Oggi sveleremo qual è l'angolo di rifrazione di un'onda elettromagnetica (la cosiddetta luce) e come si formano le sue leggi.
Occhio, pelle, cervello
L'uomo ha cinque sensi principali. Gli scienziati medici distinguono fino a undici diverse sensazioni dissimili (ad esempio, una sensazione di pressione o dolore). Ma le persone ottengono la maggior parte delle loro informazioni attraverso i loro occhi. Fino al novanta per cento dei fatti disponibili di cui il cervello umano è a conoscenza come vibrazioni elettromagnetiche. Quindi le persone capiscono principalmente la bellezza e l'estetica visivamente. L'angolo di rifrazione della luce gioca un ruolo importante in questo.
Deserto, lago, pioggia
Il mondo intorno è permeato di luce solare. L'aria e l'acqua sono alla base di ciò che piace alle persone. Naturalmente, c'è una bellezza aspra nei paesaggi aridi del deserto, ma la maggior parte delle persone preferisce un po' di umidità.
L'uomo è sempre stato affascinato dai ruscelli di montagna e dai fiumi di pianura, dai laghi calmi e dalle onde del mare incessanti, dagli schizzi di una cascata e dal freddo sogno dei ghiacciai. Più di una volta tutti hanno notato la bellezza dei giochi di luce nella rugiada sull'erba, lo scintillio della brina sui rami, il bianco latteo della nebbia e la cupa bellezza delle nuvole basse. E tutti questi effetti vengono creatigrazie all'angolo di rifrazione del fascio in acqua.
Occhio, scala elettromagnetica, arcobaleno
La luce è una fluttuazione del campo elettromagnetico. La lunghezza d'onda e la sua frequenza determinano il tipo di fotone. La frequenza di vibrazione determina se sarà un'onda radio, un raggio infrarosso, uno spettro di qualche colore visibile a una persona, raggi ultravioletti, raggi X o raggi gamma. Gli esseri umani sono in grado di percepire con i loro occhi vibrazioni elettromagnetiche con lunghezze d'onda che vanno da 780 (rosso) a 380 (viola) nanometri. Sulla scala di tutte le onde possibili, questa sezione occupa un'area molto piccola. Cioè, le persone non sono in grado di percepire la maggior parte dello spettro elettromagnetico. E tutta la bellezza accessibile all'uomo è creata dalla differenza tra l'angolo di incidenza e l'angolo di rifrazione al confine tra i media.
Vuoto, Sole, pianeta
I fotoni sono emessi dal Sole a seguito di una reazione termonucleare. La fusione degli atomi di idrogeno e la nascita dell'elio è accompagnata dal rilascio di un numero enorme di particelle diverse, compresi i quanti di luce. Nel vuoto, le onde elettromagnetiche si propagano in linea retta e alla massima velocità possibile. Quando entra in un mezzo trasparente e più denso, come l'atmosfera terrestre, la luce cambia la sua velocità di propagazione. Di conseguenza, cambia la direzione di propagazione. Quanto determina l'indice di rifrazione. L'angolo di rifrazione viene calcolato utilizzando la formula di Snell.
Legge di Snell
Il matematico olandese Willebrord Snell ha lavorato per tutta la vita con angoli e distanze. Capì come misurare le distanze tra le città, come trovare un datopunto nel cielo. Non c'è da stupirsi che abbia trovato uno schema negli angoli di rifrazione della luce.
La formula della legge si presenta così:
- 1sin θ1 =n2sin θ2.
In questa espressione, i caratteri hanno il seguente significato:
- 1 e n2 sono gli indici di rifrazione di medio uno (da cui cade il raggio) e medio 2 (ci entra);
- θ1 e θ2 sono rispettivamente l'angolo di incidenza e di rifrazione della luce.
Spiegazioni alla legge
Occorre dare alcune spiegazioni a questa formula. Gli angoli θ indicano il numero di gradi che si trova tra la direzione di propagazione del raggio e la normale alla superficie nel punto di contatto del raggio di luce. Perché in questo caso si usa normale? Perché in re altà non esistono superfici rigorosamente piane. E trovare la normale a qualsiasi curva è abbastanza semplice. Inoltre, se nel problema è noto l'angolo tra il limite del mezzo e il raggio incidente x, l'angolo richiesto θ è solo (90º-x).
Molto spesso, la luce entra da un mezzo più rarefatto (aria) a uno più denso (acqua). Più vicini sono gli atomi del mezzo, più forte viene rifratto il raggio. Pertanto, più denso è il mezzo, maggiore è l'angolo di rifrazione. Ma succede anche il contrario: la luce cade dall'acqua nell'aria o dall'aria nel vuoto. In tali circostanze, può verificarsi una condizione in cui n1sin θ1>n2. Cioè, l'intero raggio verrà riflesso sul primo mezzo. Questo fenomeno è chiamato totale internoriflessione. L'angolo al quale si verificano le circostanze sopra descritte è chiamato angolo limite di rifrazione.
Cosa determina l'indice di rifrazione?
Questo valore dipende solo dalle proprietà della sostanza. Ad esempio, ci sono cristalli per i quali è importante l'angolo in cui entra il raggio. L'anisotropia delle proprietà si manifesta nella birifrangenza. Ci sono mezzi per i quali la polarizzazione della radiazione in entrata è importante. Va inoltre ricordato che l'angolo di rifrazione dipende dalla lunghezza d'onda della radiazione incidente. È su questa differenza che si basa l'esperimento con la divisione della luce bianca in un arcobaleno da un prisma. Va notato che la temperatura del mezzo influisce anche sull'indice di rifrazione della radiazione. Più velocemente gli atomi di un cristallo vibrano, più la sua struttura e la capacità di cambiare la direzione di propagazione della luce si deformano.
Esempi del valore dell'indice di rifrazione
Diamo valori diversi per ambienti familiari:
- Il sale (formula chimica NaCl) come minerale è chiamato "alito". Il suo indice di rifrazione è 1.544.
- L'angolo di rifrazione del vetro è calcolato dal suo indice di rifrazione. A seconda del tipo di materiale, questo valore varia tra 1.487 e 2.186.
- Il diamante è famoso proprio per i giochi di luce che contiene. I gioiellieri tengono conto di tutti i suoi piani durante il taglio. L'indice di rifrazione del diamante è 2.417.
- L'acqua purificata dalle impurità ha un indice di rifrazione di 1.333 H2O è un ottimo solvente. Pertanto, in natura non esiste acqua chimicamente pura. Ogni pozzo, ogni fiume è caratterizzatocon la sua composizione. Pertanto, anche l'indice di rifrazione cambia. Ma per risolvere semplici problemi scolastici, puoi prendere questo valore.
Giove, Saturno, Callisto
Fino ad ora abbiamo parlato della bellezza del mondo terreno. Le cosiddette condizioni normali implicano una temperatura e una pressione molto specifiche. Ma ci sono altri pianeti nel sistema solare. Ci sono paesaggi abbastanza diversi.
Su Giove, ad esempio, è possibile osservare la foschia di argon nelle nubi di metano e le correnti ascensionali di elio. Anche lì sono comuni le aurore a raggi X.
Su Saturno, le nebbie di etano coprono l'atmosfera di idrogeno. Negli strati inferiori del pianeta piovono diamanti da nubi di metano molto calde.
Tuttavia, Callisto, la luna ghiacciata di Giove, ha un oceano interno ricco di idrocarburi. Forse i batteri che consumano zolfo vivono nelle sue profondità.
E in ognuno di questi paesaggi, i giochi di luce su diverse superfici, bordi, sporgenze e nuvole creano bellezza.
