Hôm nay chúng ta sẽ tiết lộ góc khúc xạ của sóng điện từ (cái gọi là ánh sáng) là gì và định luật của nó được hình thành như thế nào.
Mắt, da, não
Con người có năm giác quan chính. Các nhà khoa học y tế phân biệt tới 11 loại cảm giác khác nhau (ví dụ: cảm giác áp lực hoặc đau đớn). Nhưng mọi người nhận được hầu hết thông tin của họ thông qua đôi mắt của họ. Có tới chín mươi phần trăm các dữ kiện có sẵn mà não người nhận thức được là dao động điện từ. Vì vậy, mọi người chủ yếu hiểu cái đẹp và thẩm mỹ một cách trực quan. Góc khúc xạ của ánh sáng đóng một vai trò quan trọng trong việc này.
Sa mạc, hồ nước, mưa
Thế giới xung quanh tràn ngập ánh sáng mặt trời. Không khí và nước tạo nên cơ sở cho những gì mọi người thích. Tất nhiên, phong cảnh sa mạc khô cằn có một vẻ đẹp khắc nghiệt, nhưng hầu hết mọi người thích một chút độ ẩm.
Con người luôn bị cuốn hút bởi những dòng suối trên núi và những dòng sông ở vùng đất thấp êm đềm, những hồ nước phẳng lặng và những con sóng biển luôn lăn tăn, thác nước bắn tung tóe và một giấc mơ lạnh giá về những dòng sông băng. Đã hơn một lần ai cũng nhận thấy vẻ đẹp của ánh sáng vờn sương trên cỏ, sương muối lấp lánh trên cành, màu trắng sữa của sương mù và vẻ đẹp u ám của những đám mây thấp. Và tất cả những hiệu ứng này được tạo ranhờ góc khúc xạ của chùm tia trong nước.
Mắt, thang điện từ, cầu vồng
Ánh sáng là sự dao động của trường điện từ. Bước sóng và tần số của nó quyết định loại photon. Tần số rung động xác định liệu nó sẽ là sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, quang phổ của một số màu mà một người có thể nhìn thấy, tia cực tím, tia X hay bức xạ gamma. Con người có thể cảm nhận được bằng mắt thường các dao động điện từ có bước sóng từ 780 (đỏ) đến 380 (tím) nanomet. Trên quy mô của tất cả các sóng có thể, phần này chiếm một diện tích rất nhỏ. Đó là, con người không có khả năng cảm nhận hầu hết các phổ điện từ. Và tất cả vẻ đẹp mà con người có thể tiếp cận được đều được tạo ra bởi sự khác biệt giữa góc tới và góc khúc xạ ở ranh giới giữa các phương tiện truyền thông.
Chân không, Mặt trời, hành tinh
Các photon do Mặt trời phát ra do phản ứng nhiệt hạch. Sự hợp nhất của các nguyên tử hydro và sự ra đời của heli đi kèm với việc giải phóng một số lượng lớn các hạt khác nhau, bao gồm cả lượng tử ánh sáng. Trong chân không, sóng điện từ truyền theo đường thẳng và với tốc độ lớn nhất có thể. Khi nó đi vào một môi trường trong suốt và đặc hơn, chẳng hạn như bầu khí quyển của trái đất, ánh sáng sẽ thay đổi tốc độ truyền của nó. Kết quả là, nó thay đổi hướng lan truyền. Bằng bao nhiêu xác định chiết suất. Góc khúc xạ được tính bằng công thức Snell.
Định luật Snell
Nhà toán học Hà Lan Willebrord Snell đã làm việc cả đời với các góc và khoảng cách. Anh ấy hiểu cách đo khoảng cách giữa các thành phố, cách tìm mộtchỉ trên bầu trời. Không ngạc nhiên khi anh ấy tìm thấy một mô hình trong các góc khúc xạ ánh sáng.
Công thức luật có dạng như sau:
- 1sin θ1=n2sin θ2.
Trong biểu thức này, các ký tự có nghĩa sau:
- 1và n2là chiết suất của môi trường một (từ đó chùm tia rơi xuống) và môi trường 2 (nó đi vào);
- θ1và θ2lần lượt là góc tới và khúc xạ của ánh sáng.
Giải thích về luật
Cần phải đưa ra một số giải thích cho công thức này. Góc θ có nghĩa là số độ nằm giữa hướng truyền của chùm sáng và pháp tuyến đối với bề mặt tại điểm tiếp xúc của chùm sáng. Tại sao bình thường được sử dụng trong trường hợp này? Bởi vì trong thực tế không có bề mặt phẳng nào hoàn toàn bằng phẳng. Và việc tìm điểm chuẩn của bất kỳ đường cong nào là khá đơn giản. Ngoài ra, nếu trong bài toán đã biết góc giữa ranh giới phương tiện và chùm tia tới x, thì góc yêu cầu θ chỉ là (90º-x).
Thông thường nhất, ánh sáng đi từ môi trường hiếm hơn (không khí) sang môi trường đặc hơn (nước). Các nguyên tử của môi trường càng gần nhau thì chùm tia khúc xạ càng mạnh. Do đó, môi trường càng đặc thì góc khúc xạ càng lớn. Nhưng nó cũng xảy ra theo cách khác: ánh sáng rơi từ nước vào không khí hoặc từ không khí vào chân không. Trong những trường hợp như vậy, một điều kiện có thể phát sinh theo đó n1sin θ1>n2. Tức là toàn bộ chùm tia sẽ bị phản xạ trở lại môi trường đầu tiên. Hiện tượng này được gọi là tổng nộisự phản xạ. Góc mà các trường hợp mô tả ở trên xảy ra được gọi là góc khúc xạ giới hạn.
Điều gì quyết định chỉ số khúc xạ?
Giá trị này chỉ phụ thuộc vào đặc tính của chất. Ví dụ, có những tinh thể mà nó quan trọng ở góc độ nào mà chùm tia đi vào. Tính dị hướng của các thuộc tính được biểu hiện ở tính lưỡng chiết. Có những phương tiện mà sự phân cực của bức xạ tới là quan trọng. Cũng cần phải nhớ rằng góc khúc xạ phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ tới. Dựa trên sự khác biệt này, người ta đã dựa vào thí nghiệm phân chia ánh sáng trắng thành cầu vồng bằng lăng kính. Cần lưu ý rằng nhiệt độ của môi trường cũng ảnh hưởng đến chiết suất của bức xạ. Các nguyên tử của tinh thể dao động càng nhanh thì cấu trúc và khả năng thay đổi hướng truyền ánh sáng của nó càng bị biến dạng.
Ví dụ về giá trị của chỉ số khúc xạ
Chúng tôi đưa ra các giá trị khác nhau cho môi trường quen thuộc:
- Muối (công thức hóa học NaCl) như một khoáng chất được gọi là "halit". Chỉ số khúc xạ của nó là 1,544.
- Góc khúc xạ của thủy tinh được tính từ chiết suất của nó. Tùy thuộc vào loại vật liệu, giá trị này thay đổi trong khoảng 1,487 đến 2,186.
- Kim cương nổi tiếng một cách chính xác với trò chơi ánh sáng trong đó. Các nhà kim hoàn tính đến tất cả các mặt phẳng của nó khi cắt. Chiết suất của kim cương là 2,417.
- Nước được lọc sạch tạp chất có chiết suất 1.333. H2O là dung môi rất tốt. Do đó, không có nước tinh khiết về mặt hóa học trong tự nhiên. Mỗi giếng, mỗi sông đều có đặc điểmvới thành phần của nó. Do đó, chiết suất cũng thay đổi. Nhưng để giải quyết các vấn đề đơn giản của trường học, bạn có thể lấy giá trị này.
Sao Mộc, Sao Thổ, Callisto
Cho đến nay, chúng ta vẫn đang nói về vẻ đẹp của thế giới trần gian. Cái gọi là điều kiện bình thường ngụ ý một nhiệt độ và áp suất rất cụ thể. Nhưng có những hành tinh khác trong hệ mặt trời. Có những cảnh quan khá khác nhau.
Trên sao Mộc, chẳng hạn, có thể quan sát thấy khói argon trong các đám mây mêtan và các luồng khí heli. Cực quang tia X cũng rất phổ biến ở đó.
Trên Sao Thổ, sương mù etan bao phủ bầu khí quyển hydro. Ở các lớp thấp hơn của hành tinh, mưa kim cương từ những đám mây mêtan rất nóng.
Tuy nhiên, mặt trăng đóng băng đầy đá của Sao Mộc Callisto có một đại dương bên trong giàu hydrocacbon. Có lẽ vi khuẩn tiêu thụ lưu huỳnh sống ở sâu trong nó.
Và trong mỗi cảnh quan này, ánh sáng chiếu vào các bề mặt, góc cạnh, gờ và mây khác nhau tạo nên vẻ đẹp.
