Refrakcija (lom svetlobe): Snellov zakon, indeks loma in primeri

Refrakcija (lom svetlobe): razumite Snellov zakon, indeks loma in praktične primere — od slame v vodi do prizme, z jasnimi razlagami, enačbami in ilustracijami.

Lom je sprememba smeri valovanja, ki jo povzroči sprememba hitrosti valovanja. Primeri valov so zvočni in svetlobni valovi. Lomljenje najpogosteje opazimo, ko valovanje prehaja iz enega prozornega medija v drugega prozornega medija. Med različnimi vrstami medijev sta zrak in voda.

Ko valovanje prehaja iz enega prozornega medija v drugega, spremeni svojo hitrost in smer. Ko na primer svetlobni val potuje skozi zrak in nato preide v vodo, se val upočasni in spremeni smer.

Ko svetloba vstopi v gostejši medij, se svetlobni žarek "upogne" proti normali. Ko se vrne v manj gost medij (z manjšim lomnim količnikom), se bo upognil nazaj pod enakim kotom kot pri vstopu (če je površina na izhodu vzporedna s površino na vstopu).

Primer delovanja refrakcije je, da v skodelico vode položite slamo, pri čemer je del slame v vodi. Če gledamo pod določenim kotom, se zdi, da se slamica na površini vode upogiba. To je posledica spremembe gostote medija in s tem upogibanja svetlobnih žarkov, ko se premikajo iz zraka v vodo.

Svetlobo lahko preprosto in dobro razumemo, če si jo predstavljamo kot avtomobil. Ko avtomobil pod kotom trči v gramozno površino (to je medij), se pnevmatika, ki prva trči vanjo, upočasni, zaradi česar se avto obrne v to smer. Če torej svetloba na desni strani naleti na medij, ki ima večji lomni količnik, se bo nagnila v desno. Velikost upogiba je podana s Snellovim zakonom. Leče delujejo z lomom.

Ko se svetloba lomi v prizmi, se razdeli v barve mavrice, saj se nekatere valovne dolžine upognejo bolj kot druge.

V optiki je lomni količnik ali indeks loma n snovi brezrazsežno število, ki opisuje, kako svetloba ali drugo sevanje prehaja skozi ta medij. Opredeljen je kot

n = c v , {\displaystyle n={\frac {\mathrm {c} }{v}},}

kjer je c hitrost svetlobe v vakuumu, v pa fazna hitrost svetlobe v mediju. Snellov zakon uporablja lomne količnike za izračun velikosti loma.

Snellov zakon

Snellov zakon poveže kote padajočega in lomečega žarka glede na normalo na meji dveh prozornih medijev. Matematično ga pogosto zapišemo kot:

n1 sin θ1 = n2 sin θ2

kjer sta n1 in n2 lomna količnika prvega oziroma drugega medija, θ1 pa θ2 pa sta koti glede na normalen (pravokotni) na mejno površino. Iz tega sledi, da če svetloba prehaja v medij z večjim indeksom loma, se žarek upogne proti normali, in obratno — v medij z manjšim indeksom se žarek upogne proč od normale.

Snellov zakon je mogoče izpeljati iz Fermatovega principa najmanjšega časa, ki pravi, da svetloba med dvema točkama potuje po poti, ki minimizira čas potovanja.

Kritični kot in popolna notranja refleksija

Če svetloba potuje iz gostejšega v redkejši medij (n1 > n2), obstaja kot vpadnega žarka, pri katerem lomi žarek vzdolž meje. Ta kot imenujemo kritični kot θc in velja:

sin θc = n2 / n1

Za kote večje od θc pride do popolne notranje refleksije, kar pomeni, da se svetloba popolnoma odbije nazaj v gostejši medij. To je osnova za delovanje optičnih vlaken in nekaterih vrst optičnih komponent.

Disperzija in barvni učinki

Indeks loma je odvisen od valovne dolžine svetlobe — to lastnost imenujemo disperzija. Krajše valovne dolžine (modra svetloba) se običajno lomijo močneje kot daljše valovne dolžine (rdeča svetloba). Zaradi tega se bela svetloba v prizmi razcepi v spekter, pri lečah pa lahko nastane kromatska aberacija (barvno robanje). Ta pojav je podlaga mavrice in delovanja spektrometrov.

Vrste indeksov in absorpcija

V večini prozornih snovi je indeks loma realno število večje ali okoli 1 (n(prst primer): zrak ≈ 1,00; voda ≈ 1,33; tipično steklo ≈ 1,5). Za snovi, ki absorbirajo elektromagnetno sevanje, uporabljamo kompleksni indeks loma N = n + ik, kjer imaginarni del k (imenovan izumrni koeficient) opisuje izgube zaradi absorpcije. Pri zelo hitrih pulzih svetlobe je pomembna tudi grupna hitrost, ki se lahko razlikuje od fazne hitrosti v primeru disperzivnih medijev.

Praktični primeri in uporabe

• Primer z slamico v vodi je enostaven prikaz refrakcije — vizualni premik izhaja iz upogibanja žarkov na meji zraka in vode.
• Leče (konveksne in konkavne) uporabljajo lom za oblikovanje slik v očalih, kamerah, mikroskopih in teleskopih.
• Prizme in spektrometri izkoriščajo disperzijo za ločevanje valovnih dolžin (analiza snovi, optični instrumenti).
• Popolna notranja refleksija omogoča prenos svetlobe po optičnih vlaknih, kar je temelj sodobnih telekomunikacij.
• Atmosferski pojavi kot so migetna (mirages) nastanejo zaradi prelomov svetlobe v plasti zraka z različnimi temperaturami in gostotami.

Zaključek

Lom oziroma refrakcija je temeljni optični pojav, ki vpliva na širok spekter naravnih pojavov in tehnologij — od mavrice in iluzij pri opazovanju predmetov v vodi do delovanja kamer, teleskopov, optičnih vlaken in spektroskopije. Razumevanje Snellovega zakona, indeksa loma in disperzije omogoča načrtovanje optičnih sistemov in pojasni številne izkušnje iz vsakdanjega življenja.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je refrakcija?

V: Kako deluje refrakcija?

V: Kateri so primeri delovanja loma?

V: Kaj je optični indeks ali lomni količnik?

V:Kateri zakon uporablja optične indekse?

Išči po črki