taittuminen eli valon taipuminen tapahtuu valon siirtyessä yhdestä väliaineesta toiseen, jonka taitekerroin on erilainen. Taittuminen on linsseille tärkeä ominaisuus, jonka avulla ne voivat kohdistaa valonsäteen yhteen pisteeseen, ja se on myös vastuussa monista tutuista ilmiöistä, kuten osittain veteen upotettujen kohteiden näennäisestä vääristymisestä.

taitekerroin määritellään suhteellisena nopeutena, jolla valo liikkuu materiaalin läpi suhteessa sen nopeuteen tyhjiössä. Tavan mukaan tyhjiön taitekerroin määritellään siten, että sen arvo on 1,0. Muiden läpinäkyvien materiaalien taitekertoimen indeksi n määritellään yhtälöllä:

missä c on valon nopeus ja v on valon nopeus kyseisessä materiaalissa. Koska tyhjiön taitekerroin määritellään 1.0 ja tyhjiössä ei ole mitään ainetta, kaikkien läpinäkyvien materiaalien taitekerroin on siis suurempi kuin 1,0. Useimmissa käytännön tarkoituksissa tuntemattomien materiaalien taitekertoimen laskemiseen voidaan käyttää valon taitekerrointa ilman läpi (1.0003). Joidenkin yleisten materiaalien taitekerroin on esitetty taulukossa 1.

materiaali taitekerroin indeksi ilma 1.0003 Water 1.33 Glycerin 1.47 Immersion Oil 1.515 Glass 1.52 Flint 1.66 Zircon 1.92 Diamond 2.42 Lead Sulfide 3.91

Table 1

It is important to note that the speed at which refracted light travels is dependent upon the density of the materials it is traveling through. Esimerkiksi kun valo siirtyy vähemmän tiheästä väliaineesta, kuten ilmasta, tiheämpään väliaineeseen, kuten veteen, sähkömagneettisen aallon kulkunopeus pienenee. Vaihtoehtoisesti valon siirtyessä tiheämmästä väliaineesta vähemmän tiheään väliaineeseen aallon nopeus kasvaa.

kulma, jossa taittuva valo kulkee, riippuu kuitenkin sekä kohtauskulmasta että sen materiaalin koostumuksesta, johon se on joutumassa. Normaali voidaan määritellä Janana, joka on kohtisuorassa kahden aineen väliseen rajaan nähden. Valo kulkee rajaan kulmassa normaaliin nähden ja taittuu Snellin lain mukaan:

missä n edustaa materiaalin 1 ja materiaalin 2 taitekertoimen indeksejä ja q symboloi näiden materiaalien läpi kulkevien valojen kulmia suhteessa normaaliin. On olemassa useita tärkeitä kohtia, jotka voidaan vetää tästä yhtälöstä. Kun n(1) on suurempi kuin n(2), taittokulma on aina pienempi kuin kohtauskulma. Vaihtoehtoisesti, kun n(2) on suurempi kuin n (1), taittokulma on aina suurempi kuin kohtauskulma. Kun kaksi taitekertoimen indeksiä ovat yhtä suuret (n(1) = n(2)), valo kulkee läpi ilman taittumista.

taitekertoimen käsitettä havainnollistetaan alla olevassa kuvassa 1, ja siinä keskitytään tapaukseen, jossa valo kulkee ilmasta sekä lasin että veden läpi. Huomaa, että vaikka molemmat palkit tulevat tiheämpään materiaaliin saman kohtauskulman kautta suhteessa normaaliin (60 astetta), lasin taitekerroin on lähes 6 astetta suurempi kuin veden, koska lasin taitekerroin on suurempi.

tutkijat ovat havainneet, että taittoindeksi vaihtelee valon säteilyn taajuuden (tai aallonpituuden) mukaan. Ilmiö esiintyy yhdessä kaikkien läpinäkyvien medioiden kanssa, ja sitä on kutsuttu dispersioksi. Sen vuoksi läpinäkyvän aineen taitekerrointa mitattaessa on tunnistettava mittauksessa käytetty aallonpituus. Alla olevassa taulukossa 2 esitetään yksityiskohtaisesti kolmen riippumattoman aallonpituuden hajonta eri väliaineissa.

sininen (486,1 Nm) 1,524 Material keltainen (589,3 nm) punainen (656,3 nm) kruunulasi 1,517 1,515 Flint Glass 1.639 1.627 1.622 Water 1.337 1.333 1.331 Cargille Oil 1.530 1.520 1.516 Carbon Disulfide 1.652 1.628 1.618

Table 2

The most commonly used wavelength to measure refractive index is that emitted by a sodium lamp, which has an average wavelength of 5.893 nanometers. Tätä valoa kutsutaan D-viivan spektriksi, ja se edustaa yllä olevassa taulukossa 2 lueteltua keltaista valoa. Samoin F-ja C-viivaspektrit vastaavat vedyn säteilemiä erityisiä aallonpituuksia edustavaa sinistä ja punaista valoa. Nämä spektrit ovat perustavanlaatuisia dispersion laskennassa, joka voidaan kvantitatiivisesti määritellä seuraavasti:

missä n on aineen taitekerroin tietyllä aallonpituudella, jonka D, F ja C, jotka edustavat spektriviivoja natrium ja vety edellä kuvatulla tavalla. Suhde on sellainen, että valon aallonpituuden kasvaessa taitekerroin pienenee. Eri materiaalien hajaantumiseen vaikuttavat kuitenkin monet tekijät, kuten niiden alkuaine-ja molekyylikoostumus. Useilla epäorgaanisilla kiinteillä aineilla, kuten kromateilla, dikromaateilla, syanideilla, vanadaateilla ja halidikomplekseilla, on epätavallisen suuria dispersioita. Orgaaniset substituentit voivat kuitenkin myös edistää suurta hajontaa.

	Interactive Java Tutorial
valon taittuminen selvitä, miten valon aallonpituus ja kohtauskulma vaikuttavat taittumiseen erilaisissa väliaineissa, joilla on erilaiset taitekertoimet.

Refraction of light is particularly important in the construction and physics of lenses. Muista, että kun valonsäde poistui sekä lasin ja veden kuva 1, se oli jälleen taittunut samassa kulmassa, jossa se tuli materiaalia. Tämä käsite on olennainen linssien toiminnassa, joskin linssin muoto vaikuttaa merkittävästi syntyvään kuvaan. Kuperassa linssissä, kuten alla kuvassa 2 esitetään, kohteesta, tässä tapauksessa kirahvista, heijastuvat valoaallot taipuvat linssin optista keskusta kohti ja yhtyvät polttopisteeseen.

kohteen suhteellinen sijainti suhteessa linssin etuosan polttopisteeseen määrittää, miten kohdetta kuvataan. Jos kohde on yli kaksi kertaa polttopisteen pituus, se näyttää pienemmältä ja käänteiseltä, ja sitä on kuvattava lisäobjektiivilla koon suurentamiseksi. Kun kuva on kuitenkin lähempänä objektiivia kuin polttopistettä, kuva näkyy pystyasennossa ja suurempana, mikä voidaan helposti osoittaa yksinkertaisella suurennuslasilla.

	Interactive Java Tutorial
Kuvan suurennos tutki, miten kirahvin kuva suurenee yksinkertaisen ohuen bi-kuperan linssin läpi kulkevien valoaaltojen taittuessa.

Due to the refraction of light, a common optical illusion occurs when objects are visualized in water. Yksinkertainen juomapilli vedellä täytetyssä lasissa, kuten kuvassa 3 esitetään, on erinomainen esimerkki tästä tapahtumasta. Tässä esimerkissä valon aaltojen on ensin kuljettava veden läpi, sitten lasin / veden rajan läpi ja lopuksi ilman läpi. Oljen päistä heijastuvat valoaallot taittuvat suuremmassa määrin kuin oljen keskeltä tulevat, jolloin olki näyttää suurennetulta ja hieman vääristyneeltä.

samaa ilmiötä voidaan käyttää nesteen taitekertoimen määrittämiseen optisella mikroskoopilla. Tätä varten sisäpinnalle on sijoitettava litteä kenno, johon mahtuu nestettä merkillä (tai asteikolla). Myös yhdessä mikroskoopin silmänkappaleessa on oltava primäärisen kuvatason kohdalle asetettu asteittainen retikkeli, jotta voidaan mitata tasokammiossa olevan merkin viivan leveyttä. Ennen tuntemattoman taitekertoimen nesteen lisäämistä soluun mikroskoopilla on keskityttävä solun alaosassa olevaan merkkiin ja mitattava merkin sijainti retikkelissä. Seuraavaksi soluun lisätään pieni määrä nestettä ja mikroskooppi tarkennetaan merkkiin (nesteen läpi) ja otetaan uusi mittaus. Mikroskoopilla on sitten lopuksi keskityttävä nesteen pintaan, ja kolmas lukema kirjataan mittaamalla jäljen sijainti ritilässä. Tuntemattoman nesteen taitekerroin voidaan tämän jälkeen laskea seuraavan yhtälön avulla:

missä D(mitattu) on mitattu syvyys (nesteen pinnalta merkin paikkaan tyhjässä kennossa) mikroskoopilla ja D(näennäinen) on merkkimittaus ja ilman nestettä.

kriittinen heijastuskulma on toinen keskeinen käsite valon taittumisen tutkimuksessa, ja sitä havainnollistetaan alla kuvassa 4. Kun valo kulkee suuren taitekertoimen väliaineen läpi pienemmän taitekertoimen väliaineeseen, valoaaltojen kohtauskulmasta tulee tärkeä tekijä. Jos kohtauskulma kasvaa tietyn arvon ohi (riippuu kahden väliaineen taitekertoimesta), se saavuttaa pisteen, jossa kulma on niin suuri, ettei mikään valo taittu alemman taitekertoimen väliaineeseen.

Kuvassa 4 yksittäisiä valonsäteitä esittävät joko punaiset tai keltaiset nuolet, jotka liikkuvat korkean taitekertoimen (n(2)) väliaineesta pienempään taitekertoimeen (n(1)). Jokaisen yksittäisen valonsäteen kohtauskulmaa merkitään I: llä ja taittokulmaa r: llä. kaikilla neljällä keltaisella valonsäteellä on kohtauskulma (i) riittävän pieni kulkemaan kahden väliaineen rajapinnan läpi. Kahden punaisen valonsäteen kohtauskulmat ylittävät kuitenkin kriittisen kulman (noin 41 astetta) ja ne heijastuvat joko väliaineen rajalle tai takaisin korkean taitekertoimen väliaineeseen. Ilmiö tapahtuu, kun taittokulma (kuvassa 4 oleva kulma r) muuttuu 90 asteeksi ja Snellin laki pienenee arvoon:

missä (q) kutsutaan nyt kriittiseksi kulmaksi C. Jos pienemmän taitekertoimen väliaine on ilma (n = 1.00), yhtälö edelleen vähentää:

kuten aiemmin on käsitelty, toinen tärkeä valon taittumisen piirre on se, että valon aallonpituus vaikuttaa väliaineessa tapahtuvan taittumisen määrään. Itse asiassa taittumisen määrä, joka tapahtuu, on kääntäen verrannollinen tapahtuman valon aallonpituuteen. Näin lyhyempi aallonpituus näkyvä valo taittuu suuremmassa kulmassa kuin pidempi aallonpituus. Kun siis valkoinen valo, joka koostuu kaikista näkyvän spektrin väreistä, kulkee lasisen prisman läpi, se hajaantuu komponenttiväreihinsä tavalla, joka riippuu yksittäisistä aallonpituuksista. Matalataajuinen näkyvä valo (600 nanometriä ja suurempi) taittuu pienemmässä kulmassa kuin suurtaajuinen valo, mikä johtaa sateenkaaren kaltaiseen vaikutukseen, kuten kuvassa 5 esitetään.

sama ilmiö aiheuttaa myös kromaattisen aberraation. Kun valkoista valoa johdetaan yksinkertaisen kuperan linssin läpi, lähietäisyydelle syntyy useita polttopisteitä, jotka vastaavat komponenttien aallonpituuksien pieniä taitekerroin-eroja. Tällä vaikutuksella on taipumus tuottaa värillisiä (joko punaisia tai sinisiä, tarkennuksesta riippuen) haloja, jotka ympäröivät esineiden kuvia. Tämän poikkeaman korjaaminen tapahtuu yleensä käyttämällä kahden tai useamman linssielementin yhdistelmiä, jotka koostuvat materiaaleista, joilla on erilaiset dispersiiviset ominaisuudet, kuten akromaattinen linssi, joka on rakennettu sekä kruunu-että piikivilaseilla.

	Interactive Java Tutorial
refraktio prismalla tutkii, miten valkoinen valo erotetaan komponenttiväreihinsä taittamalla eri kulmien läpi Prismassa.

Over the years, humans have made many devices that make use of the fact that light can be refracted, as well as reflected and focused. Yleisin esimerkki on kamera, jonka tarkoituksena on luoda teräviä ja tarkennettuja kuvia filmin emulsiolle tai CCD-laitteen pinnalle tarkan kuvan tuottamiseksi. Muita optisia laitteita, jotka hyödyntävät näitä valon ominaisuuksia, ovat mikroskoopit ja kaukoputket, joiden avulla voidaan tarkastella kohteita, jotka ovat näkymättömiä paljaalle ihmissilmälle, riippumatta siitä, sijaitsevatko ne nuppineulan päässä vai kaukaisessa galaksissa.

myötävaikuttavat tekijät

Mortimer Abramowitz – Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Melville, New York, 11747.

Shannon H. Neaves ja Michael W. Davidson – National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr., Florida State University, Tallahassee, Florida, 32310.

BACK TO LIGHT AND COLOR

Questions or comments? Lähetä meille sähköpostia.

© 1998-2021 Michael W. Davidson and the Florida State University. Kaikki Oikeudet Pidätetään. Kuvia, grafiikkaa, skriptejä tai sovelmia ei saa jäljentää tai käyttää millään tavalla ilman tekijänoikeuksien haltijoiden lupaa. Tämän sivuston käyttö tarkoittaa, että hyväksyt kaikki omistajien asettamat oikeudelliset ehdot.

tätä verkkosivustoa ylläpitää
Graphics & Web-Ohjelmointitiimi
yhteistyössä optisen mikroskopian kanssa
National High Magnetic Field Laboratoryssa.

viimeinen muutos: perjantai, marras 13, 2015 klo 02:18

käyttömäärät 10.3.2003 alkaen: 181405

käy koulutuskumppaneidemme verkkosivuilla: