Danes bomo razkrili, kakšen je lomni kot elektromagnetnega valovanja (tako imenovane svetlobe) in kako nastanejo njegovi zakoni.
Oči, koža, možgani
Človek ima pet glavnih čutil. Medicinski znanstveniki razlikujejo do enajst različnih različnih občutkov (na primer občutek pritiska ali bolečine). Toda ljudje dobijo večino informacij skozi svoje oči. Do devetdeset odstotkov razpoložljivih dejstev se človeški možgani zavedajo kot elektromagnetne vibracije. Ljudje torej lepoto in estetiko večinoma razumejo vizualno. Kot loma svetlobe ima pri tem pomembno vlogo.
puščava, jezero, dež
Svet okoli je prežet s sončno svetlobo. Zrak in voda sta osnova tega, kar je ljudem všeč. Seveda je v sušnih puščavskih pokrajinah huda lepota, a večinoma ljudje raje imajo malo vlage.
Človeka so od nekdaj navduševali gorski potoki in gladke nižinske reke, mirna jezera in nenehno valoviti morski valovi, pljuski slapa in mrzle sanje o ledenikih. Večkrat so vsi opazili lepoto igre svetlobe v rosi na travi, iskrico inje na vejah, mlečno belino megle in mračno lepoto nizkih oblakov. In vsi ti učinki se ustvarijozahvaljujoč kotu loma žarka v vodi.
Oko, elektromagnetna lestvica, mavrica
Svetloba je nihanje elektromagnetnega polja. Valovna dolžina in njena frekvenca določata vrsto fotona. Frekvenca vibracij določa, ali bo to radijski val, infrardeči žarek, spekter neke barve, ki je viden človeku, ultravijolično, rentgensko ali gama sevanje. Ljudje lahko z očmi zaznamo elektromagnetne vibracije z valovnimi dolžinami od 780 (rdeče) do 380 (vijolične) nanometrov. Na lestvici vseh možnih valov ta odsek zavzema zelo majhno območje. To pomeni, da ljudje ne morejo zaznati večine elektromagnetnega spektra. In vso lepoto, ki je človeku dostopna, ustvarja razlika med vpadnim kotom in lomnim kotom na meji med mediji.
vakuum, sonce, planet
Fotone oddaja Sonce kot posledica termonuklearne reakcije. Fuzijo vodikovih atomov in rojstvo helija spremlja sproščanje ogromnega števila različnih delcev, vključno s svetlobnimi kvanti. V vakuumu se elektromagnetno valovanje širi naravnost in z največjo možno hitrostjo. Ko svetloba vstopi v prozoren in gostejši medij, kot je zemeljska atmosfera, svetloba spremeni svojo hitrost širjenja. Posledično spremeni smer širjenja. Koliko določa lomni količnik. Lomni kot se izračuna z uporabo Snellove formule.
Snellov zakon
Nizozemski matematik Willebrord Snell je vse življenje delal s koti in razdaljami. Razumel je, kako meriti razdalje med mesti, kako najti danotočka na nebu. Ni čudno, da je našel vzorec v kotih loma svetlobe.
Formula zakona izgleda takole:
- 1sin θ1 =n2sin θ2.
V tem izrazu imajo znaki naslednji pomen:
- 1 in n2 sta lomna indeksa srednjega 1 (iz katerega pade žarek) in medija 2 (vstopi vanj);
- θ1 in θ2 sta vpadni in lom svetlobe.
Pojasnila k zakonu
Te formuli je treba dati nekaj razlag. Koti θ pomenijo število stopinj, ki leži med smerjo širjenja žarka in normalo na površino na točki stika svetlobnega žarka. Zakaj se v tem primeru uporablja normalno? Ker v resnici ni strogo ravnih površin. In iskanje normale za katero koli krivuljo je precej preprosto. Poleg tega, če je kot med mejo medija in vpadnim žarkom x znan v problemu, potem je zahtevani kot θ samo (90º-x).
Najpogosteje vstopi svetloba iz bolj redkega (zrak) v gostejši (vodni) medij. Bližje kot so atomi medija drug drugemu, močnejši se lomi žarek. Torej, gostejši kot je medij, večji je lomni kot. Zgodi pa se tudi obratno: svetloba pade iz vode v zrak ali iz zraka v vakuum. V takšnih okoliščinah lahko nastane pogoj, pod katerim n1sin θ1>n2. To pomeni, da se bo celoten žarek odražal nazaj v prvi medij. Ta pojav se imenuje totalno notranjerefleksijo. Kot, pri katerem se pojavijo zgoraj opisane okoliščine, se imenuje mejni lomni kot.
Kaj določa lomni količnik?
Ta vrednost je odvisna samo od lastnosti snovi. Na primer, obstajajo kristali, za katere je pomembno, pod kakšnim kotom vstopi žarek. Anizotropija lastnosti se kaže v dvolomnosti. Obstajajo mediji, za katere je pomembna polarizacija vhodnega sevanja. Prav tako je treba spomniti, da je lomni kot odvisen od valovne dolžine vpadnega sevanja. Na tej razliki temelji poskus z delitvijo bele svetlobe v mavrico s prizmo. Opozoriti je treba, da temperatura medija vpliva tudi na lomni količnik sevanja. Hitreje kot vibrirajo atomi kristala, bolj se deformira njegova struktura in sposobnost spreminjanja smeri širjenja svetlobe.
Primeri vrednosti lomnega indeksa
Dajemo različne vrednosti za znana okolja:
- Sol (kemijska formula NaCl) kot mineral se imenuje "halit". Njegov lomni količnik je 1,544.
- Lomni kot stekla se izračuna iz njegovega lomnega količnika. Odvisno od vrste materiala se ta vrednost giblje med 1,487 in 2,186.
- Diamond je znan prav po igri svetlobe v njem. Draguljarji pri rezanju upoštevajo vse njegove ravnine. Lomni količnik diamanta je 2,417.
- Voda, prečiščena iz nečistoč, ima lomni količnik 1,333. H2O je zelo dobro topilo. Zato v naravi ni kemično čiste vode. Vsak vodnjak, vsaka reka je značilnas svojo sestavo. Zato se spremeni tudi lomni količnik. Toda za reševanje preprostih šolskih težav lahko vzamete to vrednost.
Jupiter, Saturn, Callisto
Do sedaj smo govorili o lepoti zemeljskega sveta. Tako imenovani normalni pogoji pomenijo zelo specifično temperaturo in tlak. Toda v sončnem sistemu obstajajo drugi planeti. Pokrajine so precej različne.
Na Jupiterju je na primer mogoče opazovati argonovo meglico v metanskih oblakih in helijeve navzgor. Tam so pogoste tudi rentgenske aurore.
Na Saturnu etanske megle pokrivajo vodikovo atmosfero. V spodnjih plasteh planeta diamanti dežuje iz zelo vročih metanskih oblakov.
Vendar ima Jupitrova kamnita zamrznjena luna Callisto notranji ocean, bogat z ogljikovodiki. Morda v njegovih globinah živijo bakterije, ki požirajo žveplo.
In v vsaki od teh pokrajin igra svetlobe na različnih površinah, robovih, policah in oblakih ustvarja lepoto.
