ოპტიკა ფიზიკის ერთ-ერთი უძველესი დარგია. ძველი საბერძნეთიდან მოყოლებული, ბევრი ფილოსოფოსი დაინტერესდა სინათლის მოძრაობისა და გავრცელების კანონებით სხვადასხვა გამჭვირვალე მასალებში, როგორიცაა წყალი, მინა, ბრილიანტი და ჰაერი. ეს სტატია განიხილავს სინათლის გარდატეხის ფენომენს, ფოკუსირებულია ჰაერის რეფრაქციულ ინდექსზე.
შუქის სხივის გარდატეხის ეფექტი
ყველას მის ცხოვრებაში ასობითჯერ შეექმნა ამ ეფექტის გამოვლინება, როცა უყურებდა წყალსაცავის ფსკერს ან წყლის ჭიქას მასში მოთავსებული ნივთით. ამავდროულად, წყალსაცავი არ ჩანდა ისეთი ღრმა, როგორიც სინამდვილეში იყო და წყლის ჭიქაში არსებული ობიექტები დეფორმირებული ან გატეხილი ჩანდა.
სინათლის სხივის გარდატეხის ფენომენი არის მისი სწორხაზოვანი ტრაექტორიის რღვევა, როდესაც ის კვეთს ორ გამჭვირვალე მასალას შორის. დიდი რაოდენობით ექსპერიმენტული მონაცემების შეჯამებით, მე-17 საუკუნის დასაწყისში, ჰოლანდიელმა ვილბრორდ სნელმა მიიღო მათემატიკური გამოთქმა,რომელიც ზუსტად აღწერდა ამ ფენომენს. ეს გამოთქმა ჩვეულებრივ იწერება შემდეგი ფორმით:
1sin(θ1)=n2sin(θ 2)=კონსტ.
აქ n1, n2 არის სინათლის აბსოლუტური გარდატეხის მაჩვენებლები შესაბამის მასალაში, θ1და θ2 - კუთხეები ჩავარდნილ და გარდატეხილ სხივებს შორის და ინტერფეისის სიბრტყის პერპენდიკულარულს შორის, რომელიც დახატულია სხივისა და ამ სიბრტყის გადაკვეთის წერტილში.
ამ ფორმულას ჰქვია სნელის ან სნელ-დეკარტის კანონი (ეს იყო ფრანგი, ვინც დაწერა იგი წარმოდგენილი ფორმით, ჰოლანდიელი კი იყენებდა არა სინუსებს, არამედ სიგრძის ერთეულებს).
ამ ფორმულის გარდა, გარდატეხის ფენომენი აღწერილია სხვა კანონით, რომელიც გეომეტრიული ხასიათისაა. ის მდგომარეობს იმაში, რომ სიბრტყეზე მონიშნული პერპენდიკულარული და ორი სხივი (გატეხილი და შემხვედრი) ერთ სიბრტყეში დევს.
აბსოლუტური რეფრაქციული ინდექსი
ეს მნიშვნელობა შედის სნელის ფორმულაში და მისი მნიშვნელობა მნიშვნელოვან როლს ასრულებს. მათემატიკურად, გარდატეხის ინდექსი n შეესაბამება ფორმულას:
n=c/v.
სიმბოლო c არის ელექტრომაგნიტური ტალღების სიჩქარე ვაკუუმში. ეს არის დაახლოებით 3108მ/წმ. მნიშვნელობა v არის სინათლის სიჩქარე გარემოში. ამრიგად, გარდატეხის ინდექსი ასახავს სინათლის შენელების რაოდენობას გარემოში უჰაერო სივრცესთან მიმართებაში.
არის ორი მნიშვნელოვანი შედეგი ზემოთ ფორმულიდან:
- მნიშვნელობა n ყოველთვის მეტია 1-ზე (ვაკუუმისთვის ის უდრის ერთს);
- ეს არის განზომილებიანი რაოდენობა.
მაგალითად, ჰაერის გარდატეხის ინდექსი არის 1.00029, ხოლო წყლისთვის არის 1.33.
რეფრაქციული ინდექსი არ არის მუდმივი მნიშვნელობა კონკრეტული საშუალოსთვის. ეს დამოკიდებულია ტემპერატურაზე. უფრო მეტიც, ელექტრომაგნიტური ტალღის თითოეული სიხშირისთვის მას თავისი მნიშვნელობა აქვს. ამრიგად, ზემოაღნიშნული ციფრები შეესაბამება 20 oC ტემპერატურას და ხილული სპექტრის ყვითელ ნაწილს (ტალღის სიგრძე დაახლოებით 580-590 ნმ).
n-ის მნიშვნელობის დამოკიდებულება სინათლის სიხშირეზე გამოიხატება პრიზმის მიერ თეთრი სინათლის დაშლისას რამდენიმე ფერად, აგრეთვე ცაში ცისარტყელის წარმოქმნაში ძლიერი წვიმის დროს.
სინათლის რეფრაქციული ინდექსი ჰაერში
მისი მნიშვნელობა უკვე მოცემულია ზემოთ (1, 00029). ვინაიდან ჰაერის გარდატეხის ინდექსი განსხვავდება მხოლოდ მეოთხე ათწილადში ნულიდან, მაშინ პრაქტიკული პრობლემების გადასაჭრელად ის შეიძლება ჩაითვალოს ერთის ტოლად. ჰაერის n-ის მცირე განსხვავება ერთიანობისგან მიუთითებს იმაზე, რომ სინათლე პრაქტიკულად არ ანელებს ჰაერის მოლეკულებს, რაც დაკავშირებულია მის შედარებით დაბალ სიმკვრივესთან. ამრიგად, ჰაერის საშუალო სიმკვრივეა 1,225 კგ/მ3, ანუ ის 800-ჯერ მსუბუქია ვიდრე სუფთა წყალი.
ჰაერი ოპტიკურად თხელი საშუალებაა. მასალაში სინათლის სიჩქარის შენელების პროცესი კვანტურ ხასიათს ატარებს და ასოცირდება მატერიის ატომების მიერ ფოტონების შთანთქმის და გამოსხივების აქტებთან.
ჰაერის შემადგენლობის ცვლილება (მაგალითად, მასში წყლის ორთქლის შემცველობის მატება) და ტემპერატურის ცვლილება იწვევს მაჩვენებლის მნიშვნელოვან ცვლილებებს.რეფრაქცია. თვალსაჩინო მაგალითია მირაჟის ეფექტი უდაბნოში, რომელიც წარმოიქმნება სხვადასხვა ტემპერატურის მქონე ჰაერის ფენების რეფრაქციული მაჩვენებლების სხვაობის გამო.
შუშა-ჰაერის ინტერფეისი
მინა ჰაერზე გაცილებით მკვრივი საშუალებაა. მისი აბსოლუტური რეფრაქციული ინდექსი მერყეობს 1,5-დან 1,66-მდე, რაც დამოკიდებულია შუშის ტიპზე. თუ ავიღებთ საშუალო მნიშვნელობას 1,55, მაშინ სხივის გარდატეხა ჰაერ-მინის ინტერფეისზე შეიძლება გამოითვალოს ფორმულის გამოყენებით:
sin(θ1)/sin(θ2)=n2/ n1=n21=1, 55.
მნიშვნელობას n21 ეწოდება ჰაერ-მინის ფარდობითი გარდატეხის ინდექსი. თუ სხივი ჭიქიდან ჰაერში გადის, მაშინ უნდა გამოიყენოთ შემდეგი ფორმულა:
sin(θ1)/sin(θ2)=n2/ n1=n21=1/1, 55=0, 645.
თუ რეფრაქციული სხივის კუთხე ამ უკანასკნელ შემთხვევაში იქნება 90o, მაშინ მის შესაბამის დაცემის კუთხეს კრიტიკული ეწოდება. სასაზღვრო მინისთვის - ჰაერი არის:
θ1=arcsin(0, 645)=40, 17o.
თუ სხივი დაეცემა მინა-ჰაერის საზღვარზე 40, 17o-ზე მეტი კუთხით, მაშინ ის მთლიანად აირეკლება უკან მინაში. ამ ფენომენს ეწოდება "მთლიანი შიდა ასახვა".
კრიტიკული კუთხე არსებობს მხოლოდ მაშინ, როდესაც სხივი გადადის მკვრივი გარემოდან (მინიდან ჰაერში, მაგრამ არა პირიქით).
