Dnes prozradíme, jaký je úhel lomu elektromagnetické vlny (tzv. světla) a jak se tvoří její zákony.
Oko, kůže, mozek
Člověk má pět hlavních smyslů. Lékaři rozlišují až jedenáct různých odlišných pocitů (například pocit tlaku nebo bolesti). Ale lidé získávají většinu informací jejich očima. Až devadesát procent dostupných faktů si lidský mozek uvědomuje jako elektromagnetické vibrace. Lidé tedy většinou chápou krásu a estetiku vizuálně. Úhel lomu světla v tom hraje důležitou roli.
Poušť, jezero, déšť
Svět kolem je prostoupen slunečním světlem. Vzduch a voda tvoří základ toho, co mají lidé rádi. Samozřejmě, že vyprahlé pouštní krajiny mají drsnou krásu, ale většinou lidé preferují trochu vlhkosti.
Člověk byl vždy fascinován horskými bystřinami a hladkými nížinnými řekami, klidnými jezery a neustále se valícími vlnami moře, šploucháním vodopádu a chladným snem o ledovcích. Nejednou si každý všiml krásy hry světla v rose na trávě, jiskření jinovatky na větvích, mléčné bělosti mlhy a ponuré krásy nízkých mraků. A všechny tyto efekty se vytvářejídíky úhlu lomu paprsku ve vodě.
Oko, elektromagnetická stupnice, duha
Světlo je kolísání elektromagnetického pole. Vlnová délka a její frekvence určují typ fotonu. Frekvence vibrací určuje, zda se bude jednat o radiovou vlnu, infračervený paprsek, spektrum nějaké barvy viditelné pro člověka, ultrafialové, rentgenové nebo gama záření. Lidé jsou schopni vnímat očima elektromagnetické vibrace o vlnových délkách od 780 (červená) do 380 (fialová) nanometrů. V měřítku všech možných vln zabírá tento úsek velmi malou plochu. To znamená, že lidé nejsou schopni vnímat většinu elektromagnetického spektra. A veškerá krása přístupná člověku je vytvořena rozdílem mezi úhlem dopadu a úhlem lomu na hranici mezi médii.
Vakuum, Slunce, planeta
Fotony jsou emitovány Sluncem jako výsledek termonukleární reakce. Fúze atomů vodíku a zrod helia je doprovázen uvolněním obrovského množství různých částic, včetně světelných kvant. Ve vakuu se elektromagnetické vlny šíří přímočaře a nejvyšší možnou rychlostí. Když světlo vstoupí do průhledného a hustšího prostředí, jako je zemská atmosféra, změní se rychlost svého šíření. V důsledku toho mění směr šíření. Jak moc určuje index lomu. Úhel lomu se vypočítá pomocí Snellova vzorce.
Snellův zákon
Holandský matematik Willebrord Snell pracoval celý život s úhly a vzdálenostmi. Pochopil, jak měřit vzdálenosti mezi městy, jak najít danébod na obloze. Není divu, že našel vzor v úhlech lomu světla.
Vzorec zákona vypadá takto:
- 1sin θ1 =n2sin θ2.
V tomto výrazu mají znaky následující význam:
- 1 a n2 jsou indexy lomu média jedna (ze kterého paprsek dopadá) a média 2 (do něj vstupuje);
- θ1 a θ2 jsou úhel dopadu a lomu světla.
Vysvětlení zákona
Tento vzorec je nutné vysvětlit. Úhly θ znamenají počet stupňů, který leží mezi směrem šíření paprsku a normálou k povrchu v bodě kontaktu světelného paprsku. Proč se v tomto případě používá normální? Protože ve skutečnosti neexistují žádné striktně rovné povrchy. A najít normálu k jakékoli křivce je docela jednoduché. Navíc, pokud je v problému znám úhel mezi hranicí média a dopadajícím paprskem x, pak požadovaný úhel θ je právě (90º-x).
Světlo nejčastěji vstupuje z řidšího (vzduch) do hustšího (voda) prostředí. Čím blíže jsou atomy prostředí k sobě, tím silněji se paprsek láme. Čím je tedy médium hustší, tím větší je úhel lomu. Stává se to ale i naopak: světlo dopadá z vody do vzduchu nebo ze vzduchu do vakua. Za takových okolností může nastat stav, kdy n1sin θ1>n2. To znamená, že celý paprsek se odrazí zpět na první médium. Tento jev se nazývá totální vnitřníodraz. Úhel, při kterém nastanou výše popsané okolnosti, se nazývá mezní úhel lomu.
Co určuje index lomu?
Tato hodnota závisí pouze na vlastnostech látky. Existují například krystaly, u kterých záleží, pod jakým úhlem paprsek vstupuje. Anizotropie vlastností se projevuje v dvojlomu. Existují média, pro která je důležitá polarizace přicházejícího záření. Je třeba také pamatovat na to, že úhel lomu závisí na vlnové délce dopadajícího záření. Právě na tomto rozdílu je založen experiment s rozdělením bílého světla na duhu hranolem. Je třeba poznamenat, že teplota média také ovlivňuje index lomu záření. Čím rychleji atomy krystalu vibrují, tím více se deformuje jeho struktura a schopnost měnit směr šíření světla.
Příklady hodnoty indexu lomu
Pro známá prostředí dáváme různé hodnoty:
- Sůl (chemický vzorec NaCl) jako minerál se nazývá „halit“. Jeho index lomu je 1,544.
- Úhel lomu skla se vypočítá z jeho indexu lomu. V závislosti na typu materiálu se tato hodnota pohybuje mezi 1,487 a 2,186.
- Diamant je známý právě hrou světla v něm. Klenotníci při řezání zohledňují všechny jeho roviny. Index lomu diamantu je 2,417.
- Voda očištěná od nečistot má index lomu 1,333. H2O je velmi dobré rozpouštědlo. V přírodě tedy není chemicky čistá voda. Každá studna, každá řeka je charakteristickásvým složením. Proto se mění i index lomu. Ale k řešení jednoduchých školních problémů můžete použít tuto hodnotu.
Jupiter, Saturn, Callisto
Až dosud jsme mluvili o kráse pozemského světa. Takzvané normální podmínky znamenají velmi specifickou teplotu a tlak. Ve sluneční soustavě jsou ale i jiné planety. Jsou tam docela odlišné krajiny.
Například na Jupiteru je možné pozorovat zákal argonu v oblacích metanu a héliových proudech. Rentgenové polární záře jsou tam také běžné.
Na Saturnu pokrývají vodíkovou atmosféru etanové mlhy. Na spodních vrstvách planety prší diamant z velmi horkých metanových mračen.
Avšak Jupiterův skalnatý zamrzlý měsíc Callisto má vnitřní oceán bohatý na uhlovodíky. Možná v jeho hlubinách žijí bakterie požírající síru.
A v každé z těchto krajin vytváří hra světla na různých površích, hranách, římsách a oblacích krásu.
