Σήμερα θα αποκαλύψουμε ποια είναι η γωνία διάθλασης ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος (το λεγόμενο φως) και πώς σχηματίζονται οι νόμοι του.
Μάτι, δέρμα, εγκέφαλος
Ο άνθρωπος έχει πέντε κύριες αισθήσεις. Οι επιστήμονες της ιατρικής διακρίνουν έως και έντεκα διαφορετικές ανόμοιες αισθήσεις (για παράδειγμα, αίσθημα πίεσης ή πόνου). Αλλά οι άνθρωποι παίρνουν τις περισσότερες πληροφορίες μέσα από τα μάτια τους. Έως και ενενήντα τοις εκατό των διαθέσιμων γεγονότων που ο ανθρώπινος εγκέφαλος γνωρίζει ως ηλεκτρομαγνητικές δονήσεις. Έτσι οι άνθρωποι καταλαβαίνουν κυρίως την ομορφιά και την αισθητική οπτικά. Η γωνία διάθλασης του φωτός παίζει σημαντικό ρόλο σε αυτό.
Έρημος, λίμνη, βροχή
Ο κόσμος γύρω είναι διαποτισμένος από το φως του ήλιου. Ο αέρας και το νερό αποτελούν τη βάση αυτού που αρέσει στους ανθρώπους. Φυσικά, υπάρχει μια σκληρή ομορφιά στα άνυδρα τοπία της ερήμου, αλλά οι περισσότεροι άνθρωποι προτιμούν λίγη υγρασία.
Ο άνθρωπος πάντα γοητευόταν από τα ορεινά ρυάκια και τα λεία πεδινά ποτάμια, τις ήρεμες λίμνες και τα συνεχώς κυλιόμενα κύματα της θάλασσας, τους πιτσιλιές ενός καταρράκτη και το κρύο όνειρο των παγετώνων. Πάνω από μία φορά όλοι έχουν παρατηρήσει την ομορφιά του παιχνιδιού του φωτός στη δροσιά στο γρασίδι, τη λάμψη του παγετού στα κλαδιά, τη γαλακτώδη λευκότητα της ομίχλης και τη ζοφερή ομορφιά των χαμηλών σύννεφων. Και δημιουργούνται όλα αυτά τα εφέχάρη στη γωνία διάθλασης της δέσμης στο νερό.
Μάτι, ηλεκτρομαγνητική κλίμακα, ουράνιο τόξο
Το φως είναι μια διακύμανση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Το μήκος κύματος και η συχνότητά του καθορίζουν τον τύπο του φωτονίου. Η συχνότητα δόνησης καθορίζει εάν θα είναι ένα ραδιοκύμα, μια υπέρυθρη ακτίνα, ένα φάσμα κάποιου χρώματος ορατό σε ένα άτομο, υπεριώδης ακτινοβολία, ακτίνες Χ ή ακτινοβολία γάμμα. Οι άνθρωποι είναι σε θέση να αντιλαμβάνονται με τα μάτια τους ηλεκτρομαγνητικές δονήσεις με μήκη κύματος που κυμαίνονται από 780 (κόκκινο) έως 380 (ιώδη) νανόμετρα. Στην κλίμακα όλων των πιθανών κυμάτων, αυτό το τμήμα καταλαμβάνει μια πολύ μικρή περιοχή. Δηλαδή, οι άνθρωποι δεν είναι σε θέση να αντιληφθούν το μεγαλύτερο μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Και όλη η προσιτή στον άνθρωπο ομορφιά δημιουργείται από τη διαφορά μεταξύ της γωνίας πρόσπτωσης και της γωνίας διάθλασης στο όριο μεταξύ των μέσων.
Κενό, Ήλιος, πλανήτης
Τα φωτόνια εκπέμπονται από τον Ήλιο ως αποτέλεσμα μιας θερμοπυρηνικής αντίδρασης. Η σύντηξη των ατόμων υδρογόνου και η γέννηση του ηλίου συνοδεύεται από την απελευθέρωση ενός τεράστιου αριθμού διαφόρων σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων των κβάντων φωτός. Στο κενό, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται σε ευθεία γραμμή και με την υψηλότερη δυνατή ταχύτητα. Όταν εισέρχεται σε ένα διαφανές και πυκνότερο μέσο, όπως η ατμόσφαιρα της γης, το φως αλλάζει την ταχύτητα διάδοσής του. Ως αποτέλεσμα, αλλάζει την κατεύθυνση διάδοσης. Πόσο καθορίζει τον δείκτη διάθλασης. Η γωνία διάθλασης υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο Snell.
Νόμος του Snell
Ο Ολλανδός μαθηματικός Willebrord Snell δούλεψε όλη του τη ζωή με γωνίες και αποστάσεις. Κατάλαβε πώς να μετράει τις αποστάσεις μεταξύ των πόλεων, πώς να βρίσκει ένα δεδομένοσημείο στον ουρανό. Δεν είναι περίεργο που βρήκε ένα σχέδιο στις γωνίες διάθλασης του φωτός.
Ο τύπος νόμου μοιάζει με αυτό:
- 1sin θ1 =n2αμαρτία θ2.
Σε αυτήν την έκφραση, οι χαρακτήρες έχουν την εξής σημασία:
- 1 και n2 είναι οι δείκτες διάθλασης του μέσου ένα (από το οποίο πέφτει η δέσμη) και του μέσου 2 (εισέρχεται σε αυτό);
- θ1 και θ2 είναι η γωνία πρόσπτωσης και διάθλασης του φωτός, αντίστοιχα.
Επεξηγήσεις στον νόμο
Είναι απαραίτητο να δώσουμε μερικές εξηγήσεις σε αυτόν τον τύπο. Οι γωνίες θ είναι ο αριθμός των μοιρών που βρίσκεται μεταξύ της κατεύθυνσης διάδοσης της δέσμης και της κάθετης προς την επιφάνεια στο σημείο επαφής της δέσμης φωτός. Γιατί χρησιμοποιείται το normal σε αυτή την περίπτωση; Γιατί στην πραγματικότητα δεν υπάρχουν αυστηρά επίπεδες επιφάνειες. Και η εύρεση της κανονικής σε οποιαδήποτε καμπύλη είναι αρκετά απλή. Επιπλέον, εάν η γωνία μεταξύ του ορίου μέσου και της προσπίπτουσας δέσμης x είναι γνωστή στο πρόβλημα, τότε η απαιτούμενη γωνία θ είναι μόλις (90º-x).
Πιο συχνά, το φως εισέρχεται από ένα πιο σπάνιο (αέρας) σε ένα πιο πυκνό (νερό) μέσο. Όσο πιο κοντά είναι τα άτομα του μέσου μεταξύ τους, τόσο ισχυρότερη διαθλάται η δέσμη. Επομένως, όσο πιο πυκνό είναι το μέσο, τόσο μεγαλύτερη είναι η γωνία διάθλασης. Αλλά συμβαίνει και αντίστροφα: το φως πέφτει από το νερό στον αέρα ή από τον αέρα στο κενό. Υπό αυτές τις συνθήκες, μπορεί να προκύψει μια συνθήκη υπό την οποία n1sin θ1>n2. Δηλαδή, ολόκληρη η δέσμη θα αντανακλάται πίσω στο πρώτο μέσο. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ολικό εσωτερικόαντανάκλαση. Η γωνία στην οποία συμβαίνουν οι περιστάσεις που περιγράφονται παραπάνω ονομάζεται οριακή γωνία διάθλασης.
Τι καθορίζει τον δείκτη διάθλασης;
Αυτή η τιμή εξαρτάται μόνο από τις ιδιότητες της ουσίας. Για παράδειγμα, υπάρχουν κρύσταλλοι για τους οποίους έχει σημασία από ποια γωνία μπαίνει η δέσμη. Η ανισοτροπία των ιδιοτήτων εκδηλώνεται στη διπλή διάθλαση. Υπάρχουν μέσα για τα οποία η πόλωση της εισερχόμενης ακτινοβολίας είναι σημαντική. Πρέπει επίσης να θυμόμαστε ότι η γωνία διάθλασης εξαρτάται από το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Σε αυτή τη διαφορά βασίζεται το πείραμα με τη διαίρεση του λευκού φωτός σε ένα ουράνιο τόξο από ένα πρίσμα. Πρέπει να σημειωθεί ότι η θερμοκρασία του μέσου επηρεάζει και τον δείκτη διάθλασης της ακτινοβολίας. Όσο πιο γρήγορα δονούνται τα άτομα ενός κρυστάλλου, τόσο περισσότερο παραμορφώνεται η δομή του και η ικανότητά του να αλλάζει την κατεύθυνση διάδοσης του φωτός.
Παραδείγματα της τιμής του δείκτη διάθλασης
Δίνουμε διαφορετικές τιμές για οικεία περιβάλλοντα:
- Το αλάτι (χημικός τύπος NaCl) ως ορυκτό ονομάζεται "αλίτης". Ο δείκτης διάθλασής του είναι 1,544.
- Η γωνία διάθλασης του γυαλιού υπολογίζεται από τον δείκτη διάθλασής του. Ανάλογα με τον τύπο του υλικού, αυτή η τιμή κυμαίνεται μεταξύ 1.487 και 2.186.
- Το διαμάντι φημίζεται ακριβώς για το παιχνίδι του φωτός σε αυτό. Οι κοσμηματοπώλες λαμβάνουν υπόψη όλα τα επίπεδα κατά την κοπή. Ο δείκτης διάθλασης του διαμαντιού είναι 2,417.
- Το νερό που έχει καθαριστεί από ακαθαρσίες έχει δείκτη διάθλασης 1.333. Το H2O είναι πολύ καλός διαλύτης. Επομένως, δεν υπάρχει χημικά καθαρό νερό στη φύση. Κάθε πηγάδι, κάθε ποτάμι χαρακτηρίζεταιμε τη σύνθεσή του. Επομένως, αλλάζει και ο δείκτης διάθλασης. Αλλά για να λύσετε απλά σχολικά προβλήματα, μπορείτε να πάρετε αυτήν την τιμή.
Δίας, Κρόνος, Καλλιστώ
Μέχρι τώρα, μιλούσαμε για την ομορφιά του γήινου κόσμου. Οι λεγόμενες κανονικές συνθήκες συνεπάγονται μια πολύ συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση. Υπάρχουν όμως και άλλοι πλανήτες στο ηλιακό σύστημα. Υπάρχουν αρκετά διαφορετικά τοπία.
Στον Δία, για παράδειγμα, είναι δυνατό να παρατηρήσουμε την ομίχλη αργού στα σύννεφα μεθανίου και τα ανοδικά ρεύματα ηλίου. Τα σέλας ακτίνων Χ είναι επίσης κοινά εκεί.
Στον Κρόνο, οι ομίχλες αιθανίου καλύπτουν την ατμόσφαιρα υδρογόνου. Στα χαμηλότερα στρώματα του πλανήτη, βρέχει διαμάντια από πολύ καυτά σύννεφα μεθανίου.
Ωστόσο, το βραχώδες παγωμένο φεγγάρι του Δία Callisto έχει έναν εσωτερικό ωκεανό πλούσιο σε υδρογονάνθρακες. Ίσως βακτήρια που καταναλώνουν θείο ζουν στα βάθη του.
Και σε καθένα από αυτά τα τοπία, το παιχνίδι του φωτός σε διαφορετικές επιφάνειες, άκρες, προεξοχές και σύννεφα δημιουργεί ομορφιά.
