Odbicie i załamanie światła

Światło może być reprezentowane przez promień, który przekazuje nam informację o ruchu światła - jego kierunku i zwrocie. Zagadnienia odbicia i załamania światła opisują jakim zmianom podlega światło, reprezentowane przez ów promień kiedy znajdzie się na granicy ośrodków o różnej prędkości rozchodzenia się w nich światła.

Pokaż dlaczego dochodzi do zjawiska załamania światła?


I. Teoria:

O prędkości światła
Prędkość światła w próżni jest stała i jest maksymalną możliwą prędkością z jaką cząstki we wszechświecie mogą się poruszać*, oznaczamy ją literą `c` i wynosi:

`c = 299 792 458 text(m)/text(s)`.

W rzeczywistości światło nie porusza się ze swoją maksymalną prędkością.

Światło przechodząc przez ośrodek pobudza do drgań ładunki elektryczne w nim zawarte, co zmniejsza jego amplitudę. Pobudzone ładunki wracając do stanu równowagi emitują falę (świetlną), która jest opóźniona w stosunku do fali pobudzającej. Powoduje pozorne zmniejszenie prędkości światła (cząsteczki światła - fotony nadal podróżują z c = 299 792 458 m/s) i rzeczywiste zmniejszenie prędkości fali świetlnej.

Tak więc światło przechodzące między dwoma różnymi pod względem właściwości fizycznych ośrodkami będzie miało w nich różną prędkość.


Zasada Huygensa

Każdy punkt ośrodka, do którego dotarło czoło fali można uważać za źródło nowej fali kulistej. Fale te zwane są falami cząstkowymi i interferują ze sobą. Wypadkową powierzchnię falową tworzy powierzchnia styczna do wszystkich powierzchni fal cząstkowych i ją właśnie obserwujemy w ośrodku.


W najprostszym wypadku wygląda to tak:




II. Wyjaśnienie:

Czoło fali dociera do ośrodka stopniowo i równomiernie (jak widać na powyższym rysunku). Również ciągle w miejscu zetknięcia fali z drugim ośrodkiem powstaje fala kulista.



W powyższym przykładzie, czoło fali dociera od lewej do prawej strony do powierzchni płaszczyzny ośrodka. Tak więc te fala cząstkowe, które dotarły do ośrodka później (po prawej) emitują czoło fali cząstkowej z opóźnieniem względem tych, które dotarły wcześniej (po lewej).

Niech na poniższych rysunkach:
d - Czarna kreska oznacza drogę jaką przebywa światło w czasie t w ośrodku "górnym".
R - Promień pomarańczowego okręgu jest równy drodze jaką przebywa światło w ośrodku "dolnym".
`c_1` - prędkość światła w ośrodku górnym
`c_2` - prędkość światła w ośrodku dolnym

W zależności od relacji prędkości światła w dwóch ośrodkach, którą będziemy odczytywać z rysunków pośrednio z obserwacji stosunku d i R, możemy określić, że:

1. Dla równych prędkości światła w ośrodkach


`d = R` więc `c_1 = c_2`

Jeżeli prędkość rozchodzenia się światła byłaby równa, opóźnienie w emitowani fali cząstkowej, równe prędkości fali nie miałby znaczenia, ponieważ otrzymalibyśmy falę świetlną o takich samych właściwościach.

2. Gdy w ośrodku, do którego przenika światło prędkość światła jest mniejsza


`d > R` więc `c_1 > c_2`

Gdy prędkość światła w ośrodku, do którego przechodzi fala jest mniejsza niż prędkość światła w ośrodku, z którego ta fala przenika to odległość, jaką przebędą czoła fal cząstkowych, które dotarły do granicy ośrodka jako pierwsze (z lewej) będzie większa niż odległość, jaką przebędą czoła fal cząstkowych, które dotarły do granicy ośrodka jako ostatnie.

3. Gdy w ośrodku, do którego przenika światło prędkość światła jest większa


`d < R` więc `c_1 < c_2`

Gdy prędkość światła w ośrodku, do którego przechodzi fala jest większa niż prędkość światła w ośrodku, z którego ta fala przenika to odległość, jaką przebędą czoła fal cząstkowych, które dotarły do granicy ośrodka jako pierwsze (z lewej) będzie mniejsza niż odległość, jaką przebędą czoła fal cząstkowych, które dotarły do granicy ośrodka jako ostatnie.



Załamanie światła

Światło przechodząc między dwoma różnymi ośrodkami, w których prędkości rozchodzenia się światłą są różne zmienia kierunek, co nazywamy załamaniem światła (w terminologii fizycznej zjawisko to nosi nazwę refrakcji).

Prawo załamania (prawo Snelliusa, refrakcji) mówi, że:

`(sin o_1)/(sin o_2)=n_2/n_1`



gdzie:

`n_1` i `n_2` to współczynniki załamania światła w ośrodkach.


Współczynnik załamania światła definiujemy zaś jako:

`n = v_a/v_b`

gdzie

`v_a` – prędkość fali w ośrodku, w którym fala rozchodzi się na początku,
`v_b` – prędkość fali w ośrodku, w którym rozchodzi się po załamaniu.


Bezwzględny współczynnik załamania światła w ośrodku definiujemy jako:

`n = c/v`

gdzie

`c` - bezwzględna pręskość światła (`v` światła w próżni)
`v` – prędkość fali w ośrodku


Z tą wiedzą możemy przekształcić wzór opisany przez prawo załamania prostszej, bardziej intuicyjnej postaci:

`(sin o_1)/(sin o_2)=v_1/v_2`

Pokaż wyprowadzenie

`(sin o_1)/(sin o_2)=n_2/n_1`

`(sin o_1)/(sin o_2)=c/v_2 * v_1/c`

`(sin o_1)/(sin o_2)=v_1/v_2`



Prócz zmiany kąta padania podczas załamania zmienia się długość fali świetlnej (co wynika bezpośrednio ze zmiany prędkości i samej definicji załamania). Ilustracją do tego zagadnienia są obrazy umieszczone wewnątrz dodatku "dlaczego dochodzi do zjawiska załamania światła?". Równanie opisujące zmianę długości fali:

`lambda_1/lambda_2=(sin o_1)/(sin o_2)=v_1/v_2=n_2/n_1`

gdzie:
`lambda_1` - długość fali w ośrodku 1,
`lambda_2` - długość fali w ośrodku 2.



Odbicie światła

Światło odbija się docierając do granicy ośrodka, gdy:
- kąt ośrodka jest większy od kąta granicznego odbicia
- powierzchnia ośrodka jest na tyle gładka, że nierówności są mniejsze niż długość fali

Prawo odbicia

Kąt odbicia jest równy kątowi padania.

`alpha = beta`




Aby uściślić powyższą definicję, należy odnotować, że kąt padania jak i kąt odbicia liczymy (tak jak w przypadku załamania światła) nie względem powierzchni, a względem jej wektora normalnego.


Zjawisko dyfrakcji

Dyfrakcja jest to kolejny rodzaj zmiany kierunku rozchodzenia się fali (w tym przypadku fali świetlnej). Zjawisko to zachodzi, gdy światło omija, przechodzi przez jakąś przeszkodę, na przykład przez szczelinę. Więcej informacji o dyfrakcji umieściliśmy w artykule o dyfrakcji.



Uwaga, wiedza!

* Istnieją poglądy, mówiące o tym, że mechanika kwantowa dopuszcza możliwość szybszego przekazywania informacji, np. przy splątaniu kwantowym dwóch cząsteczek. Z punktu widzenia człowieka nie do końca jest to jednak przekazywanie informacji, a bardziej przypomina otworzenie dwóch identycznych listów (jednocześnie) przez osoby znajdujące się bardzo daleko od siebie.

Póki co nie potrafimy osiągnąć prędkości przemieszczania się cząsteczki większej niż `c`.