Optics เป็นหนึ่งในสาขาฟิสิกส์ที่เก่าแก่ที่สุด ตั้งแต่สมัยกรีกโบราณ นักปรัชญาหลายคนสนใจกฎการเคลื่อนที่และการแพร่กระจายของแสงในวัสดุโปร่งใสต่างๆ เช่น น้ำ แก้ว เพชร และอากาศ บทความนี้กล่าวถึงปรากฏการณ์การหักเหของแสงโดยเน้นที่ดัชนีการหักเหของแสงในอากาศ
ผลกระทบจากการหักเหของลำแสง
ทุกคนในชีวิตของเขาต้องเผชิญกับปรากฏการณ์นี้นับร้อยครั้งเมื่อเขามองไปที่ก้นอ่างหรือแก้วน้ำที่มีวัตถุบางอย่างวางอยู่ในนั้น ในเวลาเดียวกัน อ่างเก็บน้ำก็ดูไม่ลึกเท่าที่จริง และวัตถุในแก้วน้ำก็ดูผิดรูปหรือแตกหัก
ปรากฏการณ์การหักเหของลำแสงเป็นการหักในวิถีโคจรเป็นเส้นตรงเมื่อข้ามส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุโปร่งใสสองชนิด เมื่อสรุปข้อมูลการทดลองจำนวนมากในช่วงต้นศตวรรษที่ 17 ชาวดัตช์ Willebrord Snell ได้รับนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ซึ่งอธิบายปรากฏการณ์นี้ได้อย่างแม่นยำ นิพจน์นี้มักจะเขียนในรูปแบบต่อไปนี้:
1บาป(θ1)=n2บาป(θ 2)=คอนสต.
ที่นี่ n1, n2 คือดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ในวัสดุที่เกี่ยวข้อง θ1และ θ2 - มุมระหว่างเหตุการณ์กับลำแสงหักเหและตั้งฉากกับระนาบอินเทอร์เฟซซึ่งลากผ่านจุดตัดของลำแสงกับระนาบนี้
สูตรนี้เรียกว่ากฎของ Snell หรือ Snell-Descartes (ชาวฝรั่งเศสเป็นคนเขียนมันในรูปแบบที่นำเสนอ ในขณะที่ Dutchman ไม่ได้ใช้ไซน์ แต่เป็นหน่วยของความยาว)
นอกจากสูตรนี้แล้ว ปรากฏการณ์การหักเหของแสงยังถูกอธิบายโดยกฎอีกข้อหนึ่ง ซึ่งเป็นลักษณะทางเรขาคณิต มันอยู่ในความจริงที่ว่าเครื่องหมายตั้งฉากกับระนาบและรังสีสองเส้น (หักเหและตกกระทบ) อยู่ในระนาบเดียวกัน
ดัชนีหักเหสัมบูรณ์
ค่านี้รวมอยู่ในสูตร Snell และค่าของมันมีบทบาทสำคัญ ในทางคณิตศาสตร์ ดัชนีการหักเหของแสง n สอดคล้องกับสูตร:
n=c/v.
สัญลักษณ์ c คือความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ ประมาณ 3108m/s ค่า v คือความเร็วของแสงในตัวกลาง ดังนั้น ดัชนีการหักเหของแสงสะท้อนปริมาณการชะลอตัวของแสงในตัวกลางเมื่อเทียบกับพื้นที่สุญญากาศ
มีนัยสำคัญสองประการจากสูตรข้างต้น:
- ค่า n มากกว่า 1 เสมอ (สำหรับสุญญากาศ จะเท่ากับหนึ่ง);
- นี่คือปริมาณไม่มีมิติ
ตัวอย่างเช่น ดัชนีหักเหของอากาศคือ 1.00029 ในขณะที่น้ำคือ 1.33
ดัชนีการหักเหของแสงไม่ใช่ค่าคงที่สำหรับสื่อเฉพาะ มันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ยิ่งกว่านั้น สำหรับแต่ละความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มันมีความหมายในตัวเอง ดังนั้น ตัวเลขข้างต้นจึงสอดคล้องกับอุณหภูมิ 20 oC และส่วนสีเหลืองของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ (ความยาวคลื่นประมาณ 580-590 นาโนเมตร)
การพึ่งพาค่าของ n กับความถี่ของแสงนั้นแสดงให้เห็นในการสลายตัวของแสงสีขาวโดยปริซึมเป็นสีต่างๆ เช่นเดียวกับการเกิดรุ้งบนท้องฟ้าในช่วงฝนตกหนัก
ดัชนีการหักเหของแสงในอากาศ
ค่าของมันได้รับข้างต้นแล้ว (1, 00029) เนื่องจากดัชนีการหักเหของอากาศแตกต่างกันเฉพาะในทศนิยมที่สี่จากศูนย์ ดังนั้นสำหรับการแก้ปัญหาในทางปฏิบัติจึงถือได้ว่ามีค่าเท่ากับหนึ่ง ความแตกต่างเล็กน้อยของ n สำหรับอากาศจากความเป็นหนึ่งเดียวกันบ่งชี้ว่าแสงไม่ได้ถูกทำให้ช้าลงโดยโมเลกุลของอากาศ ซึ่งสัมพันธ์กับความหนาแน่นที่ค่อนข้างต่ำ ดังนั้น ความหนาแน่นเฉลี่ยของอากาศคือ 1.225 กก./ม.3 นั่นคือเบากว่าน้ำจืดมากกว่า 800 เท่า
อากาศเป็นสื่อที่บางเฉียบ กระบวนการในการชะลอความเร็วของแสงในวัสดุนั้นเป็นลักษณะของควอนตัมและเกี่ยวข้องกับการดูดกลืนและการปล่อยโฟตอนโดยอะตอมของสสาร
การเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบของอากาศ (เช่น การเพิ่มขึ้นของปริมาณไอน้ำในอากาศ) และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมินำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในตัวบ่งชี้การหักเหของแสง ตัวอย่างที่เด่นชัดคือเอฟเฟกต์ภาพลวงตาในทะเลทราย ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างในดัชนีการหักเหของแสงของชั้นอากาศที่มีอุณหภูมิต่างกัน
กระจก-แอร์อินเทอร์เฟซ
แก้วเป็นสื่อที่มีความหนาแน่นมากกว่าอากาศมาก ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์อยู่ในช่วง 1.5 ถึง 1.66 ขึ้นอยู่กับประเภทของแก้ว หากเราหาค่าเฉลี่ย 1.55 การหักเหของลำแสงที่ส่วนต่อประสานกระจกอากาศสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร:
sin(θ1)/sin(θ2)=n2/ n1=n21=1, 55.
ค่า n21 เรียกว่าดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ของอากาศ - แก้ว ถ้าลำแสงพุ่งออกจากกระจกไปในอากาศ ควรใช้สูตรต่อไปนี้:
sin(θ1)/sin(θ2)=n2/ n1=n21=1/1, 55=0, 645.
หากมุมของลำแสงหักเหในกรณีหลังจะเท่ากับ 90o มุมตกกระทบจะเรียกว่าวิกฤต สำหรับขอบกระจก - อากาศ มันคือ:
θ1=arcsin(0, 645)=40, 17o.
ถ้าลำแสงตกลงบนขอบกระจกอากาศด้วยมุมที่มากกว่า 40, 17o มันจะสะท้อนกลับเข้าไปในกระจกอย่างสมบูรณ์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "การสะท้อนภายในทั้งหมด"
มุมวิกฤตจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อลำแสงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูง (จากแก้วสู่อากาศ แต่ไม่กลับกัน)