวข้อง θ 1 และ θ 2 คือมุมระหว่างเหตุการณ์กับลำแสงหักเหและตั้งฉากกับระนาบส่วนต่อประสานซึ่งลากผ่านจุดตัดของลำแสง และเครื่องบินลำนี้

สูตรนี้เรียกว่ากฎของ Snell หรือ Snell-Descartes (ชาวฝรั่งเศสที่เขียนมันในรูปแบบที่นำเสนอ Dutchman ไม่ได้ใช้ไซน์ แต่เป็นหน่วยของความยาว)

นอกจากสูตรนี้แล้ว ปรากฏการณ์ของการหักเหของแสงยังถูกอธิบายโดยกฎอีกข้อหนึ่ง ซึ่งเป็นลักษณะทางเรขาคณิต มันอยู่ในความจริงที่ว่าเครื่องหมายตั้งฉากกับระนาบและรังสีสองเส้น (หักเหและตกกระทบ) อยู่ในระนาบเดียวกัน

ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์

ค่านี้รวมอยู่ในสูตร Snell และค่าของมันมีบทบาทสำคัญ ในทางคณิตศาสตร์ ดัชนีการหักเหของแสง n สอดคล้องกับสูตร:

สัญลักษณ์ c คือความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ ประมาณ 3*10 8 เมตร/วินาที ค่า v คือความเร็วของแสงในตัวกลาง ดังนั้น ดัชนีการหักเหของแสงสะท้อนปริมาณการชะลอตัวของแสงในตัวกลางเมื่อเทียบกับพื้นที่สุญญากาศ

ข้อสรุปที่สำคัญสองประการตามมาจากสูตรข้างต้น:

• ค่าของ n มากกว่า 1 เสมอ (สำหรับสุญญากาศจะเท่ากับหนึ่ง)
• มันเป็นปริมาณที่ไม่มีมิติ

ตัวอย่างเช่น ดัชนีหักเหของอากาศคือ 1.00029 ในขณะที่น้ำคือ 1.33

ดัชนีการหักเหของแสงไม่ใช่ค่าคงที่สำหรับตัวกลางเฉพาะ มันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ นอกจากนี้ สำหรับแต่ละความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มันมีความหมายในตัวเอง ดังนั้น ตัวเลขข้างต้นจึงสอดคล้องกับอุณหภูมิ 20 o C และส่วนสีเหลืองของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ (ความยาวคลื่น - ประมาณ 580-590 nm)

การพึ่งพาค่า n ต่อความถี่ของแสงนั้นแสดงให้เห็นในการสลายตัวของแสงสีขาวโดยปริซึมเป็นสีต่างๆ เช่นเดียวกับการเกิดรุ้งบนท้องฟ้าในช่วงฝนตกหนัก

ดัชนีการหักเหของแสงในอากาศ

ค่าของมัน (1.00029) ได้รับข้างต้นแล้ว เนื่องจากดัชนีการหักเหของอากาศแตกต่างกันเฉพาะในทศนิยมที่สี่จากศูนย์ ดังนั้นสำหรับการแก้ปัญหาในทางปฏิบัติจึงถือได้ว่ามีค่าเท่ากับหนึ่ง ความแตกต่างเล็กน้อยของ n สำหรับอากาศจากความเป็นหนึ่งเดียวกันบ่งชี้ว่าแสงไม่ได้ถูกทำให้ช้าลงโดยโมเลกุลของอากาศ ซึ่งสัมพันธ์กับความหนาแน่นที่ค่อนข้างต่ำ ดังนั้น ความหนาแน่นเฉลี่ยของอากาศคือ 1.225 กก./ลบ.ม. กล่าวคือเบากว่าน้ำจืดมากกว่า 800 เท่า

อากาศเป็นตัวกลางที่มีความบางแบบออปติคัล กระบวนการในการชะลอความเร็วของแสงในวัสดุนั้นเป็นลักษณะของควอนตัมและเกี่ยวข้องกับการดูดกลืนและการปล่อยโฟตอนโดยอะตอมของสสาร

การเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบของอากาศ (เช่น การเพิ่มขึ้นของปริมาณไอน้ำในอากาศ) และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในดัชนีการหักเหของแสง ตัวอย่างที่เด่นชัดคือผลกระทบของภาพลวงตาในทะเลทราย ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างในดัชนีการหักเหของแสงของชั้นอากาศที่มีอุณหภูมิต่างกัน

อินเทอร์เฟซแก้วอากาศ

แก้วเป็นสื่อที่มีความหนาแน่นมากกว่าอากาศมาก ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์อยู่ในช่วง 1.5 ถึง 1.66 ขึ้นอยู่กับประเภทของแก้ว หากเราใช้ค่าเฉลี่ย 1.55 การหักเหของลำแสงที่ส่วนต่อประสานกระจกอากาศสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร:

บาป (θ 1) / บาป (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1.55

ค่าของ n 21 เรียกว่าดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ของอากาศ - แก้ว หากลำแสงออกจากกระจกไปในอากาศควรใช้สูตรต่อไปนี้:

บาป (θ 1) / บาป (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1 / 1.55 \u003d 0.645

หากมุมของลำแสงหักเหในกรณีหลังเท่ากับ 90 o มุมที่สอดคล้องกันจะเรียกว่าวิกฤต สำหรับขอบเขตแก้วอากาศจะเท่ากับ:

θ 1 \u003d arcsin (0.645) \u003d 40.17 o

หากลำแสงตกกระทบขอบกระจก-อากาศที่มีมุมมากกว่า 40.17 o ลำแสงจะสะท้อนกลับเข้าไปในกระจกอย่างสมบูรณ์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "การสะท้อนภายในทั้งหมด"

มุมวิกฤตจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อลำแสงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูง (จากแก้วสู่อากาศ แต่ไม่ใช่ในทางกลับกัน)