refracția sau îndoirea luminii are loc pe măsură ce lumina trece dintr-un mediu într-un alt mediu cu un indice de refracție diferit. Refracția este o caracteristică importantă a lentilelor, permițându-le să focalizeze un fascicul de lumină într-un singur punct și este, de asemenea, responsabilă pentru o varietate de fenomene familiare, cum ar fi distorsiunea aparentă a obiectelor parțial scufundate în apă.

Indicele de refracție este definit ca viteza relativă la care lumina se deplasează printr-un material în raport cu viteza sa în vid. Prin convenție, indicele de refracție al unui vid este definit ca având o valoare de 1,0. Indicele de refracție, n, al altor materiale transparente este definit prin ecuația:

unde C este viteza luminii și v este viteza luminii în acel material. Deoarece indicele de refracție al unui vid este definit ca 1.0 și un vid este lipsit de orice material, indicii de refracție ai tuturor materialelor transparente sunt, prin urmare, mai mari de 1,0. În cele mai multe scopuri practice, indicele de refracție al luminii prin aer (1.0003) poate fi utilizat pentru a calcula indicii de refracție ai materialelor necunoscute. Indicii de refracție ai unor materiale comune sunt prezentați în tabelul 1 de mai jos.

Material refracție index aer 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. De exemplu, atunci când lumina trece dintr-un mediu mai puțin dens, cum ar fi aerul, într-un mediu mai dens, cum ar fi apa, viteza cu care se deplasează unda electromagnetică scade. Alternativ, atunci când lumina trece de la un mediu mai dens la un mediu mai puțin dens, viteza undei crește.cu toate acestea, unghiul la care se deplasează lumina refractată depinde atât de unghiul de incidență, cât și de compoziția materialului în care intră. Normalul poate fi definit ca o linie perpendiculară pe limita dintre două substanțe. Lumina trece în limită la un unghi față de normal și este refractată conform legii lui Snell:

unde n reprezintă indicii de refracție ai materialului 1 și materialului 2 și q simbolizează unghiurile de lumină care călătoresc prin aceste materiale în raport cu normalul. Există câteva puncte importante care pot fi extrase din această ecuație. Când n(1) este mai mare decât n (2), unghiul de refracție este întotdeauna mai mic decât unghiul de incidență. Alternativ, când n(2) este mai mare decât n (1) unghiul de refracție este întotdeauna mai mare decât unghiul de incidență. Când cei doi indici de refracție sunt egali (n(1) = N(2)), atunci lumina este trecută fără refracție.

conceptul de indice de refracție este ilustrat în Figura 1 de mai jos, concentrându-se pe cazul luminii care trece din aer atât prin sticlă, cât și prin apă. Observați că, în timp ce ambele grinzi intră în materialul mai dens prin același unghi de incidență față de normal (60 de grade), refracția pentru sticlă este cu aproape 6 grade mai mare decât cea pentru apă datorită indicelui de refracție mai mare al sticlei.

oamenii de știință au descoperit că indicele de refracție variază în funcție de frecvența radiației (sau lungimea de undă) a luminii. Acest fenomen apare împreună cu toate mediile transparente și a fost denumit dispersie. Prin urmare, atunci când se măsoară indicele de refracție al unei substanțe transparente, trebuie identificată lungimea de undă specială utilizată în măsurare. Mai jos, tabelul 2 detaliază dispersia a trei lungimi de undă independente în diferite medii.

Material albastru(486.1 Nm) galben(589.3 nm) roșu(656.3 nm) sticlă coroană 1.524 1.517 1.515 sticlă 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. Această lumină este denumită spectrul liniei D și reprezintă lumina galbenă enumerată în tabelul 2 de mai sus. La fel, spectrele liniei F și liniei C corespund luminii albastre și roșii a lungimilor de undă specifice emise de hidrogen. Aceste spectre sunt fundamentale în calculul dispersiei, care poate fi definit cantitativ ca:

unde n este indicele de refracție al materialului la o anumită lungime de undă desemnată de D, F și C, care reprezintă liniile spectrale ale sodiu și hidrogen așa cum sa discutat mai sus. Relația este astfel încât, pe măsură ce lungimea de undă a luminii crește, indicele de refracție scade. Cu toate acestea, mulți factori joacă un rol în dispersia diferitelor materiale, inclusiv compoziția lor elementară și moleculară. Mai multe solide anorganice, cum ar fi cromații, dicromații, cianurile, vanadații și complexele de halogenuri, au dispersii neobișnuit de mari. Cu toate acestea, substituenții organici pot contribui, de asemenea, la o dispersie ridicată.

	Interactive Java Tutorial
refracția luminii Descoperiți cum lungimea de undă și unghiul incident al luminii afectează refracția într-o varietate de medii cu indici de refracție diferiți.

Refraction of light is particularly important in the construction and physics of lenses. Amintiți-vă că atunci când fasciculul de lumină a ieșit atât din sticlă, cât și din apă în Figura 1, a fost din nou refractat în același unghi în care a intrat în material. Acest concept este esențial în funcționarea lentilelor, deși forma lentilei afectează în mod semnificativ imaginea rezultată. Într-o lentilă convexă, așa cum este ilustrat mai jos în Figura 2, undele luminoase reflectate de obiect, în acest caz o girafă, sunt îndoite spre centrul optic al lentilei și converg spre punctul focal.

poziția relativă a obiectului în raport cu punctul focal frontal al obiectivului determină modul în care obiectul este imaginat. Dacă obiectul depășește de două ori lungimea punctului focal, atunci acesta pare mai mic și inversat și trebuie imaginat de un obiectiv suplimentar pentru a mări dimensiunea. Cu toate acestea, atunci când imaginea este mai aproape de obiectiv decât punctul focal, imaginea apare în poziție verticală și mai mare, așa cum se poate demonstra cu ușurință cu o simplă lupă.

	Interactive Java Tutorial
Mărire imagine explorați modul în care imaginea unei girafe este mărită prin refracția undelor luminoase care trec printr-o lentilă bi-convexă subțire simplă.

Due to the refraction of light, a common optical illusion occurs when objects are visualized in water. Un simplu paie de băut într-un pahar umplut cu apă, așa cum este ilustrat în Figura 3, este un prim exemplu al acestui eveniment. În acest exemplu, valurile de lumină trebuie să treacă mai întâi prin apă, apoi prin limita de sticlă/apă și, în final, prin aer. Undele de lumină reflectate de la capetele paiului sunt refractate într-o măsură mai mare decât cele care provin din Centrul paiului, făcând paiul să pară mărit și ușor distorsionat.

același fenomen poate fi utilizat pentru a determina indicele de refracție al unui lichid cu un microscop optic. Pentru a face acest lucru, o celulă plană capabilă să țină lichid cu un semn (sau gradații) trebuie plasată pe suprafața interioară a sticlei. De asemenea, unul dintre ocularele microscopului trebuie să aibă un reticul gradat introdus la planul primar al imaginii pentru măsurătorile lățimii liniei marcajului din celula plană. Înainte de a adăuga lichidul cu indice de refracție necunoscut la celulă, microscopul trebuie focalizat pe marcajul din partea de jos a celulei și se observă o măsurare a poziției mărcii pe reticul. Apoi, o cantitate mică de lichid trebuie adăugată la celulă și microscopul reorientat pe marcaj (prin lichid) și o nouă măsurare luată. Microscopul trebuie apoi focalizat în cele din urmă pe suprafața lichidului și o a treia citire înregistrată prin măsurarea poziției marcajului pe reticul. Indicele de refracție al lichidului necunoscut poate fi apoi calculat folosind următoarea ecuație:

unde D(măsurat) este adâncimea măsurată (de la suprafața lichidului până la poziția marcajului pe celula goală) folosind microscopul și D(aparent) este măsurarea marcajului cu ajutorul microscopului și fără lichid.

unghiul critic de reflexie este un alt concept cheie în studiul refracției luminii și este ilustrat mai jos în Figura 4. Când lumina trece printr-un mediu cu indice de refracție ridicat într-un mediu cu indice de refracție mai mic, unghiul incident al undelor luminoase devine un factor important. Dacă unghiul incident crește peste o valoare specifică (în funcție de indicele de refracție al celor două medii), acesta va ajunge la un punct în care unghiul este atât de mare încât nici o lumină nu este refractată în mediul indicelui de refracție inferior.

în Figura 4, razele de lumină individuale sunt reprezentate de săgeți de culoare roșie sau galbenă care se deplasează de la un mediu cu indice de refracție ridicat (n(2)) la unul cu indice de refracție mai mic (n(1)). Unghiul de incidență al fiecărei raze de lumină individuale este notat cu i și unghiul de refracție cu r.cele patru raze de lumină galbenă au toate un unghi de incidență (i) suficient de scăzut pentru a trece prin interfața dintre cele două medii. Cu toate acestea, cele două raze de lumină roșie au unghiuri incidente care depășesc unghiul critic (aproximativ 41 de grade) și sunt reflectate fie în limita dintre medii, fie înapoi în mediul cu indice de refracție ridicat. Acest fenomen are loc atunci când unghiul de refracție (unghiul r din Figura 4) devine egal cu 90 de grade și Legea lui Snell se reduce la:

unde (q) este denumit acum unghiul critic C. dacă mediul cu indice de refracție mai mic este 1.00), ecuația se reduce și mai mult la:

după cum sa discutat anterior, o altă caracteristică importantă a refracției luminii este că lungimea de undă a luminii are un impact asupra cantității de refracție care are loc într-un mediu. De fapt, cantitatea de refracție care are loc este invers proporțională cu lungimea de undă a luminii incidente. Astfel, lumina vizibilă cu lungime de undă mai scurtă este refractată la un unghi mai mare decât lumina cu lungime de undă mai lungă. În consecință, atunci când lumina albă, care este compusă din toate culorile din spectrul vizibil, este trecută printr-o prismă de sticlă, ea este dispersată în culorile sale componente într-un mod care depinde de lungimile de undă individuale. Lumina vizibilă de joasă Frecvență (600 nanometri și mai mare) este refractată la un unghi mai mic decât lumina de frecvență mai mare, ceea ce are ca rezultat un efect asemănător curcubeului, așa cum este ilustrat mai jos în Figura 5.

același fenomen este responsabil și pentru aberațiile cromatice. Când lumina albă este trecută printr-o lentilă convexă simplă, în imediata apropiere apar mai multe puncte focale care corespund diferențelor minore ale indicelui de refracție ale lungimilor de undă ale componentelor. Acest efect tinde să producă halouri colorate (fie roșii, fie albastre, în funcție de focalizare) care înconjoară imaginile obiectelor. Corectarea acestei aberații se realizează de obicei prin utilizarea combinațiilor a două sau mai multe elemente ale lentilelor compuse din materiale cu proprietăți dispersive diferite, cum ar fi o lentilă acromatică construită atât cu coroană, cât și cu ochelari de silex.

	Interactive Java Tutorial
refracția printr-o prismă examinați modul în care lumina albă este separată în culorile sale componente prin refracție prin diferite unghiuri dintr-o prismă.

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. Cel mai comun exemplu este o cameră, care este concepută pentru a crea imagini clare și focalizate pe o emulsie de film sau pe suprafața unui dispozitiv cuplat la Încărcare (CCD) pentru a produce o imagine exactă. Alte dispozitive optice care exploatează aceste caracteristici ale luminii includ microscoape și telescoape, care permit vizualizarea de obiecte care sunt invizibile pentru ochiul uman fără ajutor, indiferent dacă sunt situate pe capul unui știft sau într-o galaxie îndepărtată.

autori colaboratori

Mortimer Abramowitz – Olympus America, Inc., Două Unitate Centru Corporativ., Melville, New York, 11747.

Shannon H. Neaves și Michael W. Davidson – Laboratorul Național de câmp Magnetic înalt, 1800 East Paul Dirac Dr., Universitatea de Stat din Florida, Tallahassee, Florida, 32310.

înapoi la lumină și culoare

întrebări sau comentarii? Trimite-ne un e-mail.

1998-2021 de către Michael W. Davidson și Universitatea de Stat din Florida. Toate Drepturile Rezervate. Nicio imagine, grafică, script sau applet nu poate fi reprodusă sau utilizată în niciun mod fără permisiunea deținătorilor drepturilor de autor. Utilizarea acestui site înseamnă că sunteți de acord cu toți termenii și condițiile legale stabilite de proprietari.

acest site web este întreținut de
Graphics& echipa de Programare Web
în colaborare cu microscopie optică la
Laboratorul Național de câmp Magnetic înalt.

ultima modificare: vineri, Noiembrie 13, 2015 la 02:18 pm

Numărul de acces din martie 10, 2003:181405

vizitați site-urile partenerilor noștri în educație: