Valon taittuminen

Valo taittuu siirtyessään väliaineesta toiseen, kun vaihe-nopeus muuttuu. Suunnanmuutos seuraa siitä, että aaltorintaman on täytettävä rajapinnan ehdot samalla kun taajuus pysyy rajalla samana.

Taitekerroin yhdistää valon nopeuden ja väliaineen

Taitekerroin määritellään n = c/v, missä c on valon nopeus tyhjiössä ja v vaihe-nopeus väliaineessa. Tavallisissa läpinäkyvissä aineissa n > 1 ja siten v < c.

Kun valo siirtyy suuremman n:n väliaineeseen, vaihe-nopeus pienenee. Taajuus ei silti muutu rajapinnassa, koska sen määrää lähde ja kentän ajallinen vaihtelu on jatkuva rajalla.

Snellin laki määrää säteen suunnan

θ₁θ₂n₁n₂
Snellin laissa kulmat mitataan normaalista. Siirtyminen suurempaan taitekertoimeen taittaa säteen normaalia kohti.

Normaalista mitatuille kulmille pätee n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂. Siirtyminen suurempaan n:ään taittaa säteen normaalia kohti, pienempään n:ään normaalista poispäin.

Kulmat mitataan aina normaalista, ei pinnasta. Jos suuremmasta n:stä pienempään siirryttäessä laskettu sin θ₂ ylittää arvon 1, todellista taittunutta sädettä ei ole ja tapahtuu kokonaisheijastus.

Snellin lain laskuri

Taajuus ei muutu rajapinnassa

λf = const.v = c/n
Staattisella rajapinnalla taajuus säilyy; vaihe-nopeuden muutos näkyy siis aallonpituuden muutoksena.

Paikallaan olevalla rajapinnalla taajuus on sama molemmilla puolilla. Koska v = fλ, aallonpituuden on muututtava vaihe-nopeuden mukana. Väliaineessa λ = λ₀/n, kun λ₀ on tyhjiöaallonpituus.

Tämä erottaa suureet toisistaan: taittuminen muuttaa suuntaa ja aallonpituutta nopeuden muuttuessa, mutta ei optista taajuutta. Siksi fotonin energia E = hf ei muutu ideaalisen staattisen rajapinnan vuoksi.

Dispersio ja todelliset materiaalit

Todellisissa aineissa n riippuu taajuudesta tai aallonpituudesta. Eri värit taittuvat siksi hieman eri kulmiin. Prisma hajottaa valkoista valoa, koska esimerkiksi violetin ja punaisen valon taitekertoimet eroavat.

Ilmoitettu n-arvo liittyy siis aina tiettyihin olosuhteisiin, usein tiettyyn aallonpituuteen ja lämpötilaan. Tarkassa optiikassa käytetään dispersiodataa yhden yleisluvun sijasta.

Pidä suunta, nopeus ja aallonpituus erillään

Kolme kysymystä kannattaa ratkaista erikseen: Snellin laki antaa suunnan, n = c/v vaihe-nopeuden ja v = fλ aallonpituuden, kun f tunnetaan. Näiden sekoittaminen aiheuttaa helposti virheitä.

Kohtisuora tulo ei muuta säteen suuntaa, vaikka nopeus ja aallonpituus muuttuvat. Suuri suunnanmuutos voi puolestaan tapahtua ilman taajuuden muutosta. On siis aina syytä nimetä, mikä suure muuttuu.

Ratkaistuja esimerkkejä

1. Ilmasta lasiin

Valo siirtyy ilmasta n₁ = 1,00 lasiin n₂ = 1,50 tulokulmalla θ₁ = 30,0°. Laske θ₂.

Ratkaisu

sin θ₂ = (1,00/1,50) sin 30,0° = 1/3, joten θ₂ ≈ 19,5°. Säde taittuu normaalia kohti.

2. Valon nopeus vedessä

Väliaineen taitekerroin on n = 1,33. Laske valon vaihe-nopeus.

Ratkaisu

v = c/n = (2,998 × 10⁸)/1,33 ≈ 2,26 × 10⁸ m s⁻¹.

3. Aallonpituus lasissa

Valon tyhjiöaallonpituus on 600 nm ja lasin n = 1,50. Laske aallonpituus lasissa.

Ratkaisu

Taajuus säilyy, joten λ = λ₀/n = 600/1,50 = 400 nm.