Optika is een van die oudste takke van fisika. Sedert antieke Griekeland het baie filosowe belang gestel in die wette van beweging en voortplanting van lig in verskeie deursigtige materiale soos water, glas, diamant en lug. Hierdie artikel bespreek die verskynsel van ligbreking, met die fokus op die brekingsindeks van lug.
Die effek van breking van die ligstraal
Almal in sy lewe het honderde kere gekonfronteer met die manifestasie van hierdie effek toe hy na die bodem van 'n reservoir of na 'n glas water gekyk het met een of ander voorwerp daarin geplaas. Terselfdertyd het die reservoir nie so diep gelyk soos dit werklik was nie, en voorwerpe in 'n glas water het vervorm of gebreek gelyk.
Die verskynsel van breking van 'n ligstraal is 'n breuk in sy reglynige trajek wanneer dit die koppelvlak tussen twee deursigtige materiale kruis. Om 'n groot aantal eksperimentele data op te som, aan die begin van die 17de eeu, het die Nederlander Willebrord Snell 'n wiskundige uitdrukking ontvang,wat hierdie verskynsel akkuraat beskryf het. Hierdie uitdrukking word gewoonlik in die volgende vorm geskryf:
1sin(θ1)=n2sin(θ) 2)=konst.
Hier n1, n2 is die absolute brekingsindekse van lig in die ooreenstemmende materiaal, θ1en θ2 - die hoeke tussen die invallende en gebreekte strale en die loodreg op die raakvlakvlak, wat deur die snypunt van die balk en hierdie vlak getrek word.
Hierdie formule word Snell of Snell-Descartes se wet genoem (dit was die Fransman wat dit in die voorgestelde vorm neergeskryf het, terwyl die Nederlander nie sinus gebruik het nie, maar lengte-eenhede).
Behalwe hierdie formule, word die verskynsel van breking beskryf deur 'n ander wet, wat geometries van aard is. Dit lê in die feit dat die gemerkte loodreg op die vlak en twee strale (gebreek en invallend) in dieselfde vlak lê.
Absolute brekingsindeks
Hierdie waarde is ingesluit in die Snell-formule, en die waarde daarvan speel 'n belangrike rol. Wiskundig stem die brekingsindeks n ooreen met die formule:
n=c/v.
Die simbool c is die spoed van elektromagnetiese golwe in vakuum. Dit is ongeveer 3108m/s. Die waarde v is die spoed van lig in die medium. Dus, die brekingsindeks weerspieël die mate van verlangsaming van lig in 'n medium met betrekking tot luglose ruimte.
Daar is twee belangrike implikasies van die formule hierbo:
- waarde n is altyd groter as 1 (vir vakuum is dit gelyk aan een);
- dit is 'n dimensielose hoeveelheid.
Byvoorbeeld, die brekingsindeks van lug is 1,00029, terwyl dit vir water 1,33 is.
Die brekingsindeks is nie 'n konstante waarde vir 'n spesifieke medium nie. Dit hang af van die temperatuur. Boonop het dit vir elke frekwensie van 'n elektromagnetiese golf sy eie betekenis. Dus, die bogenoemde syfers stem ooreen met 'n temperatuur van 20 oC en die geel deel van die sigbare spektrum (golflengte is ongeveer 580-590 nm).
Die afhanklikheid van die waarde van n van die frekwensie van lig word gemanifesteer in die ontbinding van wit lig deur 'n prisma in 'n aantal kleure, sowel as in die vorming van 'n reënboog in die lug tydens swaar reën.
Brekingsindeks van lig in lug
Die waarde daarvan is reeds hierbo gegee (1, 00029). Aangesien die brekingsindeks van lug slegs in die vierde desimale plek van nul verskil, kan dit vir die oplossing van praktiese probleme as gelyk aan een beskou word. 'n Klein verskil van n vir lug vanaf eenheid dui daarop dat lig feitlik nie deur lugmolekules vertraag word nie, wat met sy relatief lae digtheid geassosieer word. Dus, die gemiddelde digtheid van lug is 1,225 kg/m3, dit wil sê, dit is meer as 800 keer ligter as vars water.
Lug is 'n opties dun medium. Die einste proses om die spoed van lig in 'n materiaal te vertraag is van 'n kwantumaard en word geassosieer met die handelinge van absorpsie en emissie van fotone deur die atome van materie.
Veranderinge in die samestelling van die lug (byvoorbeeld 'n toename in die inhoud van waterdamp daarin) en veranderinge in temperatuur lei tot beduidende veranderinge in die aanwyserbreking. 'n Treffende voorbeeld is die lugspieëling-effek in die woestyn, wat plaasvind as gevolg van die verskil in die brekingsindekse van luglae met verskillende temperature.
Glas-lug-koppelvlak
Glas is 'n baie digter medium as lug. Sy absolute brekingsindeks wissel van 1,5 tot 1,66, afhangend van die tipe glas. As ons die gemiddelde waarde van 1,55 neem, dan kan die breking van die straal by die lug-glas-koppelvlak bereken word deur die formule te gebruik:
sin(θ1)/sin(θ2)=n2/ n1=n21=1, 55.
Die waarde n21 word die relatiewe brekingsindeks van lug - glas genoem. As die balk uit die glas in die lug gaan, moet die volgende formule gebruik word:
sin(θ1)/sin(θ2)=n2/ n1=n21=1/1, 55=0, 645.
As die hoek van die gebreekte bundel in laasgenoemde geval gelyk sal wees aan 90o, dan word die invalshoek wat daarmee ooreenstem, krities genoem. Vir die randglas - lug is dit:
θ1=arcsin(0, 645)=40, 17o.
As die straal met groter hoeke as 40, 17o op die glas-luggrens sal val, dan sal dit heeltemal teruggekaats word in die glas. Hierdie verskynsel word "totale interne refleksie" genoem.
Die kritieke hoek bestaan slegs wanneer die straal van 'n digte medium beweeg (van glas na lug, maar nie andersom nie).
