Het fenomeen van breking. Brekingsindex van lucht

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-02 17:53

Optica is een van de oudste takken van de natuurkunde. Sinds het oude Griekenland zijn veel filosofen geïnteresseerd in de wetten van beweging en voortplanting van licht in verschillende transparante materialen zoals water, glas, diamant en lucht. Dit artikel bespreekt het fenomeen lichtbreking, met de nadruk op de brekingsindex van lucht.

Het effect van breking van de lichtstraal

Iedereen in zijn leven werd honderden keren geconfronteerd met de manifestatie van dit effect wanneer hij naar de bodem van een reservoir of naar een glas water met een voorwerp erin keek. Tegelijkertijd leek het reservoir niet zo diep als het in werkelijkheid was, en objecten in een glas water zagen er vervormd of gebroken uit.

Het fenomeen van breking van een lichtstraal is een breuk in zijn rechtlijnige traject wanneer het het grensvlak tussen twee transparante materialen kruist. Door een groot aantal experimentele gegevens samen te vatten, ontving de Nederlander Willebrord Snell aan het begin van de 17e eeuw een wiskundige uitdrukking,die dit fenomeen nauwkeurig beschreef. Deze uitdrukking wordt meestal in de volgende vorm geschreven:

₁sin(θ₁)=n₂sin(θ ₂)=const.

Hier zijn n₁, n₂ de absolute brekingsindices van licht in het corresponderende materiaal, θ_{1and θ}2 _{- de hoeken tussen de invallende en gebroken bundels en de loodlijn op het interfacevlak, dat wordt getrokken door het snijpunt van de bundel en dit vlak.}

Deze formule wordt de wet van Snell of Snell-Descartes genoemd (het was de Fransman die het opschreef in de gepresenteerde vorm, terwijl de Nederlander geen sinussen gebruikte, maar lengte-eenheden).

Naast deze formule wordt het fenomeen breking beschreven door een andere wet, die geometrisch van aard is. Het ligt in het feit dat de gemarkeerde loodrecht op het vlak en twee stralen (gebroken en invallend) in hetzelfde vlak liggen.

Absolute brekingsindex

Deze waarde is opgenomen in de Snell-formule en de waarde ervan speelt een belangrijke rol. Wiskundig komt de brekingsindex n overeen met de formule:

n=c/v.

Het symbool c is de snelheid van elektromagnetische golven in vacuüm. Het is ongeveer 310⁸m/s. De waarde v is de lichtsnelheid in het medium. De brekingsindex weerspiegelt dus de mate van vertraging van licht in een medium ten opzichte van een luchtloze ruimte.

Er zijn twee belangrijke implicaties van de bovenstaande formule:

• waarde n is altijd groter dan 1 (voor vacuüm is het gelijk aan één);
• dit is een dimensieloze hoeveelheid.

De brekingsindex van lucht is bijvoorbeeld 1.00029, terwijl het voor water 1,33 is.

De brekingsindex is geen constante waarde voor een bepaald medium. Het hangt af van de temperatuur. Bovendien heeft het voor elke frequentie van een elektromagnetische golf zijn eigen betekenis. De bovenstaande cijfers komen dus overeen met een temperatuur van 20 ^oC en het gele deel van het zichtbare spectrum (golflengte is ongeveer 580-590 nm).

De afhankelijkheid van de waarde van n van de frequentie van licht komt tot uiting in de ontbinding van wit licht door een prisma in een aantal kleuren, evenals in de vorming van een regenboog aan de lucht tijdens zware regenval.

Brekingsindex van licht in lucht

De waarde ervan is hierboven al gegeven (1, 00029). Omdat de brekingsindex van lucht alleen in de vierde decimaal van nul verschilt, kan deze voor het oplossen van praktische problemen als gelijk aan één worden beschouwd. Een klein verschil van n voor lucht van eenheid geeft aan dat licht praktisch niet wordt afgeremd door luchtmoleculen, wat samenhangt met zijn relatief lage dichtheid. De gemiddelde dichtheid van lucht is dus 1,225 kg/m³, dat wil zeggen, het is meer dan 800 keer lichter dan zoet water.

Lucht is een optisch dun medium. Het proces van het vertragen van de lichtsnelheid in een materiaal is van kwantumaard en wordt geassocieerd met de absorptie en emissie van fotonen door de atomen van de materie.

Veranderingen in de samenstelling van de lucht (bijvoorbeeld een toename van het geh alte aan waterdamp erin) en veranderingen in temperatuur leiden tot significante veranderingen in de indicatorbreking. Een treffend voorbeeld is het luchtspiegelingeffect in de woestijn, dat optreedt door het verschil in de brekingsindices van luchtlagen met verschillende temperaturen.

Glas-air-interface

Glas is een veel dichter medium dan lucht. De absolute brekingsindex varieert van 1,5 tot 1,66, afhankelijk van het type glas. Als we de gemiddelde waarde van 1,55 nemen, dan kan de breking van de bundel op het luchtglas-interface worden berekend met behulp van de formule:

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1, 55.

De waarde n₂₁ wordt de relatieve brekingsindex van lucht - glas genoemd. Als de straal uit het glas de lucht in gaat, moet de volgende formule worden gebruikt:

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1/1, 55=0, 645.

Als de hoek van de gebroken bundel in het laatste geval gelijk is aan 90^o, dan wordt de daarmee corresponderende invalshoek kritiek genoemd. Voor het randglas - lucht is het:

θ₁=arcsin(0, 645)=40, 17^o.

Als de straal op de glas-luchtgrens v alt met grotere hoeken dan 40, 17^o, dan wordt deze volledig teruggekaatst in het glas. Dit fenomeen wordt "totale interne reflectie" genoemd.

De kritische hoek bestaat alleen wanneer de straal van een dicht medium beweegt (van glas naar lucht, maar niet omgekeerd).