Läätsedel olevad pildid, instrumentide, nagu mikroskoobid ja teleskoobid, töö, vikerkaarenähtus ja veekogu sügavuse petlik tajumine on kõik näited valguse murdumise nähtusest. Seda nähtust kirjeldavaid seadusi käsitletakse selles artiklis.
Refraktsiooni nähtus
Enne kui käsitleme valguse murdumise seadusi füüsikas, tutvume nähtuse enda olemusega.
Nagu teate, kui keskkond on kõigis ruumipunktides homogeenne, liigub valgus selles sirget teed pidi. Selle tee murdumine toimub siis, kui valguskiir ristub nurga all kahe läbipaistva materjali, näiteks klaasi ja vee või õhu ja klaasi vahelist liidest. Liikudes teisele homogeensele keskkonnale, liigub valgus samuti sirgjooneliselt, kuid see on juba esimeses keskkonnas suunatud oma trajektoori suhtes mingi nurga all. See on valguskiire murdumise nähtus.
Allpool olev video demonstreerib murdumise nähtust, kasutades näitena klaasi.
Oluline punkt on siin langemisnurkliidese tasapind. Selle nurga väärtus määrab, kas murdumisnähtust täheldatakse või mitte. Kui kiir langeb pinnaga risti, jätkab see pärast teise keskkonda sattumist sama sirge liikumist. Teine juhtum, kui murdumist ei toimu, on optiliselt tihedamast keskkonnast vähemtihedasse suunduva kiire langemisnurgad, mis on suuremad kui mõni kriitiline väärtus. Sel juhul peegeldub valguse energia täielikult tagasi esimesse keskkonda. Viimast efekti käsitletakse allpool.
Esimene murdumisseadus
Seda võib nimetada ka kolme sirge seaduseks ühes tasapinnas. Oletame, et kahe läbipaistva materjali vahelisele liidesele langeb valguskiir A. Punktis O kiir murdub ja hakkab liikuma mööda sirget B, mis ei ole A jätk. Kui taastada eraldustasandi risti N punkti O, siis 1. seadus nähtusele murdumist saab sõnastada järgmiselt: langev kiir A, normaal N ja murdunud kiir B asuvad samal tasapinnal, mis on liidesetasandiga risti.
See lihtne seadus pole ilmne. Selle sõnastus on eksperimentaalsete andmete üldistamise tulemus. Matemaatiliselt saab selle tuletada nn Fermat' printsiibi või vähima aja printsiibi abil.
Teine murdumisseadus
Koolifüüsikaõpetajad annavad õpilastele sageli järgmise ülesande: "Formuleerige valguse murdumise seadused." Oleme kaalunud ühte neist, nüüd liigume teise juurde.
Tähistage kiirte A ja risti N vahelist nurka θ1, kiirte B ja N vahelist nurka nimetatakse θ2. Samuti võtame arvesse, et kiire A kiirus keskmises 1 on v1, kiire B kiirus keskkonnas 2 on v2. Nüüd saame anda vaadeldava nähtuse 2. seaduse matemaatilise sõnastuse:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
Selle valemi hankis hollandlane Snell 17. sajandi alguses ja kannab nüüd tema perekonnanime.
Avaldisest järeldub oluline järeldus: mida suurem on valguse levimiskiirus keskkonnas, seda kaugemal on kiir normaalväärtusest (seda suurem on nurga siinus).
Keskkonna murdumisnäitaja mõiste
Ül altoodud Snelli valem on hetkel kirjutatud veidi teistsugusel kujul, mida on mugavam kasutada praktiliste ülesannete lahendamisel. Tõepoolest, valguse kiirus v aines, kuigi see on väiksem kui vaakumis, on siiski suur väärtus, millega on raske töötada. Seetõttu võeti füüsikasse kasutusele suhteline väärtus, mille võrdsus on esitatud allpool:
n=c/v.
Siin c on kiire kiirus vaakumis. N väärtus näitab, mitu korda on c väärtus materjalis suurem kui v väärtus. Seda nimetatakse selle materjali murdumisnäitajaks.
Võttes arvesse sisestatud väärtust, kirjutatakse valguse murdumise seaduse valem ümber järgmisel kujul:
sin(θ1)n1=sin(θ2) n2.
Materjal, mille väärtus on suur n,nimetatakse optiliselt tihedaks. Seda läbides aeglustab valgus kiirust n korda võrreldes sama väärtusega õhuvaba ruumi puhul.
See valem näitab, et valgusvihk asub optiliselt tihedamas keskkonnas normaalsele lähemal.
Näiteks märgime, et õhu murdumisnäitaja on peaaegu võrdne ühega (1, 00029). Vee puhul on selle väärtus 1,33.
Täielik peegeldus optiliselt tihedas keskkonnas
Teostame järgmise katse: käivitame veesambast selle pinna suunas valguskiire. Kuna vesi on õhust optiliselt tihedam (1, 33>1, 00029), on langemisnurk θ1 väiksem kui murdumisnurk θ2. Nüüd suurendame järk-järgult θ1, vastav alt θ2, samas kui ebavõrdsus θ1<θ2jääb alati tõeseks.
Tuleb hetk, mil θ1<90o ja θ2=90 o. Seda nurka θ1 nimetatakse vesi-õhk kandja paari puhul kriitiliseks. Sellest suuremad langemisnurgad ei põhjusta seda, et ükski osa kiirest ei lähe läbi vee-õhu liidese vähem tihedasse keskkonda. Kogu piiril olev kiir peegeldub täielikult.
Kriitilise langemisnurga θc arvutamine toimub järgmise valemiga:
θc=arcsin(n2/n1).
Meedia vee jaõhk on 48, 77o.
Pange tähele, et see nähtus ei ole pöörduv, st kui valgus liigub õhust vette, puudub kriitiline nurk.
Kirjeldatud nähtust kasutatakse optiliste kiudude töös ning koos valguse hajutamisega põhjustab see vihma ajal primaarse ja sekundaarse vikerkaare tekkimist.
