Fénytörés

A fénytörés ( törés ) egy sugár ( hullám ) irányának változása, amely két közeg határán, amelyen ez a nyaláb áthalad [1] , vagy egy közegben, de változó tulajdonságokkal történik, amelyben a hullám terjedési sebessége nem ugyanaz [2] .

A fénytörés jelenségét az energiamegmaradás és az impulzusmegmaradás törvényei magyarázzák . Amikor az átviteli közeg megváltozik, a hullám sebessége megváltozik, de frekvenciája változatlan marad. A fény törése üvegen vagy vízen a sugártorzítás legegyszerűbb és legnyilvánvalóbb példája, de a törés törvényei minden hullámra, elektromágnesesre , akusztikusra , sőt tengerire is érvényesek. Általában a fénytörés törvényét a Snell-törvény írja le .

A " törés " és a " törés " kifejezéseket felcserélhetően használják [2] ; hagyományosan a "törés" kifejezést gyakrabban használják olyan közegben lévő sugárzás leírására , amelyben a törésmutató simán változik pontról pontra (a sugárpályának simán görbülő vonala van), míg a "törés" kifejezést gyakrabban használják. a sugárzási pálya éles változásának leírására használják közeghatáronként, a törésmutatóik nagy különbsége miatt [2] . Ebben az esetben ugyanaz a törvény működik - a hullámsebesség függése egy adott átviteli közeg törésmutatójától.

Néha az átvivő közeg vagy a sugárforrás sajátosságai megkívánják, hogy ennek a fénytörésnek a tanulmányait külön szakaszban különítsenek el. Tehát az emberi szem fénytörését a szemészet , míg a vízben a hangtörést a hidroakusztika , az égitestek fénytörését a csillagászat és így tovább.

A fénytörés törvényeinek tanulmányozása alapvető fontosságú a tudomány és a technológia számára. Különböző ismeretterületeken történő alkalmazásuk lehetővé teszi pontos optikai műszerek ( teleszkópok , mikroszkópok , kamerák, filmkamerák, szemüvegek, kontaktlencsék stb.) létrehozását, a vegyületek kémiai szerkezetének vizsgálatát és a kémiai keverékek összetételének meghatározását [3] , pontos geodéziai és csillagászati ​​koordináták [4] beszerzése , optimális kommunikációs rendszerek létrehozása és még sok más.

A jelenség fizikája

A fénytörés akkor figyelhető meg, ha az elektromágneses hullámok fázissebessége az érintkező közegben eltérő (lásd a törésmutatót ). Ebben az esetben a hullámsebesség összértékének eltérőnek kell lennie a közegek közötti interfész különböző oldalain. Ha azonban nyomon követjük például a hullámhegy mozgását a határfelület mentén, akkor a megfelelő sebességnek azonosnak kell lennie a hullám mindkét „félénél” (mivel a határ átlépésekor a hullám maximuma marad a maximum , és fordítva, vagyis beszélhetünk a beeső és átvitt hullámok szinkronizálásáról minden határpontban, lásd a felső ábrát). Egy egyszerű geometriai konstrukcióval azt kapjuk, hogy a gerinc és a hullámterjedés irányába szögben dőlő egyenes metszéspontjának sebessége egyenlő lesz , ahol  a hullámterjedés sebessége.

Ez világos abból a tényből, hogy míg a hullámhegy a terjedésének irányában (azaz a csúcsra merőlegesen) a háromszög szárával megegyező távolságot halad el, addig a csúcs és a határ metszéspontja áthalad egy távolság egyenlő a hipotenúzussal, és ezeknek a távolságoknak a szög szinuszával egyenlő aránya a sebességek aránya.

Ezután a beeső és az átvitt hullámok határfelületi sebességét egyenlővé téve azt kapjuk , ami egyenértékű a Snell-törvénnyel , mivel a törésmutatót úgy definiáljuk, mint az elektromágneses sugárzás sebességének vákuumban és az elektromágneses sugárzás sebességének arányát közepes: .

Ennek eredményeként a két közeg határfelületén sugártörés figyelhető meg, amely minőségileg abból áll, hogy a beeső és a megtört nyalábok közepe közötti határfelülethez viszonyított normál szögek eltérnek egymástól, vagyis a a gerenda egyenes helyett megtörik - a sugár megtörik.

Vegyük észre, hogy a Snell -törvény levezetésének szinte azonos módja az átvitt hullám megalkotása a Huygens-Fresnel elv alapján (lásd az ábrát).

Amikor egy hullám különböző törésmutatójú közegben mozog, frekvenciája megmarad, és a hullámhossz a sebességgel arányosan változik.

Egy szinuszos hullám izotróp közegében, amelyet a frekvencia és a hullámterjedés irányára merőleges hullámvektor jellemez, az a megfontolás, hogy a határfelülettel párhuzamos hullámvektor komponensének azonosnak kell lennie az interfészen való áthaladás előtt és után, a fénytörés törvényének ugyanaz a formája.

Ezenkívül érdemes megjegyezni, hogy a foton hullámvektora egyenlő az impulzusvektor osztva Planck -állandójával , és ez lehetővé teszi a Snell-törvény természetes értelmezését a foton impulzusának a közeg interfészére való vetületének megmaradásaként. kereszteket.

Teljes belső tükrözés

A fénytöréshez szorosan kapcsolódik az átlátszó közegek határfelületéről való visszaverődés jelensége. Bizonyos értelemben ez ugyanannak a jelenségnek a két oldala.

A teljes belső visszaverődés (TIR) ​​jelensége annak a ténynek köszönhető, hogy bizonyos beesési szögeknél nem létezik olyan megtört hullám, amely megfelelne Snell törvényének. Ez azt jelenti, hogy csak a visszavert hullám jelenik meg, és ezért a hullám teljesen visszaverődik. A TIR akkor lehetséges, ha egy hullám olyan közegből esik le, ahol a hullám kisebb fázissebességgel (nagyobb törésmutatóval) terjed, egy olyan közeg határáig, amelynek nagyobb a fázissebessége egy ilyen hullámnak (alacsonyabb törésmutató).

A normálhoz képesti beesési szög fokozatos növelésével a megtört nyaláb egy bizonyos ponton egybeesik a közegek közötti interfészekkel, majd eltűnik - csak a visszavert sugár marad.

Teljes fénytörés

Ha függőlegesen polarizált hullám esik a határfelületre a Brewster-szögben , akkor a teljes fénytörés hatása lesz megfigyelhető  - nem lesz visszavert hullám.

Fénytörés a hétköznapi életben

A fénytörés minden lépésnél megtörténik, és teljesen hétköznapi jelenségnek tekintjük: láthatjuk, hogyan „eltörik” egy kanál, amely egy csésze teában van a víz és a levegő határán. Itt helyénvaló megjegyezni, hogy ez a megfigyelés, nem kritikus észleléssel, helytelen képet ad a hatás jeléről: a kanál látszólagos fénytörése a fénysugarak valós törésével ellentétes irányban történik.

A fénytörés két közeg határán paradox vizuális hatást kelt: a határfelületet sűrűbb közegben átlépő tárgyak „felfelé törőnek” tűnnek; míg a sűrűbb közegbe belépő sugár abban kisebb szögben terjed, "lefelé tör". Ez az optikai hatás hibákhoz vezet a tározó mélységének vizuális meghatározásában, amely mindig kisebbnek tűnik, mint amilyen valójában.

A fény törése, diszperziója és belső visszaverődése a vízcseppekben együtt szivárványt eredményez . A fényszóródás miatt a cseppek különböző színű fényt törnek és térítenek el : a legrövidebb hullámhosszú ( ibolya ) sugarak törnek és térnek el a legerősebben, a leghosszabb ( piros ) sugarak a leggyengébbek. Az eredmény egy különböző színekre festett ív.

A szerkezet kis átlátszó elemeinek (hópelyhek, papírszálak, buborékok) többszörös fénytörése (és részben visszaverődése) megmagyarázza a matt (nem tükör) tükröződő felületek tulajdonságait, mint például a fehér hó, papír, fehér hab.

A Föld légkörében tapasztalható fénytörés sok vizuális hatást magyaráz. Például bizonyos meteorológiai körülmények között a Föld (kis magasságból) homorú tálnak (és nem domború golyónak) tűnik a megfigyelő számára. A fénytörés miatt a csillagok "villogni" látszanak [4] . Ezenkívül a fénytörés a légkörben ahhoz vezet, hogy a napkeltét (és általában minden égitestet) kicsit korábban, a napnyugtát pedig valamivel később figyeljük meg, mint légkör hiányában [4] . Ugyanezen okból a horizonton a Nap korongja kissé lapítottnak tűnik a vízszintes mentén.

Alkalmazás

A mérnöki és tudományos műszerekben

A fénytörés jelensége a fénytörő teleszkópok (tudományos és gyakorlati célokra, beleértve a céltávcsövek, távcsövek és egyéb megfigyelőeszközök túlnyomó többségét), fotó-, film- és televíziós kamerák lencséi, mikroszkópok , nagyítók, szemüvegek, vetítőeszközök működésének hátterében áll. , optikai jelek vevői és adói, erős fénysugarak koncentrátorai, prizmaspektroszkópok és spektrométerek , prizma monokromátorok és sok más lencséket és/vagy prizmákat tartalmazó optikai műszer . Szinte minden optikai eszköz működésének kiszámításakor figyelembe kell venni. Mindez az elektromágneses spektrum különböző tartományaira vonatkozik.

Az akusztikában a hangtörést különösen fontos figyelembe venni, amikor a hang terjedését vizsgáljuk inhomogén közegben, és természetesen a különböző médiumok határfelületén.

A technológiában fontos lehet figyelembe venni az eltérő természetű hullámok törését, például hullámok vízen, különböző hullámok aktív közegben stb.

Az orvostudományban

A fénytörés jelenségét az orvostudomány olyan területein használják, mint az optometria és a szemészet . A foropter segítségével a páciens szemében észlelhető a töréshibák, illetve különböző törésmutatójú és különböző gyújtótávolságú lencsékkel több vizsgálat elvégzésével lehetőség nyílik a páciens számára megfelelő szemüveg vagy kontaktlencse kiválasztására .

Lásd még

Irodalom

Jegyzetek

  1. ↑ Fénytörés archiválva : 2012. május 8. a Wayback Machine  - Encyclopedia of Physics cikkben
  2. ↑ 1 2 3 Törés (fénytörés) // Nagy Szovjet Enciklopédia  : [30 kötetben]  / ch. szerk. A. M. Prohorov . - 3. kiadás - M .  : Szovjet Enciklopédia, 1969-1978.
  3. ↑ Molekuláris fénytörés // Nagy Szovjet Enciklopédia  : [30 kötetben]  / ch. szerk. A. M. Prohorov . - 3. kiadás - M .  : Szovjet Enciklopédia, 1969-1978.
  4. ↑ 1 2 3 Fénytörés (a légkörben) // Nagy Szovjet Enciklopédia  : [30 kötetben]  / ch. szerk. A. M. Prohorov . - 3. kiadás - M .  : Szovjet Enciklopédia, 1969-1978.

Linkek