Rifrazione

La rifrazione della luce può essere vista in molti luoghi della nostra vita quotidiana. Rende gli oggetti sotto una superficie d’acqua appaiono più vicini di quanto non siano realmente. È su ciò che si basano le lenti ottiche, consentendo strumenti come occhiali, macchine fotografiche, binocoli, microscopi e l’occhio umano. La rifrazione è anche responsabile di alcuni fenomeni ottici naturali tra cui arcobaleni e miraggi.,

Spiegazione generale

Una corretta spiegazione della rifrazione coinvolge due parti separate, entrambe dovute alla natura ondulatoria della luce.

1. La luce rallenta mentre viaggia attraverso un mezzo diverso dal vuoto (come aria, vetro o acqua). Questo non è a causa di dispersione o assorbimento., Piuttosto è perché, come oscillazione elettromagnetica, la luce stessa fa oscillare altre particelle cariche elettricamente come gli elettroni. Gli elettroni oscillanti emettono le proprie onde elettromagnetiche che interagiscono con la luce originale. L’onda “combinata” risultante ha pacchetti d’onda che passano un osservatore a una velocità più lenta. La luce è stata effettivamente rallentata. Quando la luce ritorna nel vuoto e non ci sono elettroni nelle vicinanze, questo effetto di rallentamento termina e la sua velocità ritorna a c.,
2. Quando la luce entra, esce o cambia il mezzo in cui viaggia, ad un angolo, un lato o l’altro del fronte d’onda viene rallentato prima dell’altro. Questo rallentamento asimmetrico della luce fa sì che cambi l’angolo della sua corsa. Una volta che la luce è all’interno del nuovo mezzo con proprietà costanti, viaggia di nuovo in linea retta.

Spiegazione per il rallentamento della luce in un mezzo

Come descritto sopra, la velocità della luce è più lenta in un mezzo diverso dal vuoto. Questo rallentamento si applica a qualsiasi mezzo come aria, acqua o vetro ed è responsabile di fenomeni come la rifrazione., Quando la luce lascia il mezzo e ritorna nel vuoto, e ignorando qualsiasi effetto della gravità, la sua velocità ritorna alla solita velocità della luce nel vuoto, c.

Le spiegazioni comuni per questo rallentamento, basate sull’idea di dispersione della luce da, o essere assorbite e riemesse dagli atomi, sono entrambe errate. Spiegazioni come queste causerebbero un effetto di “sfocatura” nella luce risultante, poiché non viaggierebbe più in una sola direzione. Ma questo effetto non è visto in natura.

Una spiegazione più corretta si basa sulla natura della luce come onda elettromagnetica., Poiché la luce è un’onda elettrica/magnetica oscillante, la luce che viaggia in un mezzo fa oscillare anche gli elettroni elettricamente carichi del materiale. (Anche i protoni del materiale oscillano, ma poiché sono circa 2000 volte più massicci, il loro movimento e quindi il loro effetto è molto più piccolo). Una carica elettrica in movimento emette onde elettromagnetiche proprie. Le onde elettromagnetiche emesse dagli elettroni oscillanti, interagiscono con le onde elettromagnetiche che compongono la luce originale, simile alle onde d’acqua su uno stagno, un processo noto come interferenza costruttiva., Quando due onde interferiscono in questo modo, l’onda “combinata” risultante può avere pacchetti d’onda che passano un osservatore a una velocità più lenta. La luce è stata effettivamente rallentata. Quando la luce lascia il materiale, questa interazione con gli elettroni non avviene più, e quindi la velocità del pacchetto d’onda (e quindi la sua velocità) ritorna normale.

Spiegazione per la flessione della luce mentre entra ed esce da un mezzo

Considera un’onda che va da un materiale all’altro dove la sua velocità è più lenta come nella figura., Se raggiunge l’interfaccia tra i materiali con un angolo, un lato dell’onda raggiungerà prima il secondo materiale e quindi rallenterà prima. Con un lato dell’onda che va più lentamente l’intera onda ruoterà verso quel lato. Questo è il motivo per cui un’onda si piega lontano dalla superficie o verso il normale quando si entra in un materiale più lento. Nel caso opposto di un’onda che raggiunge un materiale in cui la velocità è più alta, un lato dell’onda accelererà e l’onda ruoterà lontano da quel lato.,

Un altro modo per capire la stessa cosa è considerare il cambiamento di lunghezza d’onda all’interfaccia. Quando l’onda passa da un materiale all’altro dove l’onda ha una velocità diversa v, la frequenza f dell’onda rimarrà la stessa, ma la distanza tra i fronti d’onda o la lunghezza d’onda λ=v/f cambierà. Se la velocità è diminuita, come nella figura a destra, anche la lunghezza d’onda diminuirà. Con un angolo tra i fronti d’onda e l’interfaccia e il cambiamento di distanza tra i fronti d’onda, l’angolo deve cambiare sull’interfaccia per mantenere intatti i fronti d’onda., Da queste considerazioni si può ricavare la relazione tra l’angolo di incidenza θ1, l’angolo di trasmissione θ2 e le velocità d’onda v1 e v2 nei due materiali. Questa è la legge di rifrazione o la legge di Snell e può essere scritta come

sin sin θ 1 sin sin θ 2 = v 1 v 2 {\displaystyle {\frac {\sin \ theta _ {1}} {\sin \theta _{2}}}={\frac {v_{1}} {v_{2}}}}.

Il fenomeno della rifrazione può in modo più fondamentale essere derivato dall’equazione d’onda 2 o 3-dimensionale., La condizione al contorno all’interfaccia richiederà quindi che la componente tangenziale del vettore d’onda sia identica sui due lati dell’interfaccia. Poiché la grandezza del vettore d’onda dipende dalla velocità dell’onda, ciò richiede un cambiamento di direzione del vettore d’onda.

La velocità d’onda rilevante nella discussione sopra è la velocità di fase dell’onda. Questo è tipicamente vicino alla velocità di gruppo che può essere vista come la velocità più vera di un’onda, ma quando differiscono è importante usare la velocità di fase in tutti i calcoli relativi alla rifrazione.,

Un’onda che viaggia perpendicolare a un confine, cioè che ha i suoi fronti d’onda paralleli al confine, non cambierà direzione anche se la velocità dell’onda cambia.

Legge di rifrazione

Per la luce, l’indice di rifrazione n di un materiale è più spesso utilizzato rispetto alla velocità di fase dell’onda v nel materiale. Sono, tuttavia, direttamente correlati attraverso la velocità della luce nel vuoto c come

n = c v {\displaystyle n={\frac {c}{v}}} .,

In ottica, quindi, la legge di rifrazione è tipicamente scritta come

n 1 sin θ θ 1 = n 2 sin sin θ 2 {\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}} .

Rifrazione in una superficie d’acqua

Rifrazione si verifica quando la luce passa attraverso una superficie d’acqua in quanto l’acqua ha un indice di rifrazione di 1,33, e l’aria ha un indice di rifrazione di circa 1., Guardando un oggetto dritto, come una matita nella figura qui, che è posto ad un’inclinazione, parzialmente nell’acqua, l’oggetto sembra piegarsi sulla superficie dell’acqua. Ciò è dovuto alla flessione dei raggi di luce mentre si spostano dall’acqua all’aria. Una volta che i raggi raggiungono l’occhio, l’occhio li ricalca come linee rette (linee di vista). Le linee di vista (mostrate come linee tratteggiate) si intersecano in una posizione più alta rispetto a dove hanno avuto origine i raggi reali. Ciò fa sì che la matita appaia più alta e l’acqua appaia meno profonda di quanto non sia in realtà.,

La profondità che l’acqua sembra essere visto dall’alto è noto come la profondità apparente. Questa è una considerazione importante per la pesca subacquea dalla superficie perché farà il pesce bersaglio sembrano essere in un posto diverso, e il pescatore deve puntare più in basso per catturare il pesce. Al contrario, un oggetto sopra l’acqua ha un’altezza apparente maggiore se visto da sotto l’acqua. La correzione opposta deve essere fatta da un pesce arciere.,

Per piccoli angoli di incidenza (misurati dal normale, quando sin θ è approssimativamente uguale a tan θ), il rapporto tra profondità apparente e reale è il rapporto tra gli indici di rifrazione dell’aria e quello dell’acqua. Ma, quando l’angolo di incidenza si avvicina a 90o, la profondità apparente si avvicina a zero, anche se la riflessione aumenta, il che limita l’osservazione ad alti angoli di incidenza., Al contrario, l’altezza apparente si avvicina all’infinito quando aumenta l’angolo di incidenza (dal basso), ma anche prima, quando si avvicina l’angolo di riflessione interna totale, anche se l’immagine svanisce anche dalla vista quando si avvicina questo limite.

Dispersione

La rifrazione è anche responsabile degli arcobaleni e della divisione della luce bianca in uno spettro arcobaleno mentre passa attraverso un prisma di vetro., Il vetro ha un indice di rifrazione più alto dell’aria. Quando un fascio di luce bianca passa dall’aria in un materiale con un indice di rifrazione che varia con la frequenza, si verifica un fenomeno noto come dispersione, in cui diversi componenti colorati della luce bianca vengono rifratti a diversi angoli, cioè si piegano di quantità diverse all’interfaccia, in modo che si separino. I diversi colori corrispondono a diverse frequenze.,

Rifrazione atmosferica

Le variazioni di temperatura nell’aria possono anche causare la rifrazione della luce. Questo può essere visto come una foschia di calore quando l’aria calda e fredda è mescolata ad esempio sopra un fuoco, nello scarico del motore, o quando si apre una finestra in una giornata fredda., Questo rende gli oggetti visti attraverso l’aria mista sembrano brillare o muoversi in modo casuale come l’aria calda e fredda si muove. Questo effetto è visibile anche dalle normali variazioni della temperatura dell’aria durante una giornata di sole quando si utilizzano teleobiettivi ad alto ingrandimento e spesso limita la qualità dell’immagine in questi casi. In modo simile, la turbolenza atmosferica dà distorsioni rapidamente variabili nelle immagini dei telescopi astronomici che limitano la risoluzione dei telescopi terrestri che non utilizzano l’ottica adattiva o altre tecniche per superare queste distorsioni atmosferiche.,

Le variazioni di temperatura dell’aria vicino alla superficie possono dare origine ad altri fenomeni ottici, come miraggi e Fata Morgana. Più comunemente, l’aria riscaldata da una strada calda in una giornata di sole devia la luce che si avvicina ad un angolo poco profondo verso uno spettatore. Questo fa apparire la strada riflettente, dando l’illusione di acqua che copre la strada.,

Significato clinico

In medicina, in particolare optometria, oftalmologia e ortottica, la rifrazione (nota anche come rifrattometria) è un test clinico in cui un phoropter può essere utilizzato dall’oculista appropriato per determinare l’errore di rifrazione dell’occhio e le migliori lenti correttive da prescrivere. Una serie di lenti di prova in potenze ottiche graduate o lunghezze focali sono presentati per determinare quale fornisce la più nitida, visione più chiara.,

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