Отклонение светового пучка в оптике¶
Отклонение распространяющегося в среде светового пучка — это изменение направления распространения луча света при переходе из одной среды в другую или при неоднородности оптической среды. В кроссвордной сетке на девятибуквенный вопрос об отклонении распространяющегося в среде светового пучка ответом является слово «рефракция» (от лат. refractio — «разлом», «перелом»), обозначающее преломление света на границе двух прозрачных сред с разными показателями преломления.
¶Физическая природа явления
Преломление света возникает из-за того, что скорость электромагнитной волны в различных средах различается. В вакууме скорость света составляет около 299 792 458 м/с, в воде она примерно в 1,33 раза меньше, в стекле — в 1,5—1,7 раза. Когда волновое фронт пересекает границу раздела двух сред под углом, отличным от нормали, разные его части входят в новую среду в разное время и с разной скоростью, что приводит к изменению направления распространения.
Количественно явление описывается законом Снеллиуса (законом преломления), открытым в 1621 году голландским математиком Виллебродом Снеллиусом и независимо сформулированным французским учёным Рене Декартом в 1637 году:
n₁ · sin α = n₂ · sin β
где n₁ и n₂ — показатели преломления первой и второй среды, α — угол падения, β — угол преломления. Показатель преломления среды определяется отношением скорости света в вакууме к его фазовой скорости в данной среде.
¶Условия и особые случаи
При падении луча перпендикулярно границе раздела (α = 0) направление луча не меняется, хотя скорость его распространения меняется. При увеличении угла падения угол преломления также растёт, но если среда оптически более плотная (n₂ > n₁), угол преломления всегда меньше угла падения, и луч отклоняется к нормали.
При переходе из оптически плотной среды в менее плотную (например, из воды в воздух) при угле падения, превышающем некоторое критическое значение, возникает полное внутреннее отражение — свет полностью возвращается в исходную среду. Критический угол для границы вода—воздух составляет около 48,6°, для границы стекло—воздух — около 41—42° в зависимости от марки стекла.
¶Практическое значение
Преломление лежит в основе работы большинства оптических приборов:
- Линзы — собирающие и рассеивающие — формируют изображения в зрительных приборах, фотоаппаратах, микроскопах и телескопах.
- Призмы — используются для разделения белого света на спектр (дисперсия) и в биноклях с призменной системой.
- Волоконная оптика — световоды работают на принципе полного внутреннего отражения, что позволяет передавать сигналы на большие расстояния.
- Атмосферная оптика — преломление в слоях атмосферы с разной плотностью вызывает явление миража, а также эффект «предзакатного» смещения видимого положения Солнца.
¶Дисперсия
Показатель преломления вещества зависит от длины волны света — это явление называется дисперсией. Коротковолновый (фиолетовый) свет преломляется сильнее, чем длинноволновый (красный). Именно поэтому белый свет, проходящий через призму, раскладывается в спектр, впервые продемонстрированное Исааком Ньютоном в 1666 году. В атмосфере дисперсия преломления responsible за образование радуги, где каждая капля воды выступает в роли микропризмы.
¶Связь с другими явлениями
Преломление тесно связано с дифракцией (огибанием препятствий) и интерференцией — волновыми свойствами света. В кристаллах с анизотропными свойствами возникает двойное преломление (плеохроизм), когда луч расщепляется на два луча с разной поляризацией — ординарный и экстраординарный. Это явление используется в поляризационных фильтрах и в минералогии для определения минералов.
Когерентные источники света — лазеры — при прохождении через среды также подчиняются закону Снеллиуса, однако в нелинейных средах при высоких интенсивностях возможны дополнительные эффекты, такие как самофокусировка, когда интенсивность светового пучка изменяет показатель преломления среды и пучок фокусируется подобно действию нелинейной линзы.
¶Историческая справка
Явление преломления было известно ещё в Древней Греции: Клавдий Птолемей в II веке н. э. составил таблицу углов падения и преломления для перехода воздух—вода, хотя и не сформулировал точного закона. Арабский учёный Ибн Сахл в X веке описал закон преломления в трактате о зеркалах и линзах, предвосхитив формулировку Снеллиуса почти на 600 лет. Ибн аль-Хайсам (Альхазен) в «Книге об оптике» (XI век) подробно исследовал преломление света в воде и стекле.
История русской оптической науки связана с именами М. В. Ломоносова, изучавшего атмосферные явления, и Д. С. Рождественского, создавшего в начале XX века крупнейшую в России лабораторию по исследованию тонких плёнок и интерференции.
Источники:
- Франкфурт А. Л. «Оптика»
- Ландсберг Г. С. «Элементарный учебник физики»
- Борн М., Вольф Э. «Основы оптики»
- Савельев И. В. «Курс общей физики»