Refrakcija (gaismas laušanās): definīcija, Snella likums un piemēri

Refrakcija: skaidra definīcija, Snella likuma izskaidrojums un praktiski piemēri (lēcas, prizmas, salmiņš ūdenī) — saprotami par gaismas laušanos.

Refrakcija ir viļņa virziena maiņa, ko izraisa viļņa ātruma izmaiņas. Viļņu piemēri ir skaņas viļņi un gaismas viļņi. Visbiežāk refrakciju novēro, kad vilnis pāriet no vienas caurspīdīgas vides uz citu caurspīdīgu vidi. Dažādu veidu vide ir gaiss un ūdens. Refrakcija var notikt arī viļņu pārejās caur materiālu slāņiem ar pakāpeniski mainīgu blīvumu (piemēram, atmosfēras temperatūras gradientos), kas rada izliekšanos bez skaidras robežas starp vidēm.

Kad vilnis pāriet no vienas caurspīdīgas vides uz citu caurspīdīgu vidi, tas maina ātrumu un virzienu. Piemēram, kad gaismas vilnis šķērso gaisu un pēc tam nonāk ūdenī, vilnis palēninās un mainīs virzienu. Leņķi, ar kuriem stari ieiet un iziet no citas vides, tiek mērīti attiecībā pret robežas normāli (perpendikulāri virsmai).

Gaismai nonākot vidē, kas ir blīvāka, gaismas stars "saliecas" virzienā uz normāli; pretējā gadījumā — no normāles. Atgriežoties atpakaļ mazāk blīvā vidē (ar mazāku refrakcijas koeficientu), tas izlieksies atpakaļ tādā pašā leņķī, kā ieejot (ja izejas virsma ir paralēla ieejas virsmai). Šo sakarību precīzi apraksta Snella likums, kas saista abās vidēs esošos refrakcijas rādītājus un leņķus.

Piemērs refrakcijas darbībai ir salmiņa ievietošana glāzē ar ūdeni, kad daļa salmiņa ir ūdenī. Skatoties no noteikta leņķa, salmiņš ūdens virspusē šķiet saliekts. Tas notiek tāpēc, ka mainās vides blīvums un tādējādi gaismas stari, pārvietojoties no gaisa uz ūdeni, saliecas. Līdzīgi darbojas arī lēcas — lēcas fokusē gaismu, mainot stara virzienu ar refrakciju.

Labs un vienkāršs veids, kā saprast, kā darbojas gaisma, ir iedomāties to kā automašīnu. Kad automašīna leņķī atsitīsies pret grants virsmu (tā ir vide), tā riepa, kas pirmā atsitīsies pret to, palēnināsies, liekot automašīnai pagriezties šajā virzienā. Tāpēc, ja gaisma ietrieksies vidē pa labi, kurai ir lielāks lūzuma koeficients, tā izklīdīs pa labi. Izliekuma lielumu nosaka Snella likums. Lēcas darbojas pēc refrakcijas principa.

Dispersija un krāsu sadalīšanās

Kad gaisma laužas prizmā, tā sadalās varavīksnes krāsās, jo daži viļņu garumi saliecas vairāk nekā citi. Tas notiek tāpēc, ka daudzos materiālos refrakcijas rādītājs ir atkarīgs no viļņa garuma — šis fenomens saucas dispersija. Parasti īsāki (zili/violeto) viļņu garumi tiek lauzti stiprāk nekā garāki (sarkani), tādēļ prisma vai rasas piliens spēj atdalīt balto gaismu pa krāsām.

Refrakcijas rādītājs (refrakcijas koeficients)

Optikā vielas refrakcijas koeficients jeb refrakcijas rādītājs n ir bezizmēra skaitlis, kas raksturo gaismas vai cita starojuma plūsmu caur šo vidi. To definē šādi

n = c v , {\displaystyle n={\frac {\mathrm {c} }{v}},}

kur c ir gaismas ātrums vakuumā un v ir gaismas fāzes ātrums vidē. Snella likums izmanto refrakcijas rādītājus, lai aprēķinātu refrakcijas lielumu.

Snella likums

Snella likums saista leņķus un refrakcijas rādītājus abās pusēs no robežas:

n1 sin θ1 = n2 sin θ2

Šeit n1 un n2 ir refrakcijas rādītāji pirmā un otrā vidē, bet θ1 un θ2 ir attiecīgie leņķi attiecībā pret normāli. Leņķi jāizmēra pret perpendikulāri virsmai (normāli), nevis pret virsmas plakni.

Īss piemērs: gaisma no gaisa (pieņemot n1 ≈ 1.00) krīt uz ūdeni (n2 ≈ 1.333) ar ieejas leņķi 30°. Izmantojot Snella likumu:

sin θ2 = (n1 / n2) · sin θ1 = (1.00 / 1.333) · sin 30° = 0.75 · 0.5 = 0.375 → θ2 ≈ 22.0°.

Kritiskais leņķis un pilnīga iekšējā atstarošana

Ja gaisma pāriet no blīvākas vides uz mazāk blīvu (piem., no ūdens uz gaisu), pastāv leņķis, pie kura izstarošana notiek paralēli robežai. Šis ir kritiskais leņķis θc, ko aprēķina ar formulu:

sin θc = n2 / n1 (ar n1 > n2).

Ja ieejas leņķis ir lielāks par kritisko leņķi, gaisma vairs neizlūst uz mazāk blīvo pusi, bet tiek pilnībā atstarota atpakaļ — tas saucas pilnīga iekšējā atstarošana. Šis fenomens ir pamats optisko šķiedru darbībai, kur signāls tiek vadīts šķiedrā, neveidojot zudumus caur sānu izkliedi.

Praktiskās pielietošanas un piemēri

• Salmiņa izskatīšanās saliekta glāzē ar ūdeni — ikdienišķs refrakcijas piemērs.
• Lēcas optiskajās ierīcēs (kameras, brilles, teleskopi) — lēcas fokusē gaismu ar refrakciju.
• Prismas un rasas pilieni — varavīksne un spektru iegūšana caur dispersiju.
• Optiskās šķiedras — signālu vadīšana izmantojot pilnīgu iekšējo atstarošanu.
• Atmosfēras parādības, piemēram, mirages, rodas, ja gaismas stari izliekas temperatūras gradientu radītā refrakcijas indeksa mainīšanās dēļ.

Piezīmes par ātrumiem un viļņu veidiem

Refrakcijas rādītājs n raksturo fāzes ātrumu (v) attiecībā pret vakuuma ātrumu (c). Dažos gadījumos (piem., dispersīvos medios) grupas ātrums, ar kādu enerģija vai informācija pārvietojas, var atšķirties no fāzes ātruma. Refrakcijas rādītājs var būt arī kompleksa skaitļa veidā, ja materiālā ir nogurdināšana (absorbcija) — tā reālā daļa nosaka lūzumu, bet imaginārā daļa saistīta ar gaismas slāpēšanu materiālā.

Refrakcija ir pamats daudzām optikas tehnoloģijām un dabiskām parādībām; tās precīza aprakstīšana ar Snella likumu un refrakcijas rādītājiem ļauj projektēt instrumentus, prognozēt gaismas ceļus un saprast krāsu sadalīšanos.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir refrakcija?

J: Kā notiek refrakcija?

J: Kādi ir daži piemēri refrakcijas darbībai?

J: Kas ir optiskais indekss jeb refrakcijas indekss?

J:Kādā likumā izmanto optiskos indeksus?

Meklēt pēc burta