Ljósbrot
Ljós brotnar þegar það fer milli efna þar sem fasahraðinn er mismunandi. Stefnubreytingin stafar af jaðarskilyrðum bylgjunnar við skilflötinn á sama tíma og tíðnin helst óbreytt.
Brotstuðull tengir ljóshraða við efnið
Brotstuðullinn er n = c/v, þar sem c er ljóshraði í tómarúmi og v fasahraði í efninu. Í algengum gegnsæjum efnum er n > 1 og því v < c.
Þegar ljós fer í efni með hærra n minnkar fasahraðinn. Tíðnin breytist þó ekki við skilflötinn; hún ræðst af uppsprettunni og tímasveiflan þarf að vera samfelld yfir mörkin.
Lögmál Snells ákvarðar stefnu geislans
Fyrir horn mæld frá þverlinu gildir n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂. Þegar ljós fer í hærra n beygist það að þverlinu; þegar það fer í lægra n beygist það frá þverlinu.
Hornin eru mæld frá þverlinu, ekki frá yfirborðinu. Ef reiknað sin θ₂ verður stærra en 1 við ferð úr hærra n í lægra n er enginn raunverulegur brotgeisli og alger innri endurkast á sér stað.
Reiknivél fyrir lögmál Snells
Tíðnin breytist ekki við skilflötinn
Við kyrrstæðan skilflöt er tíðnin sú sama báðum megin. Þar sem v = fλ verður bylgjulengdin að breytast þegar fasahraðinn breytist. Í efni er λ = λ₀/n ef λ₀ er bylgjulengd í tómarúmi.
Ljósbrot breytir því stefnu og bylgjulengd með breyttum fasahraða en ekki tíðni. Orka ljóseindar E = hf helst því óbreytt við hugsjónakenndan kyrrstæðan skilflöt.
Dreifing og raunveruleg efni
Í raunverulegum efnum fer n eftir tíðni eða bylgjulengd. Mismunandi litir brotna því um örlítið mismunandi horn. Prisma getur klofið hvítt ljós vegna þess að fjólublátt og rautt ljós hafa ekki nákvæmlega sama brotstuðul.
Uppgefið n-gildi á því við ákveðnar aðstæður, oft ákveðna bylgjulengd og hitastig. Nákvæm ljósfræði notar dreifigögn í stað eins fasts brotstuðuls fyrir allt litrófið.
Aðgreindu stefnu, hraða og bylgjulengd
Þrjár spurningar eiga að vera aðskildar: lögmál Snells gefur stefnu, n = c/v fasahraða og v = fλ bylgjulengd þegar f er þekkt. Að blanda þessum skrefum saman er algeng villa.
Hornrétt innfall breytir ekki stefnu geislans þótt hraði og bylgjulengd breytist. Mikil stefnubreyting getur aftur á móti átt sér stað án tíðnibreytingar. Nefndu því alltaf hvaða stærð er að breytast.
Leyst dæmi
1. Úr lofti í gler
Ljós fer úr lofti með n₁ = 1,00 í gler með n₂ = 1,50 við θ₁ = 30,0°. Finndu θ₂.
Lausn
sin θ₂ = (1,00/1,50) sin 30,0° = 1/3 og því θ₂ ≈ 19,5°. Geislinn beygist að þverlinu.
2. Ljóshraði í vatni
Efni hefur n = 1,33. Finndu fasahraða ljóss.
Lausn
v = c/n = (2,998 × 10⁸)/1,33 ≈ 2,26 × 10⁸ m s⁻¹.
3. Bylgjulengd í gleri
Ljós hefur bylgjulengd 600 nm í tómarúmi og fer í gler með n = 1,50. Finndu bylgjulengdina í glerinu.
Lausn
Tíðnin helst óbreytt, þannig að λ = λ₀/n = 600/1,50 = 400 nm.