Сьогодні ми розкриємо, що таке кут заломлення електромагнітної хвилі (так називається світло) і як формуються його закони.

Очей, шкіра, мозок

Людина володіє п'ятьма основними органами почуттів. Вчені-медики виділяють до одинадцяти різних несхожих відчуттів (наприклад, відчуття тиску або болю). Але основну інформацію люди отримують через очі. До дев'яноста відсотків доступних фактів людський мозок усвідомлює як електромагнітні коливання. Так що красу і естетику люди в основному розуміють візуально. Кут заломлення світла відіграє в цьому важливу роль.

Пустеля, озеро, дощ

Світ навколо пронизаний сонячним світлом. Повітря і вода становлять основу того, що подобається людям. Звичайно, є своя сувора краса в посушливих пустельних пейзажах, але в основному люди воліють все-таки деяка кількість вологи. Людину завжди заворожували гірські струмки і плавні рівнинні річки, спокійні озера і вічно котяться хвилі моря, бризки водоспаду і холодний сон льодовиків. Не раз кожен помічав красу гри світла в роси на траві, іскристості інею на гілках, молочної білизни туману і похмурої принади низьких хмар. А всі ці ефекти створені завдяки кута заломлення променя в воді.

Очей, електромагнітна шкала, веселка

Світло – це коливання електромагнітного поля. Довжина хвилі і її частота задає вигляд фотона. Від частоти коливання залежить, чи буде ця радіохвиля, інфрачервоний промінь, видимий людині спектр якогось кольору, ультрафіолет, рентгенівського або гамма-випромінювання. Люди здатні сприймати очима електромагнітні коливання з довжиною хвилі від 780 (червоний) до 380 (фіолетовий) нанометрів. На шкалі всіх можливих хвиль ця ділянка займає дуже маленьку область. Тобто більшу частину електромагнітного спектра люди сприймати не здатні. І всю доступну людині красу створює різниця між кутом падіння і кут заломлення на межі середовищ.

Вакуум, Сонце, планета

Фотони випускаються Сонцем як результат термоядерної реакції. Злиття атомів водню і народження гелію супроводжується викидом величезної кількості різноманітних частинок, у тому числі квантів світла. У вакуумі електромагнітні хвилі поширюються прямолінійно і з максимально можливою швидкістю. При попаданні в прозору і більш щільне середовище, наприклад, в атмосферу землі, світло змінює швидкість поширення. Внаслідок цього він змінює напрям поширення. Наскільки, визначає показник заломлення. Кут заломлення вираховується за формулою Снеллиуса.

Закон Снеллиуса

Голландський математик Виллеброрд Снелл все життя працював з кутами і відстанями. Він зрозумів, як вимірювати відстані між містами, як знайти задану точку на небосхилі. Не дивно, що він знайшов закономірність кутів заломлення світла. Формула закону виглядає так:

n 1 sin ? 1 = n 2 sin ? 2 .

У цьому вираженні символи мають таке значення:

n 1 і n 2 – це показники заломлення середовища один (з якої падає промінь) і середовища 2 (у неї він потрапляє);

? 1 і ? 2 – це кут падіння і заломлення світла, відповідно.

Пояснення до закону

Треба дати кілька пояснень до цієї формули. Під кутами ? мається на увазі кількість градусів, яке лягає між напрямком поширення променя і нормаллю до поверхні в точці дотику пучка світла. Чому в даному випадку використовується нормаль? Тому що в реальності суворо плоских поверхонь не буває. А знайти нормаль до будь-кривий досить просто. До того ж якщо в задачі відомий кут між кордоном середовищ і падаючим пучком x-шуканий кут ? – це всього лише (90?-x).
Найчастіше світло потрапляє з більш розрідженою (повітря) в більш щільну (вода) середу. Чим ближче один до одного розташовані атоми середовища, тим сильніше промінь заломлюється. Отже, чим щільніше середовище, тим більше кут заломлення. Але буває і навпаки: світло падає з води в повітря або повітря в вакуум. За таких обставин може виникнути умова, при якому n 1 sin ? 1 >n 2 . Тобто весь промінь відіб'ється назад у першу середу. Це явище називається повним внутрішнім відбиттям. Кут, при якому настануть описані вище обставини, називається граничним кутом заломлення.

Від чого залежить показник заломлення?

Ця величина залежить тільки від властивостей речовини. Наприклад, є кристали, для яких має значення, під яким кутом входить промінь. Анізотропія властивостей проявляється в двулучепреломлении. Є середовища, для яких важлива поляризації вхідного випромінювання. Також треба пам'ятати, що кут заломлення залежить від довжини хвилі падаючого випромінювання. Саме на цій різниці ґрунтується досвід з поділом білого світла в веселку призмою. Варто відзначити, що температура середовища також впливає на показник заломлення випромінювання. Чим швидше коливаються атоми кристала, тим сильніше деформується його структура і здатність змінювати напрямок поширення світла.

Приклади значення показника заломлення

Наведемо різні величини для звичних середовищ:

Сіль (хімічна формула NaCl) як мінерал має назву «галіт». Її показник заломлення – 1544.

Кут заломлення скла обчислюється з його показника заломлення. Залежно від типу матеріалу ця величина коливається між 1487 і 2186.

Алмаз славиться саме за гру світла в ньому. Ювеліри враховують всі його площині при ограновуванні. Показник заломлення алмазу – 2417.

У води, очищеної від домішок, показник заломлення – 1333. H 2 O – дуже хороший розчинник. Тому хімічно чистої води в природі немає. Кожен колодязь, кожна річка характеризуються своїм складом. Отже, і показник заломлення змінюється. Але для вирішення простих шкільних завдань можна взяти і таке значення.

Юпітер, Сатурн, Каллісто

До цього моменту ми говорили про красу земного світу. Так звані нормальні умови передбачають абсолютно конкретну температуру і тиск. Але є й інші планети в Сонячній системі. Там звичні зовсім інші краєвиди. На Юпітері, наприклад, можливо спостерігати аргоновую серпанок в метанових хмарах і висхідні потоки гелію. Також там звичні рентгенівські полярні сяйва. На Сатурні этановие тумани застеляють водневу атмосферу. На нижніх шарах планети з дуже гарячих метанових хмар йдуть алмазні дощі. При цьому кам'янистий заморожений супутник Юпітера Каллісто має внутрішній океан, багатий вуглеводнем. Можливо, в його надрах живуть поглинають сірку бактерії. І в кожному з цих пейзажів красу створює гра світла на різних поверхнях, гранях, виступах і хмарах.