Βρίσκεστε εδώ: Αρχική Σελίδα >> Εγκυκλοπαίδεια του Φωτός >> Διάθλαση του φωτός
Η διάθλαση του ορατού φωτός είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό που επιτρέπει την εστίαση του φωτός από ένα φακό σε ένα σημείο. Η διάθλαση, που θα μπορούσε πρόχειρα να οριστεί κι ως η απόκλιση μιας ακτίνας φωτός από την πορεία της, συμβαίνει όταν το φως διέρχεται από ένα μέσο σε ένα άλλο.
Ο δείκτης διάθλασης (συμβολίζεται n ή Ν) ορίζεται ως το πηλίκο της ταχύτητας του φωτός c, μέσα σε κάποιο υλικό προς την ταχύτητα του στο κενό u. Θεωρούμε ότι ο δείκτης διάθλασης του κενού έχει την τιμή 1.
Ν = c / u
Επειδή δεν υπάρχει αραιότερο σώμα από το κενό, καταλαβαίνουμε ότι για κάθε υλικό ο δείκτης διάθλασής του θα είναι μεγαλύτερος από 1. Συμβατικά αρκετές φορές θεωρούμε 1 και το δείκτη διάθλασης του αέρα, αν και η πραγματική τιμή του είναι 1,0003. Στον πίνακα που ακολουθεί βλέπουμε τους δείκτες διάθλασης κάποιων υλικών.
| Υλικό | Δείκτης διάθλασης |
|---|---|
| Αέρας | 1,0003 |
| Νερό | 1,33 |
| Γλυκερίνη | 1,47 |
| Λάδι | 1,515 |
| Γυαλί | 1,52 |
| Διαμάντι | 2,42 |
| Μόλυβδος | 3,91 |
Όταν το φως περνάει από ένα λιγότερο πυκνό υλικό, όπως ο αέρας σε ένα περισσότερο πυκνό, όπως το νερο, η ταχύτητα του φωτός μειώνεται. Αντίθετα, η διέλευσή του από ένα πυκνότερο σε ένα αραιότερο μέσο έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της ταχύτητάς του. Είπαμε όμως ότι σε αυτήν του την πορεία το φως αλλάζει διεύθυνση κίνησης. Το πόσο αποκλίνει από την πορεία του εξαρτάται από το υλικό που βρισκόταν και το υλικό στο οποίο θα βρεθεί. Αυτή η απόκλιση δε θα μπορούσε να μετρηθεί παρά σε γωνία. Υπάρχει ένας κανόνας, ο νόμος του Snell, που καθορίζει την απόκλιση αυτή.
Ν1 * sin(θ1) = Ν2 * sin(θ2)
όπου Ν1, Ν2 είναι οι δείκτες διάθλασης των δύο υλικών και 1, 2 οι γωνίες που σχηματίζει η ακτίνα του φωτός με την κάθετη στην επιφάνεια πρόσπτωσης.
Ο δείκτης διάθλασης των σωμάτων μεταβάλλεται όταν μεταβάλλεται το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Αυτό το φαινόμενο καλείται διασκεδασμός του φωτός. Όσο αυξάνεται το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας τόσο μειώνεται ο δείκτης διάθλασης. Ο διασκεδασμός είναι υπεύθυνος του φαινομένου που παρατηρείται στο πρίσμα, όπου η λευκή ακτινοβολία αναλύεται στις συνοστώσες της, δηλαδή στα χρώματα της ίριδας. Στον πίνακα που ακολουθεί μπορούμε να παρατηρήσουμε την εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από το μήκος κύματος. Χρησιμοποιήσαμε τρία μήκη κύματος, της μπλε, της κίτρινης και της κόκκινης ακτινοβολίας.
| Υλικό | Μπλε (486,1nm) | Κίτρινο (589.3nm) | Κόκκινο (656.3 nm) |
|---|---|---|---|
| Γυαλί | 1,524 | 1,517 | 1,515 |
| Νερό | 1,337 | 1,333 | 1,331 |
| Λάδι | 1,530 | 1,520 | 1,516 |
| Άνθρακας | 1,652 | 1,628 | 1,618 |
Η διάθλαση του φωτός παίζει σημαντικό ρόλο στην κατασκευή των διαφόρων ειδών φακών. Στο κεφάλαιο της Εγκυκλοπαίδειας του Φωτός που ασχολείται με τους φακούς υπάρχει ο σχηματισμός ειδώλου από κοίλο ή κυρτό φακό.
Η διάθλαση του φωτός είναι υπεύθυνη και για πολλές οφθαλμαπάτες και κυρίως αυτές που έχουν να κάνουν με το νερό. Στην παρακάτω εικόνα το μεταλλικό σίδερο, μέρος του οποίου βρίσκεται εντός του σφαιρικού γυαλιού φαίνεται να είναι λυγισμένο και μεγεθυμένο. Το φως περνάει από ένα πυκνότερο μέσο, το γυαλί, σε ένα αραιότερο, τον αέρα, με αποτέλεσμα να αποκλίνει από την πορεία του και μάλιστα κατά μια γωνία μεγαλύτερη. Είναι μια κοινή οφθαλμαπάτη στην καθημερινή ζωή μας.
Όταν το φως διέρχεται από ένα πυκνότερο σε ένα αριαότερο μέσο τότε η γωνία πρόσπτωσης μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο. Όταν η γωνία πρόσπτωσης ξεπεράσει μια κρίσιμη τιμή (η οποία εξαρτάται από τα μέσα από τα οποία διέρχεται το φως) τότε δεν υπάρχει εξερχόμενη από το μέσο ακτίνα φωτός. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ολική ανάκλαση του φωτός. Στην εικόνα που ακολουθεί μπορούμε να παρατηρήσουμε αυτό ακριβώς το φαινόμενο. Ακτίνες φωτός ξεκινάνε μέσα από το νερό και κατευθύνονται προς τον αέρα. Όταν οι ακτίνες φωτός έχουν γωνία πρόσπτωσης που δεν ξεπερνάει αυτήν την κρίσιμη τιμή, τότε βλέπουμε και την εξερχόμενη ακτίνα. Όταν όμως φτάσουμε ή ξεπεράσουμε αυτήν την τιμή, δεν υπάρχει εξερχόμενη ακτίνα.
Αν n1, n2 είναι οι δείκτες διάθλασης των δύο μέσων και θ η γωνία πρόσπτωσης ο νόμος του Snell στην περίπτωση της ολικής ανάκλασης παίρνει μορφή:
sin(θ) = n1 / n2
To φαινόμενο της ολικής ανάκλασης στο Εργαστήριο του Φωτός
Πριν κλείσουμε την ενότητα αυτή, ας ρίξουμε και μια ματιά στο τριγωνικό πρίσμα. Όταν λευκό φως προσπίπτει στο πρίσμα τότε η λευκή ακτινοβολία αναλύεται στις συνιστώσες της. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της διάθλασης του φωτός μέσα στο πρίσμα. Εφόσον η διάθλαση επηρρεάζεται από το μήκος κύματος, τότε το κάθε χρώμα, που αποτελεί τη λευκή ακτινοβολία θα διαθλάται διαφορετικά. Το αποτέλεσμα είναι βλέπουμε μια εικόνα αντίστοιχή του ουράνιου τόξου.
Η λειτουργία του πρίσματος στο Εργαστήριο του Φωτός