Täna paljastame, milline on elektromagnetlaine (nn valguse) murdumisnurk ja kuidas selle seadused kujunevad.
Silm, nahk, aju
Inimesel on viis peamist meelt. Arstiteadlased eristavad kuni ühtteist erinevat aistingut (näiteks surve- või valutunne). Kuid inimesed saavad suurema osa teabest oma silmade kaudu. Kuni üheksakümmend protsenti olemasolevatest faktidest on inimese aju teadlik elektromagnetilise vibratsioonina. Nii et inimesed mõistavad ilu ja esteetikat enamasti visuaalselt. Valguse murdumisnurk mängib selles olulist rolli.
Kõrb, järv, vihm
Ümbritsev maailm on päikesevalgusest läbi imbunud. Õhk ja vesi on aluseks sellele, mis inimestele meeldib. Muidugi on kuivadel kõrbemaastikel karm ilu, kuid enamasti eelistavad inimesed niiskust.
Inimesi on alati paelunud mägiojad ja siledad madalikujõed, rahulikud järved ja pidev alt lainetavad merelained, kose pritsmed ja külm unistus liustikest. Rohkem kui korra on igaüks märganud valgusemängu ilu kastes murul, härmatise sädelust okstel, udu piimjat valget ja madalate pilvede sünget ilu. Ja kõik need efektid on loodudtänu kiire murdumisnurgale vees.
Silm, elektromagnetiline skaala, vikerkaar
Valgus on elektromagnetvälja kõikumine. Lainepikkus ja selle sagedus määravad footoni tüübi. Vibratsioonisagedus määrab, kas tegemist on raadiolaine, infrapunakiirgusega, mõne inimesele nähtava värvispektriga, ultraviolett-, röntgen- või gammakiirgusega. Inimesed on võimelised oma silmadega tajuma elektromagnetilisi vibratsioone lainepikkusega 780 (punane) kuni 380 (violetne) nanomeetrit. Kõigi võimalike lainete skaalal võtab see lõik enda alla väga väikese ala. See tähendab, et inimesed ei suuda tajuda suuremat osa elektromagnetilisest spektrist. Ja kogu inimesele ligipääsetava ilu loob meediumite vahelisel piiril langemisnurga ja murdumisnurga erinevus.
Vakuum, päike, planeet
Päike kiirgab fotoneid termotuumareaktsiooni tulemusena. Vesinikuaatomite ühinemisega ja heeliumi sünniga kaasneb tohutu hulga erinevate osakeste, sealhulgas valguskvantide vabanemine. Vaakumis levivad elektromagnetlained sirgjooneliselt ja suurima võimaliku kiirusega. Kui see siseneb läbipaistvasse ja tihedamasse keskkonda, näiteks Maa atmosfääri, muudab valgus oma levimiskiirust. Selle tulemusena muudab see levimise suunda. Kui palju määrab murdumisnäitaja. Murdumisnurk arvutatakse Snelli valemi abil.
Snelli seadus
Hollandi matemaatik Willebrord Snell töötas kogu oma elu nurkade ja kaugustega. Ta mõistis, kuidas mõõta linnadevahelisi kaugusi, kuidas leida antudpunkt taevas. Pole ime, et ta leidis valguse murdumisnurkades mustri.
Seaduse valem näeb välja selline:
- 1sin θ1 =n2sin θ2.
Selles väljendis on tähemärkidel järgmine tähendus:
- 1 ja n2 on keskmise ühe (millelt kiir langeb) ja keskmise 2 (see siseneb sellesse) murdumisnäitajad);
- θ1 ja θ2 on vastav alt valguse langemis- ja murdumisnurk.
Selgitused seadusele
Sellele valemile on vaja anda mõned selgitused. Nurgad θ tähistavad kraadide arvu, mis jääb valgusvihu levimissuuna ja pinnanormaali vahele valguskiire kokkupuutepunktis. Miks sel juhul kasutatakse tavalist? Sest tegelikult pole rangelt tasaseid pindu. Ja mis tahes kõvera normaalväärtuse leidmine on üsna lihtne. Lisaks, kui ülesandes on teada nurk kandja piiri ja langeva kiire x vahel, on nõutav nurk θ just (90º-x).
Enamasti siseneb valgus haruldasemast (õhk) tihedamasse (vesi) keskkonda. Mida lähemal on keskkonna aatomid üksteisele, seda tugevam alt kiir murdub. Seega, mida tihedam on keskkond, seda suurem on murdumisnurk. Kuid see juhtub ka vastupidi: valgus langeb veest õhku või õhust vaakumisse. Sellistel asjaoludel võib tekkida tingimus, mille korral n1sin θ1>n2. See tähendab, et kogu kiir peegeldub tagasi esimesse meediumisse. Seda nähtust nimetatakse täielikuks sisemisekspeegeldus. Nurka, mille all ülalkirjeldatud asjaolud esinevad, nimetatakse murdumisnurgaks.
Mis määrab murdumisnäitaja?
See väärtus sõltub ainult aine omadustest. Näiteks on kristalle, mille puhul on oluline, millise nurga all kiir siseneb. Omaduste anisotroopsus avaldub kaksikmurdumises. On meediume, mille jaoks on oluline sissetuleva kiirguse polarisatsioon. Samuti tuleb meeles pidada, et murdumisnurk sõltub langeva kiirguse lainepikkusest. Sellel erinevusel põhineb katse valge valguse jagamisega prisma abil vikerkaareks. Tuleb märkida, et keskkonna temperatuur mõjutab ka kiirguse murdumisnäitajat. Mida kiiremini kristalli aatomid vibreerivad, seda rohkem deformeerub selle struktuur ja võime muuta valguse levimise suunda.
Näited murdumisnäitaja väärtuse kohta
Anname tuttavate keskkondade jaoks erinevaid väärtusi:
- Soola (keemiline valem NaCl) kui mineraali nimetatakse haliidiks. Selle murdumisnäitaja on 1,544.
- Klaasi murdumisnurk arvutatakse selle murdumisnäitaja järgi. Sõltuv alt materjali tüübist on see väärtus vahemikus 1,487 kuni 2,186.
- Teemant on kuulus just selles sisalduva valguse mängu poolest. Juveliirid võtavad lõikamisel arvesse kõiki selle tasapindu. Teemandi murdumisnäitaja on 2,417.
- Lisanditest puhastatud vee murdumisnäitaja on 1,333. H2O on väga hea lahusti. Seetõttu pole looduses keemiliselt puhast vett. Iga kaev, iga jõgi on iseloomustatudselle koostisega. Seetõttu muutub ka murdumisnäitaja. Kuid lihtsate kooliülesannete lahendamiseks võite võtta selle väärtuse.
Jupiter, Saturn, Callisto
Siiani oleme rääkinud maise maailma ilust. Niinimetatud norma altingimused eeldavad väga spetsiifilist temperatuuri ja rõhku. Kuid päikesesüsteemis on ka teisi planeete. Seal on üsna erinevad maastikud.
Näiteks Jupiteril on metaanipilvedes ja heeliumi ülesvoolus võimalik jälgida argooni udu. Ka röntgenikiirgus on seal levinud.
Saturnil katavad vesiniku atmosfääri etaanudud. Planeedi alumistel kihtidel sajab teemantvihma väga kuumadest metaanipilvedest.
Jupiteri kivisel külmunud kuul Callisto on aga süsivesinikerikas siseookean. Võib-olla elavad selle sügavustes väävlit tarbivad bakterid.
Ja igal neist maastikest loob ilu valguse mäng erinevatel pindadel, servadel, äärtel ja pilvedel.
