Quang học là một trong những ngành vật lý lâu đời nhất. Từ thời Hy Lạp cổ đại, nhiều nhà triết học đã quan tâm đến quy luật chuyển động và truyền của ánh sáng trong các vật liệu trong suốt khác nhau như nước, thủy tinh, kim cương và không khí. Bài viết này thảo luận về hiện tượng khúc xạ ánh sáng, tập trung vào chiết suất của không khí.
Hiệu ứng khúc xạ của chùm sáng
Mọi người trong đời đều phải đối mặt hàng trăm lần với biểu hiện của hiệu ứng này khi nhìn vào đáy của một cái hồ chứa hoặc vào một cốc nước có đặt một vật nào đó trong đó. Đồng thời, hồ chứa có vẻ không sâu như thực tế và các vật thể trong cốc nước trông bị biến dạng hoặc vỡ.
Hiện tượng khúc xạ của chùm sáng là sự phá vỡ quỹ đạo thẳng của nó khi nó đi qua mặt phân cách giữa hai vật liệu trong suốt. Tổng hợp một số lượng lớn dữ liệu thực nghiệm, vào đầu thế kỷ 17, người Hà Lan Willebrord Snell đã nhận được một biểu thức toán học,đã mô tả chính xác hiện tượng này. Biểu thức này thường được viết dưới dạng sau:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ2)=const.
Ở đây n1, n2là chiết suất tuyệt đối của ánh sáng trong vật liệu tương ứng, θ1 và θ2- góc giữa chùm tia tới và khúc xạ và phương vuông góc với mặt phẳng phân cách, được vẽ qua giao điểm của chùm tia và mặt phẳng này.
Công thức này được gọi là định luật Snell hoặc Snell-Descartes (chính người Pháp đã viết ra nó ở dạng đã trình bày, trong khi người Hà Lan không sử dụng sines mà sử dụng đơn vị đo độ dài).
Bên cạnh công thức này, hiện tượng khúc xạ còn được mô tả bởi một định luật khác, có bản chất hình học. Nó nằm trong thực tế là dấu vuông góc với mặt phẳng và hai tia (khúc xạ và tia tới) nằm trong cùng một mặt phẳng.
Chiết suất tuyệt đối
Giá trị này được bao gồm trong công thức Snell và giá trị của nó đóng một vai trò quan trọng. Về mặt toán học, chiết suất n ứng với công thức:
n=c / v.
Kí hiệu c là tốc độ của sóng điện từ trong chân không. Nó xấp xỉ 3108m / s. Giá trị v là tốc độ ánh sáng trong môi trường. Do đó, chiết suất phản ánh lượng ánh sáng chuyển động chậm lại trong môi trường đối với không gian không có không khí.
Có hai hàm ý quan trọng từ công thức trên:
- giá trị n luôn lớn hơn 1 (đối với chân không thì bằng một);
- đây là đại lượng không có thứ nguyên.
Ví dụ, chiết suất của không khí là 1.00029, trong khi đối với nước là 1.33.
Chỉ số khúc xạ không phải là một giá trị cố định đối với một môi trường cụ thể. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ. Hơn nữa, đối với mỗi tần số của sóng điện từ, nó có một ý nghĩa riêng. Vì vậy, các số liệu trên tương ứng với nhiệt độ 20oC và phần màu vàng của quang phổ khả kiến (bước sóng khoảng 580-590 nm).
Sự phụ thuộc của giá trị n vào tần số ánh sáng được thể hiện trong sự phân hủy ánh sáng trắng bởi lăng kính thành một số màu, cũng như sự hình thành cầu vồng trên bầu trời khi mưa lớn.
Chỉ số khúc xạ của ánh sáng trong không khí
Giá trị của nó đã được đưa ra ở trên (1, 00029). Vì chiết suất của không khí chỉ khác 0 ở chữ số thập phân thứ tư, nên đối với việc giải các bài toán thực tế, nó có thể được coi là bằng một. Một sự khác biệt nhỏ của n đối với không khí so với sự thống nhất chỉ ra rằng ánh sáng thực tế không bị làm chậm lại bởi các phân tử không khí, điều này có liên quan đến mật độ tương đối thấp của nó. Vì vậy, mật độ trung bình của không khí là 1,225 kg / m3, tức là nó nhẹ hơn 800 lần so với nước ngọt.
Không khí là một môi trường quang học mỏng. Quá trình làm chậm tốc độ ánh sáng trong vật liệu có bản chất lượng tử và có liên quan đến hành vi hấp thụ và phát xạ photon của các nguyên tử vật chất.
Những thay đổi về thành phần của không khí (ví dụ, sự gia tăng hàm lượng hơi nước trong nó) và những thay đổi về nhiệt độ dẫn đến những thay đổi đáng kể trong chỉ thịkhúc xạ. Một ví dụ nổi bật là hiệu ứng ảo ảnh trong sa mạc, xảy ra do sự khác biệt về chiết suất của các lớp không khí có nhiệt độ khác nhau.
Giao diện thủy tinh không khí
Thủy tinh là một phương tiện đặc hơn nhiều so với không khí. Chỉ số khúc xạ tuyệt đối của nó dao động từ 1,5 đến 1,66, tùy thuộc vào loại thủy tinh. Nếu chúng ta lấy giá trị trung bình là 1,55, thì khúc xạ của chùm tia tại mặt phân cách thủy tinh không khí có thể được tính theo công thức:
sin (θ1) / sin (θ2)=n2/ n1=n21=1, 55.
Giá trị n21được gọi là chiết suất tỉ đối của không khí - thủy tinh. Nếu chùm tia đi ra khỏi thủy tinh ra ngoài không khí thì nên sử dụng công thức sau:
sin (θ1) / sin (θ2)=n2/ n1=n21=1/1, 55=0, 645.
Nếu góc của chùm khúc xạ trong trường hợp sau bằng 90o, thì góc tới tương ứng với nó được gọi là tới hạn. Đối với kính viền - air là:
θ1=arcsin (0, 645)=40, 17o.
Nếu chùm tia rơi trên ranh giới thủy tinh-không khí với góc lớn hơn 40, 17o, thì nó sẽ bị phản xạ hoàn toàn trở lại kính. Hiện tượng này được gọi là "phản xạ toàn phần bên trong".
Góc tới hạn chỉ tồn tại khi chùm tia di chuyển từ môi trường đặc (từ thủy tinh sang không khí, chứ không phải ngược lại).
