Ma eláruljuk, mekkora egy elektromágneses hullám (az úgynevezett fény) törésszöge, és hogyan alakulnak ki törvényei.
Szem, bőr, agy
Az embernek öt fő érzéke van. Az orvostudósok legfeljebb tizenegy különböző érzetet különböztetnek meg (például nyomás- vagy fájdalomérzet). De az emberek a legtöbb információhoz jutnak a szemükön keresztül. A rendelkezésre álló tények legfeljebb kilencven százalékát az emberi agy elektromágneses rezgésként ismeri. Tehát az emberek többnyire vizuálisan értik a szépséget és az esztétikát. Ebben fontos szerepet játszik a fény törésszöge.
Sivatag, tó, eső
A környező világot áthatja a napfény. A levegő és a víz az alapja annak, amit az emberek szeretnek. Természetesen van egy zord szépsége a száraz sivatagi tájnak, de az emberek többnyire a nedvességet részesítik előnyben.
Az embert mindig is lenyűgözték a hegyi patakok és a sima síkvidéki folyók, a nyugodt tavak és a tenger állandóan hömpölygő hullámai, a vízesések csobbanása és a gleccserek hideg álma. Nem egyszer mindenki felfigyelt már a füvön a harmat fényjátékának szépségére, a dér szikrázására az ágakon, a köd tejes fehérségére és az alacsony felhők komor szépségére. És mindezek a hatások létrejönnekköszönhetően a sugár törésszögének a vízben.
Szem, elektromágneses skála, szivárvány
A fény az elektromágneses mező ingadozása. A hullámhossz és frekvenciája határozza meg a foton típusát. A rezgési frekvencia határozza meg, hogy rádióhullámról, infravörös sugárzásról, egy személy számára látható színspektrumról, ultraibolya, röntgen- vagy gammasugárzásról van-e szó. Az emberek képesek a szemükkel érzékelni a 780 (vörös) és 380 (ibolya) nanométer közötti hullámhosszúságú elektromágneses rezgéseket. Az összes lehetséges hullám skáláján ez a szakasz nagyon kis területet foglal el. Vagyis az emberek nem képesek érzékelni az elektromágneses spektrum nagy részét. És az ember számára elérhető minden szépséget a beesési szög és a törésszög különbsége hozza létre a közegek határán.
Vákuum, Nap, bolygó
Fotonokat bocsát ki a Nap egy termonukleáris reakció eredményeként. A hidrogénatomok fúziója és a hélium születése hatalmas számú különféle részecske felszabadulásával jár, beleértve a fénykvantumokat is. Vákuumban az elektromágneses hullámok egyenes vonalban és a lehető legnagyobb sebességgel terjednek. Amikor átlátszó és sűrűbb közegbe, például a Föld légkörébe kerül, a fény megváltoztatja terjedési sebességét. Ennek eredményeként megváltoztatja a terjedési irányt. Mennyi határozza meg a törésmutatót. A törésszöget a Snell-képlet segítségével számítjuk ki.
Snell törvénye
Willebrord Snell holland matematikus egész életében szögekkel és távolságokkal dolgozott. Megértette, hogyan kell mérni a városok közötti távolságokat, hogyan kell egy adottot megtalálnipont az égen. Nem csoda, hogy mintát talált a fénytörés szögeiben.
A törvény képlete így néz ki:
- 1sin θ1 =n2sin θ2.
Ebben a kifejezésben a karakterek jelentése a következő:
- 1 és n2 a közepes 1-es (ahonnan a nyaláb leesik) és a 2-es közepes törésmutatói (belemegy));
- θ1 és θ2 a fény beesési és törési szöge.
Törvénymagyarázatok
Szükséges néhány magyarázatot adni ehhez a képlethez. A θ szögek azt a fokszámot jelentik, amely a sugár terjedési iránya és a fénysugár érintkezési pontjában lévő felület normálja között van. Miért használják ebben az esetben a normált? Mert a valóságban nincsenek szigorúan sík felületek. És bármely görbe normális értékének megtalálása meglehetősen egyszerű. Ezen túlmenően, ha a feladatban ismert a közeghatár és a beeső nyaláb x közötti szöge, akkor a szükséges θ szög éppen (90º-x).
Leggyakrabban a fény ritkább (levegő) közegből sűrűbb (víz) közegbe jut. Minél közelebb vannak egymáshoz a közeg atomjai, annál erősebben törik meg a nyaláb. Ezért minél sűrűbb a közeg, annál nagyobb a törésszög. De ez fordítva is megtörténik: a fény vízből a levegőbe, vagy levegőből vákuumba esik. Ilyen körülmények között előfordulhat, hogy n1sin θ1>n2. Vagyis a teljes nyaláb visszaverődik az első közegre. Ezt a jelenséget teljes belsőnek nevezzükvisszaverődés. Azt a szöget, amelynél a fent leírt körülmények bekövetkeznek, a törés határszögének nevezzük.
Mi határozza meg a törésmutatót?
Ez az érték csak az anyag tulajdonságaitól függ. Például vannak kristályok, amelyeknél számít, hogy a sugár milyen szögben lép be. A tulajdonságok anizotrópiája kettős törésben nyilvánul meg. Vannak olyan közegek, amelyeknél fontos a beérkező sugárzás polarizációja. Emlékeztetni kell arra is, hogy a törésszög a beeső sugárzás hullámhosszától függ. Ezen a különbségen alapul az a kísérlet, amely a fehér fényt szivárványra osztja prizmával. Megjegyzendő, hogy a közeg hőmérséklete is befolyásolja a sugárzás törésmutatóját. Minél gyorsabban rezegnek egy kristály atomjai, annál jobban deformálódik a szerkezete és a fényterjedési irányváltoztatás képessége.
Példák a törésmutató értékére
Eltérő értékeket adunk az ismerős környezetekhez:
- A sót (kémiai képlete NaCl) mint ásványt "halitnak" nevezik. A törésmutatója 1,544.
- Az üveg törésszögét a törésmutatóból számítják ki. Az anyag típusától függően ez az érték 1,487 és 2,186 között változik.
- A Diamond éppen a fényjátékáról híres. Az ékszerészek minden síkját figyelembe veszik vágáskor. A gyémánt törésmutatója 2,417.
- A szennyeződésektől megtisztított víz törésmutatója 1,333. A H2O nagyon jó oldószer. Ezért a természetben nincs vegytiszta víz. Minden kút, minden folyó jellemzőösszetételével. Ezért a törésmutató is változik. De egyszerű iskolai feladatok megoldásához használhatja ezt az értéket.
Jupiter, Szaturnusz, Kalliszto
Eddig a földi világ szépségéről beszéltünk. Az úgynevezett normál körülmények nagyon specifikus hőmérsékletet és nyomást jelentenek. De vannak más bolygók is a Naprendszerben. Egészen különböző tájak vannak.
A Jupiteren például megfigyelhető az argon köd a metánfelhőkben és a hélium feláramlásában. Ott is gyakoriak a röntgensugaras aurorák.
A Szaturnuszon etánköd borítja a hidrogénatmoszférát. A bolygó alsó rétegein a nagyon forró metánfelhők gyémántjai hullanak.
A Jupiter sziklás, fagyott holdjának, a Callistonak azonban szénhidrogénekben gazdag belső óceánja van. Talán kénfogyasztó baktériumok élnek a mélyében.
És ezeken a tájakon a fényjáték a különböző felületeken, széleken, párkányokon és felhőkön szépséget teremt.