Світло не завжди поширюється прямими лініями. Він згинається.
Коли світловий промінь переходить з одного середовища до іншого, він змінює напрямок. Цей згин обумовлений зміною швидкості. Показник заломлення це число, яке дослідники використовують для точного вимірювання ступеня цього відхилення. Це проста залежність, але вона визначає все: від того, як око фокусує зображення до того, як лінзи коригують зір.
Визначення залежності
Показник заломлення, що часто позначається як n, визначається кутами світла при переході через кордон між двома середовищами. Більш конкретно, він порівнює кут падіння з кутом заломлення. Кут падіння – це кут між падаючим променем і перпендикуляром (нормаллю) до поверхні. Кут заломлення – це кут між променем у новому середовищі і тією самою лінією нормалі. Математично показник заломлення є відношенням синуса кута падіння до синуса кута заломлення.
n = sin i / sin r
Ця формула передбачає, що світло виходить із вакууму. Насправді повітря часто порівнюють зі склом чи водою, але базовий рівень вакууму зберігає стандарт постійної.
Зв’язок зі швидкістю світла
Існує більш фізичний спосіб погляду це число. Йдеться не лише про кутки. Йдеться про швидкість. Світло у порожньому просторі поширюється з максимальною швидкістю, постійною c. Коли світло входить у речовину – таке як вода, скло або алмаз – воно сповільнюється. Швидкість середовищі позначається як v.
Показник заломлення це просто швидкість світла у вакуумі, поділена на швидкість світла в середовищі.
n = c / v
Вищий показник заломлення означає, що світло поширюється у цьому матеріалі повільніше. Це також означає, що світло сильніше заломлюється при вході в середу.
Чому це важливо
Це не просто теоретична фізика. Показник заломлення визначає роботу лінз. Окуляри використовують матеріали з певними показниками заломлення, щоб вигинати світло для корекції зору. Об’єктиви камер покладаються на це явище для фокусування зображень. Волоконна оптика використовує його для утримання світла всередині тонких ниток під час передачі інтернет-даних. Навіть блиск алмазу обумовлений його високим показником заломлення, який змушує світло всередині заломлюватись і відбиватися, створюючи яскравість.
За межами основ
Значення *n залежить від довжини хвилі світла. Тому призма поділяє біле світло на веселку. Різні кольори поширюються через скло з трохи різною швидкістю і, отже, заломлюються під різними кутами. Показник заломлення зазвичай вказується для конкретної довжини хвилі, часто жовтої лінії натрію або синій лінії C водню.
Він також змінюється залежно від температури та тиску. Зміна умов призводить до зміни густини середовища, що змінює спосіб поширення світла через це середовище. Саме так створюються міражі на гарячих дорогах. Повітря поблизу землі менш щільне, має менший показник заломлення і згинає світло вгору, створюючи ілюзію води.
Розуміння показника заломлення є ключем до розуміння того, як ми бачимо та обробляємо світло. Воно поєднує абстрактну математику відносин синусів із чіткими зображеннями, барвистими спектрами та нашим способом сприйняття світу, перетворюючи їх на конкретну реальність.
Швидкість світла в різних матеріалах
Більшість людей вважає, що світло завжди уповільнюється при попаданні в речовину. Те саме стосується і видимого світла. Однак рентгенівське проміння розповідає зовсім іншу історію.
Розглянемо показник заломлення жовтого світла із довжиною хвилі 589 нм. Для повітря він становить близько 1,0003. Для води він збільшується до 1,333. Для крон скла досягає 1,517. Для щільного флінт-скла він дорівнює 1655. Для алмазу різко зростає до 2,417. Що вище це число, то повільніше поширюється світло. Саме тому алмази так яскраво сяють.
Ця зміна може викликати хроматичну аберацію. Синє світло заломлюється інакше, ніж червоне. Лінзам складно сфокусувати всі кольори в одній точці. Це фундаментальний недолік скляної оптики.
Рентгенівські промені порушують ці правила. Їхній показник заломлення трохи менше 1,0. Що це означає на практиці? Коли рентгенівські промені переходять із повітря в скло, вони переломлюються «від» нормалі. Видимий світло заломлюється до нормалі.
Формула $n = c/v$, як і раніше, застосовна. Якщо $n$ менше 1, то $v$ має бути більшим за $c$. Швидкість рентгенівських променів у склі перевищує швидкість у вакуумі. Це здається неможливим. Але це негаразд. Фазова швидкість може перевищувати швидкість світла, не порушуючи причинність. Енергія не рухається швидше за $c$. Рухаються хвильові фронти.
Саме ця різниця вимагає використання спеціального дзеркала для фокусування рентгенівських променів. Звичайну лінзу використовувати не можна. Необхідна оптика із grazing incidence (ковзним падінням). Світло ковзає поверхнею. Він відбивається, а чи не заломлюється.
Ми покладаємось на цю властивість у медичній візуалізації. А також вивчення глибокого космосу. Обсерваторії Chandra та XMM-Newton використовують вкладені оболонки. Вони вловлюють рентгенівське проміння під малим кутом. Без розуміння цієї контрінтуїтивної фізики ми все ще залишалися б сліпі до високоенергетичного Всесвіту.
Математика сходиться. Фізика витримує перевірку. Але наша інтуїція про те, що «повільніше означає щільніше», тут дає збій.
