Slike u lećama, rad instrumenata kao što su mikroskopi i teleskopi, fenomen duge i varljiva percepcija dubine vodenog tijela primjeri su fenomena loma svjetlosti. Zakoni koji opisuju ovaj fenomen raspravljaju se u ovom članku.
Fenomen refrakcije
Prije razmatranja zakona loma svjetlosti u fizici, upoznajmo se sa suštinom samog fenomena.
Kao što znate, ako je medij homogen u svim točkama u prostoru, tada će se svjetlost u njemu kretati ravnom putanjom. Refrakcija ove staze nastaje kada svjetlosna zraka prijeđe pod kutom graničnu površinu između dva prozirna materijala, poput stakla i vode ili zraka i stakla. Prelazeći u drugi homogeni medij, svjetlost će se također kretati pravocrtno, ali će već u prvom mediju biti usmjerena pod nekim kutom na svoju putanju. Ovo je fenomen loma svjetlosnog snopa.
Video ispod pokazuje fenomen loma na primjeru stakla.
Važna točka ovdje je upadni kut naravnina sučelja. Vrijednost ovog kuta određuje hoće li se fenomen loma promatrati ili ne. Ako snop padne okomito na površinu, tada će se, prešavši u drugi medij, nastaviti kretati po istoj ravnoj liniji. Drugi slučaj, kada neće doći do loma, su kutovi upada zraka koji ide iz optički gušćeg medija u manje gust, koji su veći od neke kritične vrijednosti. U tom će se slučaju svjetlosna energija potpuno reflektirati natrag u prvi medij. Posljednji učinak raspravlja se u nastavku.
Prvi zakon loma
Može se nazvati i zakonom tri pravca u jednoj ravnini. Pretpostavimo da postoji snop svjetlosti A koji pada na sučelje između dva prozirna materijala. U točki O snop se lomi i počinje se kretati duž ravne crte B, koja nije nastavak A. Vratimo li okomitu N na ravan razdvajanja u točku O, tada je 1. zakon za fenomen lom se može formulirati na sljedeći način: upadni snop A, normalni N i lomljeni snop B leže u istoj ravnini, koja je okomita na ravninu sučelja.
Ovaj jednostavan zakon nije očit. Njegova formulacija rezultat je generalizacije eksperimentalnih podataka. Matematički se može izvesti korištenjem takozvanog Fermatovog principa ili principa najmanjeg vremena.
Drugi zakon loma
Školski učitelji fizike često učenicima daju sljedeći zadatak: "Formulirajte zakone loma svjetlosti." Razmotrili smo jedan od njih, a sada prijeđimo na drugi.
Označite kut između zraka A i okomice N kao θ1, kut između zraka B i N zvati će se θ2. Također uzimamo u obzir da je brzina snopa A u mediju 1 v1, brzina zraka B u mediju 2 je v2. Sada možemo dati matematičku formulaciju 2. zakona za fenomen koji se razmatra:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
Ovu formulu je nabavio Nizozemac Snell početkom 17. stoljeća i sada nosi njegovo prezime.
Iz izraza slijedi važan zaključak: što je veća brzina širenja svjetlosti u mediju, to će snop biti udaljeniji od normale (što je veći sinus kuta).
Koncept indeksa loma medija
Navedena Snellova formula trenutno je napisana u malo drugačijem obliku, koji je praktičniji za korištenje pri rješavanju praktičnih problema. Doista, brzina v svjetlosti u materiji, iako manja od one u vakuumu, ipak je velika vrijednost s kojom je teško raditi. Stoga je u fiziku uvedena relativna vrijednost, za koju je jednakost prikazana u nastavku:
n=c/v.
Ovdje c je brzina zraka u vakuumu. Vrijednost n pokazuje koliko je puta vrijednost c veća od vrijednosti v u materijalu. Zove se indeks loma ovog materijala.
Uzimajući u obzir unesenu vrijednost, formula zakona loma svjetlosti bit će prepisana u sljedećem obliku:
sin(θ1)n1=sin(θ2) n2.
Materijal koji ima veliku vrijednost n,naziva optički gustim. Prolazeći kroz njega, svjetlost usporava svoju brzinu za n puta u usporedbi s istom vrijednošću za prostor bez zraka.
Ova formula pokazuje da će snop ležati bliže normali u mediju koji je optički gušći.
Na primjer, primjećujemo da je indeks loma zraka gotovo jednak jedan (1, 00029). Za vodu, njegova vrijednost je 1,33.
Potpuna refleksija u optički gustom mediju
Provedimo sljedeći eksperiment: pokrenimo snop svjetlosti od vodenog stupca prema njegovoj površini. Budući da je voda optički gušća od zraka (1, 33>1, 00029), upadni kut θ1 bit će manji od kuta loma θ2. Sada ćemo postupno povećavati θ1, odnosno θ2, dok će nejednakost θ1<θ2uvijek ostaje istinit.
Doći će trenutak kada θ1<90o i θ2=90 o. Ovaj kut θ1 naziva se kritičnim za par voda-zrak medija. Svaki upadni kut veći od ovoga neće rezultirati da niti jedan dio snopa ne prođe kroz sučelje voda-zrak u manje gust medij. Cijela zraka na granici će doživjeti potpunu refleksiju.
Proračun kritičnog upadnog kuta θc izvodi se po formuli:
θc=arcsin(n2/n1).
).
Za medijsku vodu izrak je 48, 77o.
Napominjemo da ovaj fenomen nije reverzibilan, to jest, kada se svjetlost kreće iz zraka u vodu, nema kritičnog kuta.
Opisani fenomen koristi se u radu optičkih vlakana, a zajedno s disperzijom svjetlosti uzrok je pojave primarnih i sekundarnih duga tijekom kiše.
