Refractie

lichtbreking kan op veel plaatsen in ons dagelijks leven worden waargenomen. Het laat objecten onder een wateroppervlak dichterbij lijken dan ze werkelijk zijn. Het is wat optische lenzen zijn gebaseerd op, waardoor voor instrumenten zoals bril, camera ‘ s, verrekijker, microscopen, en het menselijk oog. Breking is ook verantwoordelijk voor een aantal natuurlijke optische verschijnselen, waaronder regenbogen en luchtspiegelingen.,

algemene uitleg

een correcte verklaring van breking bestaat uit twee afzonderlijke delen, beide een gevolg van de golfaard van licht.

1. licht vertraagt als het door een ander medium dan vacuüm (zoals lucht, glas of water) reist. Dit komt niet door verstrooiing of absorptie., Het is eerder omdat, als een elektromagnetische oscillatie, licht zelf veroorzaakt andere elektrisch geladen deeltjes zoals elektronen, te oscilleren. De oscillerende elektronen zenden hun eigen elektromagnetische golven uit die interageren met het oorspronkelijke licht. De resulterende “gecombineerde” Golf heeft golfpakketten die een waarnemer in een langzamer tempo passeren. Het licht is effectief vertraagd. Wanneer het licht terugkeert naar een vacuüm en er geen elektronen in de buurt zijn, eindigt dit vertragende effect en keert de snelheid terug naar c.,
2. wanneer licht het medium binnenkomt, verlaat of verandert, reist het in een hoek, wordt de ene of de andere kant van het golffront vertraagd voor de andere. Deze asymmetrische vertraging van het licht zorgt ervoor dat het de reishoek verandert. Zodra licht zich in het nieuwe medium bevindt met constante eigenschappen, reist het weer in een rechte lijn.

verklaring voor vertraging van het licht in een medium

zoals hierboven beschreven, is de snelheid van het licht langzamer in een medium anders dan vacuüm. Deze vertraging geldt voor elk medium zoals lucht, water of glas, en is verantwoordelijk voor verschijnselen zoals breking., Wanneer licht het medium verlaat en terugkeert naar een vacuüm, en de effecten van de zwaartekracht negeert, keert zijn snelheid terug naar de gebruikelijke lichtsnelheid in een vacuüm, c.

gemeenschappelijke verklaringen voor deze vertraging, gebaseerd op het idee van lichtverstrooiing uit, of wordt geabsorbeerd en opnieuw uitgezonden door atomen, zijn beide onjuist. Verklaringen als deze zouden een “vervagend” effect veroorzaken in het resulterende licht, omdat het niet langer in slechts één richting zou reizen. Maar dit effect wordt niet gezien in de natuur.

een meer correcte verklaring berust op de aard van licht als een elektromagnetische golf., Omdat licht een oscillerende elektrische / magnetische golf is, zorgt licht dat zich verplaatst in een medium ervoor dat de elektrisch geladen elektronen van het materiaal ook oscilleren. (De protonen van het materiaal oscilleren ook, maar omdat ze ongeveer 2000 keer zwaarder zijn, is hun beweging en dus hun effect veel kleiner). Een bewegende elektrische lading zendt zelf elektromagnetische golven uit. De elektromagnetische golven uitgezonden door de oscillerende elektronen, interageren met de elektromagnetische golven die deel uitmaken van het oorspronkelijke licht, vergelijkbaar met watergolven op een vijver, een proces dat bekend staat als constructieve interferentie., Wanneer twee golven op deze manier interfereren, kan de resulterende “gecombineerde” Golf golfpakketten hebben die een waarnemer langzamer passeren. Het licht is effectief vertraagd. Wanneer het licht het materiaal verlaat, vindt deze interactie met elektronen niet meer plaats, waardoor de golfpakketsnelheid (en dus de snelheid ervan) weer normaal wordt.

verklaring voor het buigen van licht bij het binnenkomen en verlaten van een medium

overweeg een golf die van het ene materiaal naar het andere gaat en waarvan de snelheid lager is dan in de figuur., Als het de interface tussen de materialen onder een hoek bereikt, zal één kant van de golf het tweede materiaal eerst bereiken en dus eerder vertragen. Als de ene kant van de Golf langzamer gaat zal de hele golf naar die kant draaien. Dit is de reden waarom een golf zal wegbuigen van het oppervlak of in de richting van de normale bij het gaan in een langzamer materiaal. In het tegenovergestelde geval van een golf die een materiaal bereikt waar de snelheid hoger is, zal één kant van de Golf versnellen en zal de golf van die kant wegdraaien.,

een andere manier om hetzelfde te begrijpen is om de verandering in Golflengte aan de interface te overwegen. Wanneer de golf van het ene materiaal naar het andere gaat waar de golf een andere snelheid v heeft, zal de frequentie f van de Golf hetzelfde blijven, maar de afstand tussen golfvlakken Of golflengte λ=v/f zal veranderen. Als de snelheid wordt verlaagd, zoals in de figuur aan de rechterkant, zal de golflengte ook afnemen. Met een hoek tussen de golffronten en de interface en verandering in afstand tussen de golffronten moet de hoek over de interface veranderen om de golffronten intact te houden., Uit deze overwegingen kan de relatie tussen de invalshoek θ1, de transmissiehoek θ2 en de golfsnelheden v1 en v2 in de twee materialen worden afgeleid. Dit is de wet van breking of de wet van Snell en kan worden geschreven als

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

het fenomeen van breking kan op een meer fundamentele manier worden afgeleid uit de 2-of 3-dimensionale golfvergelijking., De grensvoorwaarde aan de interface vereist dan dat de tangentiële component van de golfvector identiek is aan de twee zijden van de interface. Aangezien de grootte van de golfvector afhankelijk is van de golfsnelheid vereist dit een verandering in de richting van de golfvector.

de relevante golfsnelheid in de bovenstaande discussie is de fasesnelheid van de Golf. Dit ligt meestal dicht bij de groeps snelheid die gezien kan worden als de ware snelheid van een golf, maar wanneer deze verschillen is het belangrijk om de fasesnelheid te gebruiken in alle berekeningen met betrekking tot breking.,

een golf die loodrecht op een grens loopt, d.w.z. waarvan de golfvlakken evenwijdig zijn aan de grens, zal niet van richting veranderen, zelfs niet als de snelheid van de Golf verandert.

Refractiewet

voor licht wordt de brekingsindex n van een materiaal vaker gebruikt dan de golffasesnelheid v in het materiaal. Ze zijn echter direct gerelateerd door de lichtsnelheid in vacuüm C als

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

in de optica wordt de brekingswet daarom meestal geschreven als

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

refractie in een wateroppervlak

refractie treedt op wanneer licht door een wateroppervlak gaat, aangezien water een brekingsindex heeft van 1,33 en lucht een brekingsindex heeft.index van ongeveer 1., Kijkend naar een recht object, zoals een potlood in de figuur hier, dat gedeeltelijk in het water schuin is geplaatst, lijkt het object aan het wateroppervlak te buigen. Dit is te wijten aan het buigen van lichtstralen als ze bewegen van het water naar de lucht. Zodra de stralen het oog bereiken, het oog traceert ze terug als rechte lijnen (lijnen van het zicht). De zichtlijnen (weergegeven als gestippelde lijnen) snijden elkaar op een hogere positie dan waar de werkelijke stralen vandaan kwamen. Dit zorgt ervoor dat het potlood hoger lijkt en het water ondieper dan het werkelijk is.,

de diepte die het water van bovenaf lijkt te zijn staat bekend als de schijnbare diepte. Dit is een belangrijke overweging voor het onderwatervissen, omdat het de doelvis op een andere plaats zal doen lijken en de visser lager moet richten om de vis te vangen. Omgekeerd, een object boven het water heeft een hogere schijnbare hoogte wanneer bekeken van onder het water. De tegenovergestelde correctie moet worden gemaakt door een boogschutter vis.,

voor kleine invalshoeken (gemeten vanaf de normale waarde, wanneer sin θ ongeveer gelijk is aan tan θ) is de verhouding tussen de schijnbare en reële diepte de verhouding tussen de brekingsindexen van lucht en die van water. Maar naarmate de invalshoek 90o nadert, nadert de schijnbare diepte nul, hoewel reflectie toeneemt, wat observatie bij hoge invalshoeken beperkt., Omgekeerd nadert de schijnbare hoogte de oneindigheid naarmate de invalshoek (van onderaf) toeneemt, maar zelfs eerder wanneer de hoek van de totale interne reflectie wordt benaderd, hoewel het beeld ook uit het zicht verdwijnt naarmate deze grens wordt benaderd.

dispersie

refractie is ook verantwoordelijk voor regenbogen en voor de splitsing van wit licht in een regenboogspectrum wanneer het door een glazen prisma gaat., Glas heeft een hogere brekingsindex dan lucht. Wanneer een bundel wit licht van lucht overgaat in een materiaal met een brekingsindex die varieert met de frequentie, treedt een fenomeen op dat bekend staat als dispersie, waarbij verschillende gekleurde componenten van het witte licht onder verschillende hoeken worden gebroken, dat wil zeggen, ze buigen door verschillende hoeveelheden op het snijvlak, zodat ze gescheiden worden. De verschillende kleuren komen overeen met verschillende frequenties.,

Atmosferische breking

De brekingsindex van lucht is afhankelijk van de luchtdichtheid en varieert dus met de luchttemperatuur en-druk. Omdat de druk op grotere hoogten lager is, is de brekingsindex ook lager, waardoor lichtstralen naar het aardoppervlak breken wanneer ze lange afstanden door de atmosfeer reizen., Dit verschuift de schijnbare posities van sterren lichtjes als ze dicht bij de horizon staan en maakt de zon zichtbaar voordat deze geometrisch boven de horizon komt tijdens een zonsopgang.

temperatuurschommelingen in de lucht kunnen ook lichtbreking veroorzaken. Dit kan worden gezien als een heat waas wanneer warme en koude lucht wordt gemengd, bijvoorbeeld boven een brand, in de uitlaat van de motor, of bij het openen van een raam op een koude dag., Dit maakt objecten bekeken door de gemengde lucht lijken te glinsteren of bewegen willekeurig als de warme en koude lucht beweegt. Dit effect is ook zichtbaar door normale variaties in de luchttemperatuur tijdens een zonnige dag bij het gebruik van telelens met hoge vergroting en beperkt vaak de beeldkwaliteit in deze gevallen. Op dezelfde manier geeft atmosferische turbulentie snel wisselende vervormingen in de beelden van astronomische telescopen die de resolutie beperken van terrestrische telescopen die geen gebruik maken van adaptieve optica of andere technieken om deze atmosferische vervormingen te overwinnen.,

luchttemperatuurvariaties dicht bij het oppervlak kunnen aanleiding geven tot andere optische verschijnselen, zoals mirages en Fata Morgana. Meestal, lucht verwarmd door een warme weg op een zonnige dag buigt licht naderen onder een ondiepe hoek naar een kijker. Dit zorgt ervoor dat de weg reflecteert, wat een illusie geeft van water dat de weg bedekt.,

klinische significantie

in de geneeskunde, met name optometrie, oogheelkunde en orthoptiek, is refractie (ook bekend als refractometrie) een klinische test waarbij een phoropter kan worden gebruikt door de juiste oogverzorger om de brekingsfout van het oog te bepalen en de beste voor te schrijven corrigerende lenzen. Een reeks testlenzen in gesorteerde optische vermogens of brandpuntsafstanden worden gepresenteerd om te bepalen welke het scherpste, helderste zicht biedt.,

galerij