زاویه شکست پرتو

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 17:45

امروز ما نشان خواهیم داد که زاویه شکست یک موج الکترومغناطیسی (به اصطلاح نور) چیست و قوانین آن چگونه تشکیل می شود.

چشم، پوست، مغز

انسان پنج حواس اصلی دارد. دانشمندان پزشکی تا یازده حس متفاوت متفاوت (مثلاً احساس فشار یا درد) را از هم تشخیص می دهند. اما مردم بیشتر اطلاعات خود را از طریق چشمان خود به دست می آورند. تا نود درصد از حقایق موجود که مغز انسان از آنها به عنوان ارتعاشات الکترومغناطیسی آگاه است. بنابراین مردم بیشتر زیبایی و زیبایی شناسی را به صورت بصری درک می کنند. زاویه شکست نور در این امر نقش مهمی دارد.

کویر، دریاچه، باران

جهان اطراف پر از نور خورشید است. هوا و آب اساس آنچه مردم دوست دارند را تشکیل می دهند. البته، مناظر خشک بیابانی زیبایی سختی دارد، اما بیشتر مردم کمی رطوبت را ترجیح می دهند.

انسان همیشه مجذوب جویبارهای کوهستانی و رودخانه‌های هموار دشت‌ها، دریاچه‌های آرام و موج‌های همیشه غوطه‌ور دریا، پاشیدن آبشار و رویای سرد یخچال‌ها بوده است. بیش از یک بار همه به زیبایی بازی نور در شبنم روی چمن ها، درخشش یخبندان روی شاخه ها، سفیدی شیری مه و زیبایی غم انگیز ابرهای کم توجه شده اند. و همه این اثرات ایجاد می شودبه لطف زاویه شکست پرتو در آب.

چشم، مقیاس الکترومغناطیسی، رنگین کمان

نور یک نوسان میدان الکترومغناطیسی است. طول موج و فرکانس آن تعیین کننده نوع فوتون است. فرکانس ارتعاش تعیین می کند که آیا یک موج رادیویی، یک اشعه مادون قرمز، یک طیف رنگی قابل مشاهده برای شخص، اشعه ماوراء بنفش، اشعه ایکس یا گاما خواهد بود. انسان می تواند با چشمان خود ارتعاشات الکترومغناطیسی را با طول موج های 780 (قرمز) تا 380 (بنفش) نانومتر درک کند. در مقیاس تمام امواج ممکن، این بخش منطقه بسیار کمی را اشغال می کند. یعنی مردم قادر به درک بیشتر طیف الکترومغناطیسی نیستند. و تمام زیبایی های قابل دسترس برای انسان از تفاوت بین زاویه تابش و زاویه شکست در مرز بین رسانه ایجاد می شود.

خلاء، خورشید، سیاره

فوتون ها از خورشید در نتیجه یک واکنش گرما هسته ای ساطع می شوند. ادغام اتم های هیدروژن و تولد هلیوم با آزاد شدن تعداد زیادی ذرات مختلف از جمله کوانتوم های نور همراه است. در خلاء، امواج الکترومغناطیسی در یک خط مستقیم و با بالاترین سرعت ممکن منتشر می شوند. هنگامی که نور وارد محیط شفاف و متراکم تر مانند جو زمین می شود، سرعت انتشار خود را تغییر می دهد. در نتیجه جهت انتشار را تغییر می دهد. چقدر ضریب شکست را تعیین می کند. زاویه شکست با استفاده از فرمول اسنل محاسبه می شود.

قانون اسنل

ریاضیدان هلندی ویلبرورد اسنل تمام زندگی خود را با زوایا و فواصل کار کرد. او فهمید که چگونه فاصله بین شهرها را اندازه گیری کند، چگونه یک داده را پیدا کندنقطه در آسمان جای تعجب نیست که او الگویی در زوایای شکست نور پیدا کرد.

فرمول قانون به این صورت است:

₁sin θ₁ =n₂ گناه θ_2.

در این عبارت، کاراکترها به معنای زیر هستند:

₁ و n_{2 ضریب شکست متوسط یک (که پرتو از آن می افتد) و متوسط 2 (وارد آن می شود).);}

θ₁ و θ_{2 به ترتیب زاویه تابش و شکست نور هستند.}

توضیحات قانون

لازم است در مورد این فرمول توضیحاتی داده شود. منظور از زوایای θ، تعداد درجه هایی است که بین جهت انتشار پرتو و حالت عادی به سطح در نقطه تماس پرتو نور قرار دارد. چرا در این مورد از نرمال استفاده می شود؟ زیرا در واقعیت هیچ سطح کاملاً صافی وجود ندارد. و یافتن نرمال به هر منحنی بسیار ساده است. بعلاوه، اگر زاویه بین مرز رسانه و پرتو فرودی x در مسئله مشخص باشد، زاویه مورد نیاز θ فقط (90º-x) است.

اغلب، نور از یک محیط کمیاب تر (هوا) به یک محیط متراکم (آب) وارد می شود. هر چه اتم‌های محیط به یکدیگر نزدیک‌تر باشند، پرتو قوی‌تر شکسته می‌شود. بنابراین، هر چه محیط متراکم تر باشد، زاویه شکست بیشتر است. اما برعکس هم اتفاق می افتد: نور از آب به هوا یا از هوا به خلاء می افتد. در چنین شرایطی، ممکن است شرایطی ایجاد شود که تحت آن n₁sin θ₁>n_{2. یعنی کل پرتو به محیط اول منعکس خواهد شد. به این پدیده کل داخلی می گویندانعکاس زاویه ای که در آن شرایط توصیف شده در بالا رخ می دهد، زاویه شکست محدود نامیده می شود.}

چه چیزی ضریب شکست را تعیین می کند؟

این مقدار فقط به خواص ماده بستگی دارد. به عنوان مثال، کریستال هایی وجود دارند که برای آنها مهم است که پرتو از چه زاویه ای وارد می شود. ناهمسانگردی خواص در دوشکستگی آشکار می شود. رسانه هایی وجود دارند که قطبش تابش ورودی برای آنها مهم است. همچنین باید به خاطر داشت که زاویه شکست به طول موج تابش فرودی بستگی دارد. بر این تفاوت است که آزمایش تقسیم نور سفید به رنگین کمان توسط یک منشور است. لازم به ذکر است که دمای محیط نیز بر ضریب شکست تابش تأثیر می گذارد. هر چه اتم های یک کریستال سریعتر ارتعاش کنند، ساختار و توانایی آن برای تغییر جهت انتشار نور بیشتر تغییر شکل می دهد.

نمونه هایی از مقدار ضریب شکست

مقدارهای مختلفی را برای محیط های آشنا می دهیم:

نمک (فرمول شیمیایی NaCl) به عنوان یک ماده معدنی "هالیت" نامیده می شود. ضریب شکست آن 1.544 است.
زاویه شکست شیشه از ضریب شکست آن محاسبه می شود. بسته به نوع ماده، این مقدار بین 1.487 و 2.186 متغیر است.
الماس دقیقاً به خاطر بازی نور در آن مشهور است. جواهرسازان هنگام برش تمام هواپیماهای آن را در نظر می گیرند. ضریب شکست الماس 2.417 است.

آب تصفیه شده از ناخالصی ها دارای ضریب شکست 1.333 است. H_{2O یک حلال بسیار خوب است. بنابراین در طبیعت آب خالص شیمیایی وجود ندارد. هر چاه، هر رودخانه ای مشخص استبا ترکیب آن بنابراین ضریب شکست نیز تغییر می کند. اما برای حل مسائل ساده مدرسه، می توانید این مقدار را در نظر بگیرید.}

مشتری، زحل، کالیستو

تا حالا از زیبایی های دنیای خاکی حرف می زدیم. شرایط به اصطلاح عادی دلالت بر دما و فشار بسیار خاصی دارد. اما سیارات دیگری در منظومه شمسی وجود دارند. مناظر کاملاً متفاوتی وجود دارد.

در مشتری، برای مثال، می توان مه آرگون را در ابرهای متان و جریان های هلیوم مشاهده کرد. شفق های پرتو ایکس نیز در آنجا رایج هستند.

در زحل، مه های اتانی جو هیدروژنی را می پوشانند. در لایه‌های زیرین سیاره، الماس از ابرهای متان بسیار داغ می‌بارد.

با این حال، قمر یخ زده صخره ای مشتری، کالیستو، یک اقیانوس داخلی غنی از هیدروکربن دارد. شاید باکتری های مصرف کننده گوگرد در اعماق آن زندگی می کنند.

و در هر یک از این مناظر، بازی نور در سطوح مختلف، لبه ها، تاقچه ها و ابرها زیبایی ایجاد می کند.