Dnes prezradíme, aký je uhol lomu elektromagnetickej vlny (tzv. svetla) a ako sa tvoria jej zákony.
Oko, koža, mozog
Človek má päť hlavných zmyslov. Lekárski vedci rozlišujú až jedenásť rôznych odlišných pocitov (napríklad pocit tlaku alebo bolesti). Ale ľudia získavajú väčšinu informácií cez oči. Až deväťdesiat percent dostupných faktov si ľudský mozog uvedomuje ako elektromagnetické vibrácie. Takže ľudia väčšinou chápu krásu a estetiku vizuálne. Uhol lomu svetla v tom hrá dôležitú úlohu.
Púšť, jazero, dážď
Svet okolo je preniknutý slnečným žiarením. Vzduch a voda tvoria základ toho, čo majú ľudia radi. Samozrejme, suchá púštna krajina má drsnú krásu, ale väčšinou ľudia uprednostňujú trochu vlhkosti.
Človeka vždy fascinovali horské potoky a hladké nížinné rieky, pokojné jazerá a večne sa valiace morské vlny, žblnkot vodopádu a chladný sen o ľadovcoch. Nie raz si každý všimol krásu hry svetla v rose na tráve, trblietanie sa námrazy na konároch, mliečnu belosť hmly a ponurú krásu nízkych oblakov. A všetky tieto efekty sa vytvárajúvďaka uhlu lomu lúča vo vode.
Oko, elektromagnetická stupnica, dúha
Svetlo je kolísanie elektromagnetického poľa. Vlnová dĺžka a jej frekvencia určujú typ fotónu. Frekvencia vibrácií určuje, či to bude rádiová vlna, infračervený lúč, spektrum nejakej farby viditeľné pre človeka, ultrafialové, röntgenové alebo gama žiarenie. Ľudia sú schopní vnímať očami elektromagnetické vibrácie s vlnovými dĺžkami od 780 (červená) do 380 (fialová) nanometrov. Na stupnici všetkých možných vĺn zaberá tento úsek veľmi malú plochu. To znamená, že ľudia nie sú schopní vnímať väčšinu elektromagnetického spektra. A všetka krása prístupná človeku je vytvorená rozdielom medzi uhlom dopadu a uhlom lomu na hranici medzi médiami.
Vákuum, Slnko, planéta
Fotóny vyžaruje Slnko ako výsledok termonukleárnej reakcie. Fúzia atómov vodíka a zrod hélia je sprevádzaný uvoľňovaním obrovského množstva rôznych častíc vrátane svetelných kvánt. Vo vákuu sa elektromagnetické vlny šíria priamočiaro a najvyššou možnou rýchlosťou. Keď svetlo vstúpi do priehľadného a hustejšieho prostredia, akým je zemská atmosféra, zmení svoju rýchlosť šírenia. V dôsledku toho mení smer šírenia. Koľko určuje index lomu. Uhol lomu sa vypočíta pomocou Snellovho vzorca.
Snellov zákon
Holandský matematik Willebrord Snell pracoval celý život s uhlami a vzdialenosťami. Pochopil, ako merať vzdialenosti medzi mestami, ako nájsť danosťbod na oblohe. Niet divu, že našiel vzor v uhloch lomu svetla.
Vzorec zákona vyzerá takto:
- 1sin θ1 =n2sin θ2.
V tomto výraze majú znaky nasledujúci význam:
- 1 a n2 sú indexy lomu média 1 (z ktorého lúč dopadá) a média 2 (do neho vstupuje);
- θ1 a θ2 sú uhol dopadu a lomu svetla.
Vysvetlenia k zákonu
Tento vzorec je potrebné vysvetliť. Uhly θ znamenajú počet stupňov, ktorý leží medzi smerom šírenia lúča a normálou k povrchu v bode kontaktu svetelného lúča. Prečo sa v tomto prípade používa normálne? Pretože v skutočnosti neexistujú striktne rovné povrchy. A nájsť normál k akejkoľvek krivke je celkom jednoduché. Okrem toho, ak je v úlohe známy uhol medzi hranicou média a dopadajúcim lúčom x, potom požadovaný uhol θ je práve (90º-x).
Svetlo najčastejšie vstupuje z redšieho (vzduch) do hustejšieho (voda) média. Čím bližšie sú atómy média k sebe, tým silnejšie sa lúč láme. Preto čím je médium hustejšie, tým väčší je uhol lomu. Ale deje sa to aj naopak: svetlo padá z vody do vzduchu alebo zo vzduchu do vákua. Za takýchto okolností môže nastať podmienka, za ktorej n1sin θ1>n2. To znamená, že celý lúč sa odrazí späť na prvé médium. Tento jav sa nazýva celkový vnútornýodraz. Uhol, pri ktorom sa vyskytujú vyššie uvedené okolnosti, sa nazýva medzný uhol lomu.
Čo určuje index lomu?
Táto hodnota závisí len od vlastností látky. Existujú napríklad kryštály, pre ktoré je dôležité, pod akým uhlom lúč vstupuje. Anizotropia vlastností sa prejavuje pri dvojlomnosti. Existujú médiá, pre ktoré je dôležitá polarizácia prichádzajúceho žiarenia. Treba tiež pamätať na to, že uhol lomu závisí od vlnovej dĺžky dopadajúceho žiarenia. Práve na tomto rozdiele je založený experiment s delením bieleho svetla na dúhu hranolom. Je potrebné poznamenať, že teplota média ovplyvňuje aj index lomu žiarenia. Čím rýchlejšie atómy kryštálu vibrujú, tým viac sa deformuje jeho štruktúra a schopnosť meniť smer šírenia svetla.
Príklady hodnoty indexu lomu
Pre známe prostredia dávame rôzne hodnoty:
- Soľ (chemický vzorec NaCl) ako minerál sa nazýva „halit“. Jeho index lomu je 1,544.
- Uhol lomu skla sa vypočíta z jeho indexu lomu. V závislosti od typu materiálu sa táto hodnota pohybuje medzi 1,487 a 2,186.
- Diamant je známy práve hrou svetla v ňom. Klenotníci pri rezaní berú do úvahy všetky jeho roviny. Index lomu diamantu je 2,417.
- Voda očistená od nečistôt má index lomu 1,333. H2O je veľmi dobré rozpúšťadlo. Preto v prírode neexistuje chemicky čistá voda. Každá studňa, každá rieka je charakteristickás jeho zložením. Preto sa mení aj index lomu. Ak však chcete vyriešiť jednoduché školské problémy, môžete použiť túto hodnotu.
Jupiter, Saturn, Callisto
Doteraz sme hovorili o kráse pozemského sveta. Takzvané normálne podmienky znamenajú veľmi špecifickú teplotu a tlak. Ale v slnečnej sústave sú aj iné planéty. Sú tam celkom odlišné krajiny.
Na Jupiteri je napríklad možné pozorovať argónový zákal v oblakoch metánu a héliových prúdoch. Bežné sú tam aj röntgenové polárne žiary.
Na Saturne pokrývajú vodíkovú atmosféru etánové hmly. Na spodných vrstvách planéty prší diamant z veľmi horúcich mrakov metánu.
Avšak Jupiterov skalnatý zamrznutý mesiac Callisto má vnútorný oceán bohatý na uhľovodíky. Možno v jeho hlbinách žijú baktérie pohlcujúce síru.
A v každej z týchto krajín vytvára hra svetla na rôznych povrchoch, hranách, rímsach a oblakoch krásu.
