A fizika a hullám , a fénytörés jelenti a kitérése hullám (beleértve az optikai , akusztikai vagy szeizmikus ) közötti határfelületen a két közeg fázisú sebességek különböznek a kémiai vagy fizikai ( sűrűség , impedancia , hőmérséklet , ...)
A fénytörés az irány megváltoztatását eredményezi:
A két irányváltozás törés esetén ekvivalens, azonban az elsőt inkább a jelenség magyarázatára, a másodikat pedig a számszerűsítésre választjuk.
A fény térítjük, amikor az áthalad az egyik átlátszó közegből a másikba (például: a levegő a víz , vagy fordítva ...). Ezt a jelenséget figyeljük meg, amikor egy szalmát nézünk egy pohárban: töröttnek tűnik. Ez a látszólagos "törés" a "fénytörés" szó eredete.
A fényről azt mondják, hogy „megtört”, és a különféle átlátszó közeget jellemző tulajdonság a „fénytörés”.
Különbséget teszünk a diffúz fénytörést a tökéletes fénytörés : ha figyelembe vesszük, egy vékony fénysugár, egy fénysugár, akkor:
A diffúz fénytörés az általános eset. Tény, hogy a tökéletes fénytörés érdekében a dioptriának (a közeg elválasztó felületének) tökéletesen simanak kell lennie, a második közegnek pedig tökéletesen átlátszónak, különösen amorfnak vagy monokristályosnak . A természetben ez általában csak ránctalan víz esetén található meg szuszpendált részecskék nélkül (nem zavaros ).
Másrészről ismert, hogy tökéletes fénytöréssel rendelkező mesterséges rendszereket gyártanak, különösen levegő-üveg vagy levegő-műanyag rendszerek. Diffúz fénytöréssel rendelkező rendszerek önkéntes gyártása is lehetséges, például áttetsző üvegek, amelyek lehetővé teszik a fény bejutását a helyiségbe, de megóvják a magánszférát, vagy biztosítják a "puha" megvilágítást (kevés kontrasztot létrehozva, például fehér felületű izzók esetén) ).
A cikk további részében tökéletes fénytörést feltételezünk.
Tökéletes fénytörés esetén a jelenséget numerikus érték írja le: a „ törésmutató ”.
A törés, amelyet gyakran tévesen neveznek törésnek, a koherens " Rayleigh-szórás " .
Mivel az optikai kísérletek a legközvetlenebbek, a fénytörés fogalmát az optikában fedezték fel.
A fénytörést Ptolemaiosz már jól ismerte .
Az első, aki a törés törvényét említette, Ibn Sahl (kb. 940–1000), lásd még: Iszlám Tudományok és Technikák .
Robert Grossetête , az európai , majd adott egy tökéletlen változata a fénytörési törvény: a „szög fénytörés felével egyenlő a beesési szög”.
Az optikában minden átlátszó közeget törésmutatóval jellemezünk, amelyet n i-nek jelölünk . A két közeget elválasztó felületet dioptriának nevezzük .
A törés törvényei (főleg a második törvény), amelyeket Snell és Descartes mondtak ki , lehetővé teszik a jelenség kvantitatív áttekintését. A fénytörés érdekében a Snell-Descartes törvényei a következőket írják elő:
Ekkor észrevehetjük, hogy:
(Lásd még a reflexió és a fénytörés törvényeinek általánosítását )
Az elektromágneses elmélet Maxwell általi megfogalmazása lehetővé tette bármely elektromágneses hullám törésjelenségének kiemelését .
A magyarázat a törött ceruza kísérlet nyugszik két fontos pontot: a jogszabályok Snell-Descartes , és a tulajdonosok stigmatism megközelítette a sík dioptria által megengedett szem , ami csak felfogja a finom ecsettel megtört fény..
Aztán megfigyelhető, hogy mivel a sugarak megtörnek, miközben eltérnek a normálistól, mivel a levegő indexe alacsonyabb, mint a víz indexe, úgy tűnik, hogy a megfigyelő szemébe érkező fény egy magasabb pontról származik.
A szemközti ábra szemlélteti a ceruza végén lévő pontot. Erre azért lenne szükség, hogy az egyes pontoknál meg legyen a ceruza képe (a hozzávetőleges megbélyegzés értelmében) (a dioptria hatása torz képet is eredményez).
Megállapíthatunk bizonyos megjegyzéseket:
Ha n 1 > n 2 (például a víz levegőbe jutása), akkor Snell-Descartes törvénye szerint:
ebből kifolyólag :
Az 1-hez közeli bűnértékekre (θ 1 ), vagyis a legeltetési incidenciákra (a felülethez közeli incidensugár) a Snell-Descartes-törvény a bűn (θ 2 ) értékét nagyobb, mint 1. , kilépünk az érvényességi tartományunkból: ez megfelel azoknak a helyzeteknek, amikor nincs fénytörés, hanem csak reflexió, „ teljes reflexióról ” beszélünk .
A törés korlátozó szöge (vagy kritikus szöge) tehát:
Valóban, és így .
Ezt a tulajdonságot használják bizonyos fényvisszaverő rendszerekben ( prizma ) és telekommunikációs alkalmazásokban, például optikai szálakban .
A Snell-Descartes összefüggés geometrikusan lefordítható. Ez lehetővé teszi a megtört sugár egyszerű geometriai felépítését (az úgynevezett Descartes-t).
Ez a konstrukció a „nyomkörök” rajzán alapul. Megrajzoljuk a két sugarú kört, és középre helyezzük az esési pontra ( I ). A beeső sugár (érkező közeg 1) belenyúlik a közepes 2 és metszi Circle 1 egy olyan ponton Egy vetülete olyan H olyan, hogy, az építési, IH = .
A Snell-Descartes-kapcsolat kielégítéséhez a megtört sugárnak metszenie kell a 2 kört egy azonos vetületű B pontban . Ezért elegendő meghosszabbítani a vonalat (AH) a 2. körrel való metszéspontjáig.
Ezeket a törvényeket általánosíthatjuk a két közeget elválasztó interfész módosításával a kiválasztott nanostruktúrák segítségével úgy, hogy állandó fázisgradiens kerüljön bevezetésre az interfész átlépésekor.
A reflexió és a fénytörés új törvényeit, amelyeket ennek a fázisgradiensnek a figyelembe vételével kaptak, megfogalmazzák a töréshez:
ahol a felületen hirtelen bevezetett fázisgradiens és a reflexió:
hol van a beesési szög és a visszaverődési szög. A visszaverődés törvénye meglepő: a visszaverési szög már nem feltétlenül egyenlő a beesési szöggel.
A nanostruktúrák méretét jóval kisebbnek kell megválasztani, mint a fény hullámhossza, hogy az interfész átlépésekor hirtelen bejusson a fázisgradiens (leválasztva ezzel a terjedés során felgyülemlett fázist és a nanostruktúrák által hirtelen bevezetett fázisgradienst).
A fénysebesség a két körben nem azonos. Ez az értékváltozás elegendő a hullám irányváltozásának értelmezéséhez. Ez Christian Huygens , aki ad egy modellt, társításával a fény terjedési való szaporodásával egy hullám előtt (1673), és fel fogja használni, hogy magyarázza a kettős fénytörés az izlandi pát , megfigyelt Rasmus Bartholin .
A Huygens-Fresnel elv azt állítja, hogy egy interfészen az első közegből érkező hullám által elért összes pont újból kibocsát egy hullámot a második közegben. A fénytörés ekkor úgy értelmezhető, mint a hullámfront eltérése ezen újból kibocsátott hullámok alacsonyabb (vagy gyorsabb) sebességéhez kapcsolva.
Huygens - ezzel szemben Newton ellen - úgy vélte, hogy a fény hullám , amely lépésről lépésre terjed az átlátszó közegben. A hullámfrontot hullámok egymásra helyezésének képzelte el, így amikor egy dioptrián áthaladva a sebesség mindkét oldalon eltérő, a hullámok mérete ugyanannyival változik, és a front eredményre tér. A középső indexek aránya ekkor egyszerűen a gyorsaságok arányaként jelenik meg:
Ugyanez az elv alkalmazható a reflexió (elegendő a hullámok első közegben kibontakozó részét figyelembe venni) és a diffrakció figyelembevételével is .
Ez az értelmezés geometriai konstrukciót is lehetővé tesz. Ez hasonló Descarteséhez, de a gyorsaságok összehasonlításán alapul.
A követendő sugarak ekkor 1 / n 1 és 1 / n 2-ben vannak , a geometriai okok pedig a hullámsíkok közös metszéspontján ( B pont ) alapulnak , amelyeknek természetüknél fogva érintenie kell a hullámokat.
A legnagyobb hullám az ábrán a hullámfront helyzetének felel meg, ha nem volt dioptria (itt n 2 > n 1 ), míg a legkisebb kör tehát az l diffrakciós hullám elejének felel meg.
A törött sugár tehát jól áll az ( IC ) szerint ( én vagyok az incidencia pontja).
Különösen meghökkentő szempont az a lehetőség, hogy ezeket a Snell-Descartes-törvényeket a legkevésbé, pontosabban a legkevesebb idő szempontjából is értelmezzük.
Fermat volt az, aki bevezette ezt az értelmezést, amely mind a számára alapvető kérdéseket szolgáltat e kisebb tanfolyam „okáról”, mind pedig egy nagyon erős elméleti megközelítésről, amelyet kevesebb cselekvésnek neveznek .
Nyilatkozat a Fermat-elv :
„ A fény egyik pontról a másikra úgy terjed a pályákon, hogy az utazás időtartama álló . "Itt is egy "mechanikus" analógia segíthet megérteni, hogy az utazás időtartama és a megtört pálya miért áll szorosan összefüggésben.
Gondoljunk most arra, hogy egy sportolónak a part egyik pontjáról kell indulnia, és a lehető leggyorsabban csatlakoznia kell a vízben elhelyezkedő bójákhoz. A sportoló ismét gyorsabban fut a tengerparton, mint a vízen halad. Következésképpen ezért tanácsos nem egyenes vonalban haladni a bója felé, hanem meghosszabbítani a homokon megtett távolságot (és csökkenteni a vízben megtett távolságot). De természetesen a homokon sem szabad túl sokat nyújtózkodni ...
Ezután megtalálhatjuk a minimális időnek megfelelő utat. Ez egy olyan út, hogy a víz szélén az érkezési pont nem az egyenes metszéspontja, sem az az eset, amikor a vízben a legkisebb a távolság (a partra merőlegesen úszva), hanem egy pont a kettő között, és ami olyan, hogy:
Megtaláljuk a törés törvényének kifejezését.
Amikor egy sugár d távolságot tesz meg az n index közegében, optikai útnak nevezzük , és L-vel jelöljük a távolság és az index szorzatát:
Ha egy sugár médiumot vált és d 1 távolságot tesz meg az n 1 index közegében, és d 2 távolságot az n 2 index közegében , akkor a megtett optikai út:
Ekkor észrevesszük, hogy az az út, amelyen a sugár az egyik pontról a másikra halad, mindig megfelel az L (minimum vagy néha maximum) szélsőségének : egyenes egy adott közegben, és törés a Snell-Descartes törvény szerint, amikor ' megváltoztatja a környezetet. Ezt nevezzük a legkevesebb cselekvés elvének .
Vegye figyelembe, hogy ez megállapítás, következmény és nem ok. A fénysugárnak nincs stratégiája, nem úgy dönt, hogy ezt vagy azt az utat választja, és az érkezési pont nincs előre megadva! De ez az elv nagyon erős, és a fizika számos megközelítésére általánosítható. Az optikában lehetővé teszi az út kiszámítását változó indexű közegben.
Változó index médiaEddig homogén és izotróp közegeket vettek figyelembe, amelyekben a fénysebesség mindenhol és minden irányban azonos volt. Vannak olyan közegek, amelyekben a fénysebesség és ezért a törésmutató folyamatosan változik, például a levegő.
Ha a talaj meleg, akkor a levegő hőmérséklete csökken, ha az ember magasságba emelkedik. A levegő sűrűsége és a fénysebesség változik, ezért az index is ( indexgradiens ); így a bitumen nagyon forró időben torzítja a képeket, vagy képzeletbeli tócsákat jelenít meg, tükrözve az eget (konkáv a fényút teteje felé), és hogy a sivatagban oázist láthatunk, bár egy dűne mögött van (konkáv ebben az esetben), de a " délibáb " kifejezés a nap hatására is vonatkozik az utazó képzeletére.
Egy másik gyakori kísérlet abból áll, hogy vízzel töltött akváriumot veszünk, és az aljára sót teszünk: a só koncentrációja alul nagyobb, mint a felszínen, és a törésmutató ennek a koncentrációnak megfelelően változik; egy kevés fluoreszceint tartalmazó akváriumon áthaladó lézersugár ezután görbe pályát (és már nem egyenes vonalat) adhat.
Végül az optikai szálakban a törésmutató önként változik a szál közepétől mért távolság függvényében; ebben az esetben az index változása a fénysugár „csapdázására” szolgál, amely hullámzik és követi a szálat, nem pedig a széleken tükröződik.
Ezekben a közegekben az n index tehát a figyelembe vett ponttól függ, n az ( x , y , z ) pozíció függvénye (lásd a gradiens függvényét ).
Teljes optikai útA fénysugár útja középen egy C görbe . Vegyünk egy kis utat az s ponttól az s + ds pontig , amelyen az index állandónak tekinthető ( s a C görbületű abszcisszája , vagyis a kiindulási ponttól származó görbe követésével megtett távolság). Az optikai út lokálisan van:
a teljes optikai út tehát:
A legkisebb hatás elve szerint a fénysugár által követett út megegyezik azzal, amelynek a legkisebb L értéke van . Ez lehetővé teszi a sugár pályájának kiszámítását.
Általában, tehát a mechanikában is, a terjedés ugyanazokat az alapvető törvényeket követi, különös tekintettel arra, hogy a sebesség csak a közegtől függ: rugalmasságától és tehetetlenségétől. A reflexió, a fénytörés, a diffrakció és az interferencia jelenségei ezért ezekre a hullámokra is léteznek. A közeg által a terjedéshez kínált térdimenziók számától függően ezek a jelenségek egésze vagy egy része látható.
Így egydimenziós terjedéshez (például egy húr mentén hullám) könnyű megfigyelni a visszaverődést, és kísérletezni lehet két, különböző lineáris tömegű húr közötti átvitelre (részleges visszaverővel) . A víz felszínén található hullámok esetében a reflexió, a törés és a diffrakció jelenségei könnyen megfigyelhetők. Ami a minket körülvevő akusztikus hullámokat illeti, háromdimenziós terjedésük a fülünkig nagyon gyakran mindezen jelenségek eredménye egyszerre.
A hullámok sebessége a vízben a folyadék mélységétől, az áram sebességétől és mérsékeltebben az amplitúdótól függ. Különösen alacsonyabb a sebesség, ha a mélység kisebb. Ez első értelmezést ad arról a tényről, hogy a hullámok címerei a parthoz közeledve szinte párhuzamosak lesznek a stranddal: a gerinc mélyebb vízben lévő része gyorsabban terjed, mint a sekély vízben lévő rész, és a gerinc a tengerpart felé fordul. Megjegyezzük azt is, hogy a köpeny közelében konvergencia és egy öbölben terjeszkedés van.
Ez a sebességváltozás éppen ezért okozza a síkhullám terjedési irányának változását, amint azt a fent említett Huygens-elv elmagyarázta.
A jelenség megfigyelése "hullámtartályon" végezhető: egy lapos tartály alacsony (centiméter nagyságrendű) vizet tartalmaz. A tartály aljának egy részére egy lemezt helyeznek, ami ezért hirtelen mélységváltozást okoz. Egy síkhullámot (amelyet egy vízszintes rúd rezgése okoz), ezután elhajlik, amikor áthalad ezen a dioptrián.
A hanghullámok is ilyen eltérésen mennek keresztül. A légkörben a hang sebessége a nyomástól és a hőmérséklettől (tehát a magasságtól), a páratartalomtól és a szél sebességétől függ. A jelenséget a hőmérséklet változása a magasság, az úgynevezett hőmérséklet gradiens , az a hatása, hajlítás a hang sugarai felfelé normális időkben, vagyis ha a hőmérséklet csökken a magassággal és közbeni hőmérsékleti inverzió . Ez az oka annak, hogy a hang felmegy a lejtőkön, ez a jelenség gyakran hallható a hegyekben.
Hasonlóképpen, ha a szél sebessége növekszik a magassággal a hang sugarak megtörik lefelé az irányt a szél, és felfelé az ellentétes irányba, hogy a szél. Ezért a szél "hordozza a hangot". Fontos a szél és a magasság (szélgradiens) változása, nem pedig maga a szél sebessége (jóval alacsonyabb, mint a hangsebesség).
A szeizmikus hullámok terjedési sebessége a sűrűségtől, tehát a mélységtől és annak összetételétől függ. Ezért fordul elő:
Mint egy fénysugár annyira deformálódik, amikor áthalad egy közeg törésmutatója n 1 egy másik index N 2 , a rádió hullám mehet keresztül irányváltást függően mind a frekvencia és a variáció. A törésmutató. Ez a jelenség különösen fontos az ionoszférikus terjedés esetén , az a visszaverődés, amelyet egy dekametrikus hullám hajt végre az ionoszférában, valójában a törések folyamatos sorozata. A hagyományos optikában lencsével vagy prizmával megfigyelt jelenséget néhány centimétertől néhány deciméterig terjedő rádióhullámmal lehet reprodukálni.