Διάθλαση είναι η κάμψη των κυμάτων καθώς περνούν από το ένα μέσο στο άλλο, λόγω αλλαγής της ταχύτητάς τους. Το φαινόμενο συνδέεται συχνότερα με το φως, αλλά μπορεί επίσης να ισχύει και για τα κύματα ήχου, ή ακόμα και του νερού. Συμβαίνει όταν μια σειρά κυμάτων ταξιδεύει προς το νέο μέσο υπό γωνία, έτσι ώστε η μία πλευρά να έχει μια αλλαγή στην ταχύτητα πριν από την άλλη, με αποτέλεσμα να στρίβει προς την πιο αργή πλευρά με τον ίδιο τρόπο που ένα κινούμενο όχημα τείνει να στρίψει εάν η μία πλευρά επιβραδύνεται περισσότερο από την άλλη. Η διάθλαση μπορεί να προκαλέσει τα αντικείμενα να φαίνονται μετατοπισμένα και μπορεί να ενισχύσει τους μακρινούς ήχους. Έχει πολλές χρήσεις στο πλαίσιο του φωτός, όπως φακούς και πρίσματα.
Δείκτης διάθλασης
Κάθε μέσο μέσω του οποίου μπορούν να κινηθούν τα κύματα έχει δείκτη διάθλασης που δείχνει πόσο γρήγορα θα ταξιδέψουν. Στην περίπτωση του φωτός, αυτό βρίσκεται διαιρώντας την ταχύτητά του στο κενό με την ταχύτητά του στο συγκεκριμένο μέσο. Είναι μια αναλογία μεταξύ των ταχυτήτων των μέσων, άρα δεν μετριέται σε καμία μονάδα. Ο δείκτης διάθλασης γενικά αυξάνεται με την πυκνότητα του μέσου: είναι ένας για το κενό και είναι μεγαλύτερος από έναν για όλα τα γνωστά φυσικά υλικά.
Ο αέρας έχει συνήθως δείκτη διάθλασης περίπου 1.00029, αλλά αυτός ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία και την πίεση. Για το νερό, η τιμή είναι περίπου 1.33 και για το ποτήρι, περίπου 1.50 – 1.75, ανάλογα με τον τύπο. Το διαμάντι έχει πολύ υψηλό δείκτη διάθλασης 2.417, που παράγει το γνωστό φαινόμενο σπινθηρίσματος.
Καθημερινά Παραδείγματα
Το πιο συνηθισμένο παράδειγμα που χρησιμοποιείται όταν συζητείται η διάθλαση είναι ένα καλαμάκι σε νερό. Όταν ένα καλαμάκι τοποθετείται σε ένα ποτήρι νερό και το βλέπει κανείς από το πλάι, φαίνεται να είναι σπασμένο ή λυγισμένο. Αυτό οφείλεται στη διαφορά στους δείκτες διάθλασης αέρα και νερού. Δεδομένου ότι το νερό είναι πιο πυκνό από τον αέρα, το άχυρο φαίνεται να λυγίζει καθώς το φως που αντανακλά επιβραδύνεται από την πυκνότητα του νερού. Αυτό το φαινόμενο κάνει επίσης τα βυθισμένα αντικείμενα, όπως τα ψάρια, να φαίνονται πιο κοντά στην επιφάνεια από ό,τι στην πραγματικότητα.
Δεδομένου ότι ο δείκτης διάθλασης του αέρα ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία και την πίεση, τα αντικείμενα μπορεί να εμφανίζονται μετατοπισμένα ή παραμορφωμένα σε ορισμένες συνθήκες. Η γνωστή ψευδαίσθηση του νερού που βρίσκεται σε έναν δρόμο μια ζεστή μέρα είναι ένα παράδειγμα: είναι μια διαθλασμένη εικόνα του ουρανού που προκαλείται από τη θέρμανση του αέρα κοντά στην επιφάνεια του δρόμου. Μερικές φορές στρώματα αέρα σε διαφορετικές θερμοκρασίες και πιέσεις μπορούν να κάνουν ορατά αντικείμενα που βρίσκονται πάνω από τον ορίζοντα – αυτό είναι γνωστό ως αντικατοπτρισμός. Διαφορετικά στρώματα αέρα μπορούν να παράγουν παρόμοια φαινόμενα με τον ήχο. Στις κατάλληλες συνθήκες, οι μακρινοί ήχοι μπορεί να φαίνονται κοντά, επειδή ορισμένα από τα ηχητικά κύματα, που αρχικά κατευθύνονται πάνω από τον ακροατή, μπορεί να είναι λυγισμένα προς τα κάτω, αυξάνοντας την ένταση.
Ένα πιο συνηθισμένο παράδειγμα είναι ένα ουράνιο τόξο, όπου το φως του ήλιου διαθλάται από σταγόνες βροχής. Το ηλιακό φως αποτελείται από ένα μείγμα διαφορετικών μηκών κύματος ή χρωμάτων φωτός, με το μπλε, για παράδειγμα, να έχει μικρότερο μήκος κύματος από το κόκκινο. Όταν αυτό το φως περνά μέσα από σταγόνες βροχής, τα μικρότερα μήκη κύματος κάμπτονται περισσότερο από τα μεγαλύτερα, χωρίζοντας το φως στα διαφορετικά του χρώματα.
μπορείτε να χρησιμοποιήσετε
Οι πιο κοινές χρήσεις της διάθλασης είναι σε φακούς και πρίσματα. Ένας φακός είναι σχεδιασμένος έτσι ώστε το φως που εισέρχεται σε αυτόν να εστιάζεται με διάθλαση προς ένα σημείο, παράγοντας μια μεγεθυμένη εικόνα ενός αντικειμένου. Οι φακοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κιάλια και τηλεσκόπια για τη λήψη λεπτομερών εικόνων απομακρυσμένων αντικειμένων ή σε μεγεθυντικούς φακούς και μικροσκόπια για την προβολή πολύ μικρών αντικειμένων, όπως μικροοργανισμούς που δεν είναι ορατοί με γυμνό μάτι. Ένα πρίσμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να χωρίσει το φως σε διαφορετικά χρώματα με τον ίδιο τρόπο που οι σταγόνες νερού δημιουργούν ένα ουράνιο τόξο, αλλά δίνοντας μια πιο ακριβή εικόνα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αναλύσει λεπτομερώς την πηγή φωτός.
Ο νόμος του Snell
Το φαινόμενο της διάθλασης ήταν γνωστό τουλάχιστον από την εποχή των αρχαίων Ελλήνων, και αρκετοί άνθρωποι μέσω της ιστορίας έχουν διατυπώσει νόμους για να το περιγράψουν, συμπεριλαμβανομένου του Ιμπν Σαχλ της Βαγδάτης, ο οποίος το 984 κατέληξε σε μια πολύ ακριβή περιγραφή, την οποία χρησιμοποιείται για τη δημιουργία φακών. Ο Ολλανδός αστρονόμος Willebrord van Roijen Snell δημιούργησε έναν μαθηματικό νόμο το 1621, ο οποίος αργότερα τροποποιήθηκε στον τύπο που ονομάζεται «Νόμος του Snell» από τον René Descartes το 1637. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της γωνίας διάθλασης για το φως που διέρχεται από δύο διαφορετικά μέσα.