Вивчаючи закони руху світла в різних прозорих середовищах, часто використовують поняття показника заломлення. У чому полягає сенс фізичної величини, а також для яких явищ вона має важливе значення, розглядається у статті.
Заломлення світла
Коли промінь світла (насправді будь-хвилі) проходить через поверхню, яка обмежує дві прозорі середовища, то його прямолінійна траєкторія терпить заломлення на цій поверхні. Результатом цього явища є спотворення зображення об’єктів, якщо вони знаходяться в одному середовищі, а дивляться на них з іншого середовища. Наприклад, чіткий злам видно, якщо олівець помістити в склянку з водою.
Математичний закон для явища заломлення був вперше сформульований голландським ученим Снеллом на початку 1600 років. Справедливості заради відзначимо, що заломленням займалися багато вчених, починаючи з грецького філософа Птолемея і закінчуючи Ньютоном і Декартом. Відповідна формула має вигляд:
n1*sin(θ1) = n2*sin(θ2).
Тут θ1 і θ2 — кути між падаючим і заломленим променями і нормаллю, проведеною до поверхні в точці її перетину світловим променем. Символами n1 і n2 у формулі позначені показники заломлення відповідних прозорих матеріалів. У чому полягає сенс фізичний показника заломлення середовища, розглянемо у наступному пункті.
Показник заломлення (абсолютний)
У фізиці ця величина вводиться як відношення двох швидкостей світла в різних матеріалах або у вакуумі. Відомо, що в безповітряному просторі швидкість світла перевищує таку для будь-якого іншого матеріалу. Тому вона була обрана за еталон. Позначаючи швидкість електромагнітних хвиль в деякій середовищі як v, можна записати наступне математичне визначення показника заломлення:
n = c/v.
У чому полягає сенс фізичний показника заломлення світла в середовищі, видно з цієї формули. Величина n показує, наскільки швидше світло переміщається в безповітряному просторі, ніж у даної середовищі.
З формули також зрозуміло, що n завжди дорівнює одиниці або більший за неї. Він дорівнює одиниці для вакууму, а також близький до одиниці для розріджених газів. Наприклад, для повітря n=1,00029.
Показник заломлення (відносний)
Крім введеної вище величини n, існує ще відносний показник заломлення. Застосовують його рідше в розрахунках фізичних, ніж абсолютний.
Використовуючи формулу для абсолютної n, закон Снелла для заломлення можна записати в такому вигляді:
sin(θ1)/v1 = sin(θ2)/v2 =>
sin(θ1)/sin(θ2) = v1/v2 = n12.
Величина n12 називається відносним показником заломлення для даних середовищ.
У чому полягає сенс фізичний показника заломлення n12? Ця величина показує, у скільки разів світло в першій середовищі швидше, ніж у другій. На відміну від абсолютного показника, відносний може бути як більше одиниці, так і менше за неї.
Знання показника заломлення важливо для опису явища повного відображення, яке відбувається тільки в оптично більш щільного середовища, тобто в середовищі з великою n. Це явище використовується в оптичних волокнах.
Також показник заломлення важливо знати при виготовленні оптичних стекол (лінз) для мікроскопів, телескопів, окулярів та інших приладів.
