Заломлення
Преломлення(рефракція) — зміна напрямку променя (хвилі), що виникає на межі двох середовищ, через які цей промінь проходить [1] або в одному середовищі, але з мінливими властивостями, в якому швидкість поширення хвилі неоднакова [2] .
Феномен заломлення пояснюється законами збереження енергії та збереження імпульсу. При змініпередаючого середовищазмінюється швидкість хвилі, та її частота залишається такою ж. Заломлення світла через скло або воду — найпростіший і очевидніший приклад спотворення променя, але закони заломлення дійсні для будь-яких хвиль — електромагнітних, акустичних і навіть морських. У випадку закон заломлення описується «Законом Снелліуса».
Терміни «рефракція» і «заломлення» взаємозамінні [2] ; Зазвичай термін «рефракція» частіше вживається для опису випромінювання в середовищах, показник заломлення в яких від точки до точки змінюється плавно (траєкторія променя має вигляд плавно викривленої лінії), тоді як термін «заломлення» частіше використовується для опису різкої зміни траєкторії променя. на межі середовищ через високу різницю в їх показниках заломлення [2] . Діє при цьому той самий закон — залежність швидкості хвилі від показника заломлення конкретного середовища.
Іноді специфіка передавальної середовища чи джерела випромінювання вимагає виділити дослідження цієї рефракції в особливий розділ. Так, рефракцію людського ока вивчає офтальмологія, тоді як рефракцію звуку у воді вивчає гідроакустика, рефракцію небесних світил – астрономія тощо.
Вивчення законів заломлення має фундаментальне значення для науки та техніки. Їх застосування у різних галузях знань дозволяє створювати точні оптичні прилади (телескопи,мікроскопи, фотоапарати, кінокамери, окуляри, контактні лінзи тощо), досліджувати хімічну структуру сполук та визначати склад хімічних сумішей [3] , отримувати точні геодезичні та астрономічні координати [4] , створювати оптимальні системи зв'язку та багато іншого.
Зміст
Заломлення спостерігається, коли фазові швидкості електромагнітних хвиль контактуючих середовищах різняться (див. показник заломлення). У цьому випадку повне значення швидкості хвилі має бути різним по різні боки межі поділу середовищ. Однак якщо простежити рух, наприклад, гребеня хвилі вздовж кордону розділу — то відповідна швидкість повинна бути однаковою для обох «половинок» хвилі (оскільки при перетині кордону максимум хвилі залишається максимумом, і навпаки; тобто можна говорити про синхронізацію хвилі, що падає і минула, у всіх точках кордону, див. верхній рисунок). З простої геометричної побудови отримуємо, що швидкість руху точки перетину гребеня v α > з лінією, нахиленою до напрямку поширення хвилі під кутом α , дорівнюватиме v α = v / sin α =v/\sin \alpha > , де v - Швидкість поширення хвилі.
Це ясно з того, що, поки гребінь хвилі пройде в напрямку свого поширення (тобто перпендикулярно гребеню) відстань, рівну катету трикутника, точка перетину гребеня з кордоном пройде відстань, рівну гіпотенузі, а відношення цих відстаней, рівне синусу кута, і є відношення швидкостей.
Тоді, прирівнявши швидкості вздовж межі розділу для хвиль, що падає і минула, отримаємо v 1 / sin α = v 2 / sin β /\sin \alpha =v_/\sin \beta > , що еквівалентно закону Снелла, оскільки показник заломлення визначається як відношення швидкості електромагнітного випромінювання у вакуумі до швидкостіелектромагнітного випромінювання в середовищі: n 1 = c / v 1 , n 2 = c / v 2 = c/v_,
У результаті межі розділу двох середовищ спостерігається заломлення променя, якісно що полягає у цьому, що кути до нормалі до межі розділу середовищ для падаючого і заломленого променя відрізняються друг від друга, тобто хід променя замість прямого стає ламаним — промінь заломлюється.
Зауважимо, що практично тотожним способом виведення закону Снелла є побудова хвилі, що минула, за допомогою принципу Гюйгенса — Френеля (див. малюнок).
При русі хвилі середах із різними показниками заломлення її частота зберігається, а довжина хвилі змінюється пропорційно швидкості.
В ізотропному середовищі для синусоїдальної хвилі, що характеризується частотою і хвильовим вектором, перпендикулярним напряму поширення хвилі, міркування, що складова хвильового вектора, паралельна межі розділу, повинна бути однаковою до і після проходження цього кордону, призводять до такого ж виду закону заломлення.
Додатково варто відзначити, що хвильовий вектор фотона дорівнює вектору його імпульсу, поділеному на постійну Планку, і це дає можливість природної фізичної інтерпретації закону Снелла як збереження проекції імпульсу фотона на межу розділу середовищ, що перетинається ним.
Тісно пов'язані з заломленням таке явище, як відбиток межі розділу прозорих середовищ. У певному сенсі це дві сторони того самого явища.
Явище повного внутрішнього відображення (ППО) пов'язане з тим, що заломленої хвилі, яка б задовольняла закон Снелла, для деяких кутів падіння не існує. Це означає, що виникає лише відбита хвиля і, отже, хвиля відбивається повністю. ППО можливе при падінні хвилі з середовища, де хвиля поширюється з меншою фазовоюшвидкістю (більшим показником заломлення), на кордон із середовищем з більшою фазовою швидкістю поширення такої хвилі (меншим показником заломлення).
При поступовому збільшенні кута падіння по відношенню до нормалі, у якийсь момент заломлений промінь збігається з межею поділу середовищ, а потім зникає – залишається лише відбитий промінь.
Якщо вертикально поляризована хвиля падає на поверхню розділу під кутом Брюстера, то спостерігатиметься ефект повного заломлення - відбита хвиля буде відсутня.