Optika ir viena no vecākajām fizikas nozarēm. Kopš senās Grieķijas daudzi filozofi ir interesējušies par gaismas kustības un izplatīšanās likumiem dažādos caurspīdīgos materiālos, piemēram, ūdenī, stiklā, dimantā un gaisā. Šajā rakstā aplūkota gaismas laušanas parādība, pievēršoties gaisa laušanas koeficientam.
Gaismas stara laušanas efekts
Ikviens savā dzīvē simtiem reižu ir saskāries ar šī efekta izpausmi, kad viņš paskatījās uz rezervuāra dibenu vai ūdens glāzi ar kādu priekšmetu. Tajā pašā laikā rezervuārs nešķita tik dziļš, kā tas bija patiesībā, un priekšmeti ūdens glāzē izskatījās deformēti vai salauzti.
Gaismas stara laušanas fenomens ir tā taisnvirziena trajektorijas pārrāvums, kad tas šķērso divu caurspīdīgu materiālu saskarni. Apkopojot lielu skaitu eksperimentālo datu, 17. gadsimta sākumā holandietis Vilebrords Snels saņēma matemātisko izteiksmi,kas precīzi aprakstīja šo parādību. Šo izteiksmi parasti raksta šādā formā:
1sin(θ1)=n2sin(θ 2)=konst.
Šeit n1, n2 ir gaismas absolūtie refrakcijas rādītāji attiecīgajā materiālā, θ1un θ2 - leņķi starp krītošo un lauzto staru un perpendikulu saskarnes plaknei, kas tiek novilkta caur staru kūļa un šīs plaknes krustošanās punktu.
Šo formulu sauc par Snela vai Snela-Dekarta likumu (tieši francūzis to pierakstīja uzrādītajā formā, savukārt holandietis izmantoja nevis sinusus, bet garuma vienības).
Bez šīs formulas laušanas fenomenu apraksta vēl viens likums, kam ir ģeometrisks raksturs. Tas slēpjas faktā, ka marķētais perpendikulārs plaknei un divi stari (lauztie un krītošie) atrodas vienā plaknē.
Absolūtais refrakcijas koeficients
Šī vērtība ir iekļauta Snell formulā, un tās vērtībai ir svarīga loma. Matemātiski laušanas koeficients n atbilst formulai:
n=c/v.
Simbols c ir elektromagnētisko viļņu ātrums vakuumā. Tas ir aptuveni 3108m/s. Vērtība v ir gaismas ātrums vidē. Tādējādi laušanas koeficients atspoguļo gaismas palēnināšanās apjomu vidē attiecībā pret bezgaisa telpu.
Iepriekš sniegtajai formulai ir divas svarīgas sekas:
- vērtība n vienmēr ir lielāka par 1 (vakuumam tā ir vienāda ar vienu);
- tas ir bezizmēra lielums.
Piemēram, gaisa laušanas koeficients ir 1,00029, bet ūdenim tas ir 1,33.
Refrakcijas indekss nav konstanta vērtība konkrētai videi. Tas ir atkarīgs no temperatūras. Turklāt katrai elektromagnētiskā viļņa frekvencei tai ir sava nozīme. Tātad iepriekš minētie skaitļi atbilst temperatūrai 20 oC un redzamā spektra dzeltenajai daļai (viļņa garums ir aptuveni 580-590 nm).
N vērtības atkarība no gaismas frekvences izpaužas kā b altās gaismas sadalīšanās ar prizmu vairākās krāsās, kā arī varavīksnes veidošanās debesīs stipra lietus laikā.
Gaismas laušanas koeficients gaisā
Tā vērtība jau ir norādīta iepriekš (1, 00029). Tā kā gaisa laušanas koeficients no nulles atšķiras tikai ceturtajā zīmē aiz komata, tad praktisku uzdevumu risināšanai to var uzskatīt par vienādu ar vienu. Neliela n atšķirība gaisam no vienotības norāda, ka gaismu praktiski nepalēnina gaisa molekulas, kas ir saistīts ar tās salīdzinoši zemo blīvumu. Tātad vidējais gaisa blīvums ir 1,225 kg/m3, tas ir, tas ir vairāk nekā 800 reizes vieglāks par saldūdeni.
Gaiss ir optiski plāns vide. Pats gaismas ātruma palēnināšanās procesā materiālā ir kvantu raksturs un tas ir saistīts ar vielas atomu fotonu absorbcijas un emisijas aktiem.
Gaisa sastāva izmaiņas (piemēram, ūdens tvaiku satura palielināšanās tajā) un temperatūras izmaiņas izraisa būtiskas indikatora izmaiņasrefrakcija. Spilgts piemērs ir mirāžas efekts tuksnesī, kas rodas dažādu temperatūru gaisa slāņu refrakcijas koeficientu atšķirību dēļ.
Stikla un gaisa saskarne
Stikls ir daudz blīvāks līdzeklis nekā gaiss. Tā absolūtais refrakcijas indekss svārstās no 1,5 līdz 1,66 atkarībā no stikla veida. Ja ņemam vidējo vērtību 1,55, tad staru kūļa lūzumu pie gaisa-stikla saskarnes var aprēķināt, izmantojot formulu:
sin(θ1)/sin(θ2)=n2/ n1=n21=1, 55.
Vērtību n21 sauc par gaisa un stikla relatīvo laušanas koeficientu. Ja stars iziet no stikla gaisā, tad jāizmanto šāda formula:
sin(θ1)/sin(θ2)=n2/ n1=n21=1/1, 55=0, 645.
Ja lauztā stara leņķis pēdējā gadījumā būs vienāds ar 90o, tad tam atbilstošo krišanas leņķi sauc par kritisko. Apmales stiklam - gaisa tas ir:
θ1=arcsin(0, 645)=40, 17o.
Ja stars nokritīsies uz stikla-gaisa robežas ar lielākiem leņķiem par 40, 17o, tad tas pilnībā tiks atspoguļots atpakaļ stiklā. Šo parādību sauc par "pilnīgo iekšējo atspulgu".
Kritiskais leņķis pastāv tikai tad, kad stars pārvietojas no blīvas vides (no stikla uz gaisu, bet ne otrādi).
