Qual è il significato fisico dell'indice di rifrazione della luce?

La luce e le leggi della sua distribuzione in ambienti trasparenti hanno interessato una persona fin dai tempi antichi. In questo articolo, consideriamo quale sia la rifrazione delle onde elettromagnetiche, che per primo hanno formulato la legge corrispondente e qual è il significato fisico dell'indice di rifrazione.

Essenza del fenomeno

La modifica della direzione di propagazione di un raggio di luce mentre passa da un mezzo trasparente ad un altro è detta rifrazione. Per l'esistenza di questo fenomeno, devono essere soddisfatte le seguenti tre condizioni:

1. Il raggio dovrebbe cadere sotto una certa inclinazione al piano della separazione dei media. Se l'angolo tra la direzione del movimento del raggio e il piano di interesse è 0 ^o (parallelo) o 90 ^° (perpendicolare), la rifrazione non si verificherà. È necessario aumentare o diminuire la pendenza.
2. Due mezzi dovrebbero essere trasparenti alla luce. Altrimenti, l'onda elettromagnetica viene semplicemente riflessa dalla superficie.
3. L'indice di rifrazione del mezzo deve essere diverso. Qual è il significato fisico dell'indice di rifrazione, sarà discusso più avanti nell'articolo.

Esempi di rifrazione nella vita quotidiana e nella natura

Forse l'esempio più comune di questo fenomeno fisico sarebbe la considerazione del confine tra aria e acqua. Quindi, tutti hanno notato che una matita collocata in un bicchiere con liquido sembra essere curva. Un altro esempio: se guardi in qualsiasi recipiente con acqua sul fondo, la profondità sembra essere molto più piccola della realtà.

Il prossimo momento significativo dell'effetto della rifrazione sono i miraggi, che possono essere visti non solo nei deserti, ma anche in qualsiasi località in una calda giornata estiva. Quando il sole cocente è adiacente alla superficie della terra, gli strati dell'atmosfera sono fortemente riscaldati in relazione ai livelli più alti. La diversa temperatura dell'aria porta ad un cambiamento nella sua densità e, di conseguenza, degli indici di rifrazione della luce.

Di conseguenza, ci sono condizioni in cui i raggi in movimento verso il basso passano lungo la curva della traiettoria e iniziano a muoversi dal basso verso l'alto. Una volta nell'occhio dell'osservatore, creano l'impressione che il cielo e le chiome degli alberi si riflettano sulla superficie della terra. Il cervello interpreta questo effetto come avente pozzanghere.

Un altro esempio meno evidente, ma non meno importante per gli umani, è la rifrazione multipla delle onde radio nella ionosfera del nostro pianeta. A causa di questo fatto, le onde radio possono diffondersi su vaste distanze sulla Terra.

Leggi di rifrazione

Per capire qual è il significato fisico dell'indice di rifrazione della luce, chiamiamo le leggi che descrivono questo fenomeno. Ce ne sono due:

1. Il raggio incidente sul confine di due media, il normale ripristinato sul piano del confine nel punto di incidenza e il raggio di luce trasmesso al secondo mezzo giacciono sullo stesso piano.
2. Il prodotto del seno dell'angolo di incidenza e l'indice di rifrazione del mezzo in cui si propaga la luce è un valore costante.

La prima di queste leggi è simile a quella del fenomeno di riflessione. Inoltre, non un singolo raggio incidente sull'interfaccia trasmette tutta la sua energia al secondo mezzo durante il fenomeno in esame. Sempre parte dell'energia viene riflessa. Dipende da un numero di fattori (la lunghezza d'onda della luce, le proprietà del supporto e l'angolo). Quindi, in un piano con una normale, ci sono tre raggi: l'incidenza, la rifrazione e il riflesso.

La descrizione della seconda legge è solo una delle forme. Altre formulazioni saranno prese in considerazione quando si discute il valore dell'indice di rifrazione.

Cos'è l'indice di rifrazione?

Questo è il coefficiente di proporzionalità tra le velocità di propagazione della luce nel vuoto e nel mezzo. È denotato, di regola, dalla lettera n, ed è calcolato dalla formula:

n = c / v.

Qui c è la velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto, v è la stessa, solo in un mezzo trasparente reale. Poiché c> v è sempre, l'indice di rifrazione sarà maggiore di uno (n> 1).

Se gli angoli di incidenza e rifrazione sono denotati dai simboli θ ₁ e θ ₂ , e gli indici di rifrazione del 1 ° e del 2 ° media sono scritti come n ₁ e n ₂ , rispettivamente, allora la 2 ° legge di rifrazione assume la forma:

sin (θ ₁ ) * n ₁ = sin (θ ₂ ) * n ₂ .

Se sostituiamo l'espressione per n in questa uguaglianza, allora abbiamo:

sin (θ ₁ ) / sin (θ ₂ ) = v ₁ / v ₂ .

L'espressione risultante è un'altra formulazione della 2a legge di rifrazione: il rapporto tra i seni degli angoli di incidenza e la rifrazione è direttamente proporzionale al rapporto delle velocità di propagazione delle onde nel mezzo corrispondente.

Qual è il significato fisico dell'indice di rifrazione del mezzo?

Ora puoi facilmente rispondere a questa domanda. Secondo la definizione di cui sopra, questo valore mostra quante volte la luce nel vuoto è più veloce rispetto a un mezzo. Ad esempio, nell'aria, n = 1.00029, cioè nell'atmosfera del nostro pianeta, la luce rallenta rispetto alla distribuzione nello spazio di solo un centesimo di punto percentuale.

Un altro esempio: l'indice n per un diamante è 2,43. Nel diamante, la luce si muove di 2,43 volte più lentamente che nel vuoto.

Avendo capito qual è il significato fisico dell'indice di rifrazione (la velocità assoluta della luce si riduce nel mezzo) è curioso capire perché diminuisce.

Il fatto è che il medium consiste di particelle di materia (atomi, molecole) che assorbono e ri-irradiano le onde elettromagnetiche che si muovono attraverso di esse. Questi processi fisici hanno alcuni tempi caratteristici, quindi c'è un ritardo nella velocità della luce.

La ragione per la rifrazione delle onde

Le domande sul significato fisico dell'indice di rifrazione della luce e sul perché la rifrazione si verifica sono correlate l'una con l'altra. La ragione di questo fenomeno è proprio la differenza di velocità in ambienti diversi. Ci sono diversi modi per spiegare questo:

• Utilizzando il principio di Huygens-Fresnel. Consiste nel fatto che ogni punto del mezzo attraverso il quale passa l'onda diventa una nuova fonte. Crea onde sferiche, il cui set di superfici determina il successivo fronte d'onda.
• Utilizzando il principio della fattoria. Associa la lunghezza della traiettoria al tempo del moto ondoso. In particolare, la luce sceglie un percorso di questo tipo tra due punti nello spazio, che può viaggiare nel più breve tempo possibile.
• Usando l'analogia di Feynman. Diciamo che il soccorritore ha visto l'uomo che sta affogando nel mare. Quali saranno le sue azioni? Per prima cosa correrà lungo la spiaggia fino a un certo punto, poi correrà in acqua e nuoterà per salvare un uomo. La traiettoria del soccorritore è simile a quella della luce. La spiaggia e il mare sono due ambienti con valori diversi di n.

Sfondo storico

Allo stato attuale, la 2a legge della rifrazione dell'onda, formulata sopra in due modi, è solitamente chiamata legge Snell o Snell, in onore del fisico olandese del primo 17 ° secolo, che la scoprì.

Tuttavia, 6 secoli prima di questo, cioè approssimativamente alla fine del X secolo dC, la legge di rifrazione nella sua moderna forma matematica era già nota agli arabi. Si ritiene che il matematico persiano Ibn Sahl lo abbia prima formulato e applicato nell'analisi del corso dei raggi di luce nelle lenti. Quindi, il fenomeno considerato è stato scoperto e descritto da scienziati dell'antichità.