La rifrazione, o flessione della luce, si verifica quando la luce passa da un mezzo a un altro mezzo con un indice di rifrazione diverso. La rifrazione è una caratteristica importante delle lenti, che consente loro di focalizzare un fascio di luce su un singolo punto, ed è anche responsabile di una varietà di fenomeni familiari, come l’apparente distorsione di oggetti parzialmente immersi nell’acqua.

Indice di rifrazione è definito come la velocità relativa alla quale la luce si muove attraverso un materiale rispetto alla sua velocità nel vuoto. Per convenzione, l’indice di rifrazione di un vuoto è definito come avente un valore di 1.0. L’indice di rifrazione, n, di altri materiali trasparenti è definito attraverso l’equazione:

dove c è la velocità della luce e v è la velocità della luce in quel materiale. Poiché l’indice di rifrazione di un vuoto è definito come 1.0 e un vuoto è privo di qualsiasi materiale, gli indici di rifrazione di tutti i materiali trasparenti sono quindi maggiori di 1.0. Per la maggior parte degli scopi pratici, l’indice di rifrazione della luce attraverso l’aria (1.0003) può essere utilizzato per calcolare indici di rifrazione di materiali sconosciuti. Gli indici di rifrazione di alcuni materiali comuni sono presentati nella Tabella 1 di seguito.

Materiale Indice di Rifrazione Aria 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. Ad esempio, quando la luce passa da un mezzo meno denso, come l’aria, a un mezzo più denso, come l’acqua, la velocità con cui l’onda elettromagnetica viaggia diminuisce. In alternativa, quando la luce passa da un mezzo più denso a un mezzo meno denso, la velocità dell’onda aumenta.

L’angolo in cui viaggia la luce rifratta, tuttavia, dipende sia dall’angolo di incidenza che dalla composizione del materiale in cui sta entrando. Il normale può essere definito come una linea perpendicolare al confine tra due sostanze. La luce passa il confine in un angolo del normale e viene rifratta secondo la Legge di Snell:

dove n rappresenta gli indici di rifrazione del materiale 1 materiale e 2 e q simboleggia gli angoli di luce che viaggia attraverso questi materiali rispetto al normale. Ci sono diversi punti importanti che possono essere tratti da questa equazione. Quando n (1) è maggiore di n(2), l’angolo di rifrazione è sempre inferiore all’angolo di incidenza. In alternativa, quando n(2) è maggiore di n(1) l’angolo di rifrazione è sempre maggiore dell’angolo di incidenza. Quando i due indici di rifrazione sono uguali (n(1) = n (2)), allora la luce viene fatta passare senza rifrazione.

Il concetto di indice di rifrazione è illustrato nella Figura 1 sotto, concentrandosi sul caso della luce che passa dall’aria attraverso sia il vetro che l’acqua. Si noti che mentre entrambe le travi entrano nel materiale più denso attraverso lo stesso angolo di incidenza rispetto al normale (60 gradi), la rifrazione per il vetro è quasi 6 gradi maggiore di quella per l’acqua a causa del più alto indice di rifrazione del vetro.

Gli scienziati hanno scoperto che l’indice di rifrazione varia con la frequenza della radiazione (o lunghezza d’onda) della luce. Questo fenomeno si verifica in combinazione con tutti i media trasparenti ed è stato definito dispersione. Pertanto, quando si misura l’indice di rifrazione di una sostanza trasparente, deve essere identificata la particolare lunghezza d’onda utilizzata nella misurazione. Di seguito, la tabella 2 descrive la dispersione di tre lunghezze d’onda indipendenti in vari media.

Materiale Blu (486.1 nm) Giallo (589.3 nm) Rossi (656.3 nm) Vetro Crown 1.524 1.517 1.515 Vetro Flint 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. Questa luce è definita lo spettro della linea D e rappresenta la luce gialla elencata nella Tabella 2 sopra. Allo stesso modo, gli spettri della linea F e della linea C corrispondono alla luce blu e rossa di specifiche lunghezze d’onda emesse dall’idrogeno. Questi spettri sono fondamentali nel calcolo della dispersione, che può essere quantitativamente definito come:

dove n è l’indice di rifrazione del materiale a una particolare lunghezza d’onda designato dal D, F, e, C, che rappresentano le linee spettrali di sodio e idrogeno, come discusso in precedenza. La relazione è tale che all’aumentare della lunghezza d’onda della luce, l’indice di rifrazione diminuisce. Tuttavia, molti fattori giocano un ruolo nella dispersione di vari materiali, compresa la loro composizione elementare e molecolare. Diversi solidi inorganici, come cromati, dicromati, cianuri, vanadati e complessi di alogenuri, hanno dispersioni insolitamente elevate. Tuttavia, i sostituenti organici possono anche contribuire ad un’elevata dispersione.

	Interactive Java Tutorial
Rifrazione della luce Scopri come la lunghezza d’onda e l’angolo incidente della luce influenzano la rifrazione in una varietà di mezzi con diversi indici di rifrazione.

Refraction of light is particularly important in the construction and physics of lenses. Ricorda che quando il raggio di luce usciva sia dal vetro che dall’acqua nella Figura 1, veniva nuovamente rifratto allo stesso angolo in cui entrava nel materiale. Questo concetto è essenziale nel funzionamento delle lenti, anche se la forma della lente influenza in modo significativo l’immagine risultante. In una lente convessa, come illustrato di seguito in Figura 2, le onde luminose riflesse dall’oggetto, in questo caso una giraffa, sono piegate verso il centro ottico della lente e convergono sul punto focale.

La posizione relativa dell’oggetto rispetto al punto focale anteriore dell’obiettivo determina come l’oggetto viene ripreso. Se l’oggetto è oltre il doppio della lunghezza del punto focale, appare più piccolo e invertito e deve essere ripreso da una lente aggiuntiva per ingrandirne le dimensioni. Tuttavia, quando l’immagine è più vicina alla lente rispetto al punto focale, l’immagine appare in posizione verticale e più grande, come può essere facilmente dimostrato con una semplice lente di ingrandimento.

	Interactive Java Tutorial
Ingrandimento dell’immagine Esplora come l’immagine di una giraffa viene ingrandita dalla rifrazione delle onde luminose che passano attraverso una semplice lente bi-convessa sottile.

Due to the refraction of light, a common optical illusion occurs when objects are visualized in water. Una semplice cannuccia in un bicchiere pieno d’acqua, come illustrato nella Figura 3, è un ottimo esempio di questo evento. In questo esempio, le onde di luce devono prima passare attraverso l’acqua, quindi attraverso il confine vetro/acqua e infine attraverso l’aria. Le onde luminose riflesse dalle estremità della paglia vengono rifratte in misura maggiore rispetto a quelle provenienti dal centro della paglia, facendo apparire la paglia ingrandita e leggermente distorta.

Lo stesso fenomeno può essere utilizzato per determinare l’indice di rifrazione di un liquido con un microscopio ottico. Per fare ciò, una cella piatta in grado di trattenere il liquido con un segno (o graduazioni) deve essere posizionata sulla superficie interna del vetro. Inoltre, uno degli oculari del microscopio deve avere un reticolo graduato inserito sul piano dell’immagine primaria per le misure della larghezza della linea del segno nella cella piatta. Prima di aggiungere il liquido di indice di rifrazione sconosciuto alla cella, il microscopio deve essere focalizzato sul segno nella parte inferiore della cella e una misurazione della posizione del segno sul reticolo notato. Successivamente, una piccola quantità di liquido dovrebbe essere aggiunta alla cella e il microscopio rifocalizzato sul segno (attraverso il liquido) e una nuova misurazione presa. Il microscopio dovrebbe quindi essere finalmente focalizzato sulla superficie del liquido e una terza lettura registrata misurando la posizione del segno sul reticolo. L’indice di rifrazione del liquido sconosciuto può quindi essere calcolato usando la seguente equazione:

dove D(misurata) è la profondità (dalla superficie del liquido per la posizione del marchio sulla cella vuota) utilizzando il microscopio e D(apparente) è il marchio di misura con e senza liquido.

L’angolo critico di riflessione è un altro concetto chiave nello studio della rifrazione della luce ed è illustrato di seguito nella Figura 4. Quando la luce passa attraverso un mezzo di alto indice di rifrazione in un mezzo di indice di rifrazione inferiore, l’angolo incidente delle onde luminose diventa un fattore importante. Se l’angolo incidente aumenta oltre un valore specifico (dipendente dall’indice di rifrazione dei due media), raggiungerà un punto in cui l’angolo è così grande che nessuna luce viene rifratta nel mezzo dell’indice di rifrazione inferiore.

Nella Figura 4, i singoli raggi di luce sono rappresentati da frecce di colore rosso o giallo che si spostano da un mezzo di alto indice di rifrazione (n(2)) a uno di indice di rifrazione inferiore (n(1)). L’angolo di incidenza di ogni singolo raggio di luce è indicato da i e l’angolo di rifrazione da r. I quattro raggi di luce gialla hanno tutti un angolo di incidenza (i) abbastanza basso da passare attraverso l’interfaccia tra i due media. Tuttavia, i due raggi di luce rossa hanno angoli incidenti che superano l’angolo critico (circa 41 gradi) e vengono riflessi nel confine tra i media o nel mezzo ad alto indice di rifrazione. Questo fenomeno avviene quando l’angolo di rifrazione (angolo di r in Figura 4) diventa uguale a 90 gradi e la legge di Snell si riduce a:

dove (q) è ora chiamato l’angolo critico C. Se il mezzo di minore indice di rifrazione è aria (n = 1.00), l’equazione riduce ulteriormente per:

Come discusso in precedenza, un’altra caratteristica importante di rifrazione della luce è che la lunghezza d’onda della luce ha un impatto sulla quantità di rifrazione che si verifica all’interno di un mezzo. Infatti, la quantità di rifrazione che avviene è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda della luce incidente. Pertanto, la luce visibile a lunghezza d’onda più corta viene rifratta con un angolo maggiore rispetto alla luce a lunghezza d’onda più lunga. Di conseguenza, quando la luce bianca, che è composta da tutti i colori nello spettro visibile, viene fatta passare attraverso un prisma di vetro, viene dispersa nei suoi colori componenti in un modo che dipende dalle singole lunghezze d’onda. La luce visibile a bassa frequenza (600 nanometri e oltre) viene rifratta con un angolo minore rispetto alla luce a frequenza più elevata, il che si traduce in un effetto simile a un arcobaleno, come illustrato di seguito nella Figura 5.

Questo stesso fenomeno è anche responsabile dell’aberrazione cromatica. Quando la luce bianca viene fatta passare attraverso una semplice lente convessa, sorgono diversi punti focali nelle immediate vicinanze che corrispondono alle differenze minori dell’indice di rifrazione delle lunghezze d’onda dei componenti. Questo effetto tende a produrre aloni colorati (rossi o blu, a seconda della messa a fuoco) che circondano le immagini degli oggetti. La correzione di questa aberrazione viene solitamente eseguita attraverso l’uso di combinazioni di due o più elementi di lenti composti da materiali con diverse proprietà dispersive, come una lente acromatica costruita con occhiali a corona e selce.

	Interactive Java Tutorial
Rifrazione da un prisma Esaminare come la luce bianca è separata nei suoi colori componenti dalla rifrazione attraverso vari angoli in un prisma.

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. L’esempio più comune è una fotocamera, progettata per creare immagini nitide e focalizzate su un’emulsione di pellicola o sulla superficie di un dispositivo accoppiato a carica (CCD) per produrre un’immagine accurata. Altri dispositivi ottici che sfruttano queste caratteristiche della luce includono microscopi e telescopi, che consentono la visualizzazione di oggetti invisibili all’occhio umano senza aiuto, indipendentemente dal fatto che si trovino sulla testa di uno spillo o in una galassia lontana.

Autori

Mortimer Abramowitz-Olympus America, Inc., Due unità Centro aziendale., Melville, New York, 11747.

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

TORNA ALLA LUCE E AL COLORE

Domande o commenti? Inviaci una e-mail.

© 1998-2021 di Michael W. Davidson e la Florida State University. Tutti i diritti riservati. Nessuna immagine, grafica, script o applet può essere riprodotta o utilizzata in qualsiasi modo senza il permesso dei titolari del copyright. L’utilizzo di questo sito web significa che l’utente accetta tutti i Termini e le condizioni legali stabiliti dai proprietari.

Questo sito web è gestito dal nostro
Graphics&Team di programmazione Web
in collaborazione con la microscopia ottica presso il
National High Magnetic Field Laboratory.

Ultima modifica: Venerdì 13 nov 2015 alle ore 14: 18

Numero di accessi dal 10 marzo 2003:181405

Visita i siti web dei nostri partner nel settore dell’istruzione: