Заломлення світла
Заломлення — зміна напряму поширення хвилі при переході між середовищами з різною фазовою швидкістю. Для світла закон Снелліуса n₁sinθ₁=n₂sinθ₂ пов’язує кути з показниками заломлення, а частота на межі залишається сталою.
Чому промінь повертає
Коли фронт хвилі входить в інше середовище не одночасно по всій ширині, одна його частина змінює швидкість раніше за іншу. Це змінює напрям фронту і, відповідно, напрям поширення. Така хвильова картина доповнює геометричне правило Снелліуса.
Показник заломлення
Для прозорого середовища n≈c/vф, де vф — фазова швидкість світла в середовищі. Більший n означає меншу фазову швидкість. При переході з меншого n до більшого промінь у звичайній ситуації згинається до нормалі.
Частота і довжина хвилі
Частоту визначає джерело і вона повинна узгоджуватися в часі на межі, тому f не змінюється. Оскільки v=fλ, зміна швидкості означає зміну довжини хвилі. Саме тому “світло сповільнилось” не означає зниження його частоти.
Дисперсія
Показник заломлення залежить від довжини хвилі. У звичайному склі синє світло часто має трохи більший n, ніж червоне, тому заломлюється сильніше. Призма просторово розділяє кольори саме через цю дисперсію.
Повне внутрішнє відбиття
Якщо світло йде з більшого n до меншого, існує критичний кут, за якого заломлений промінь іде вздовж межі. Для більших кутів поширюваного заломленого променя немає і виникає повне внутрішнє відбиття, хоча в другому середовищі існує еванесцентне поле.
Уявна глибина
Предмет під водою здається ближчим до поверхні, бо промені при виході у повітря відхиляються від нормалі, а мозок екстраполює їх приблизно прямолінійно назад. Це повсякденний наслідок заломлення, а не реальна зміна положення предмета.
Межі променевої моделі
Закон Снелліуса дуже точний для однорідних середовищ і плоскої межі, але на масштабах, порівнянних з довжиною хвилі, важливі дифракція та повна хвильова теорія. У поглинаючих або анізотропних матеріалах показник може бути комплексним або залежати від напрямку та поляризації.
Принцип найменшого часу
Закон Снелліуса можна отримати не лише з геометрії хвиль, а й з принципу Ферма: реальний оптичний шлях робить час проходження стаціонарним відносно малих сусідніх траєкторій. Це пояснює, чому промінь може обрати геометрично довший шлях у швидшому середовищі. Такий підхід об’єднує заломлення, відбиття та багато задач геометричної оптики.
Вправа
Світло переходить з повітря n≈1,00 у скло n=1,50 під кутом 30° до нормалі. Який приблизно кут заломлення?
Розв’язання
sinθ₂=(1,00/1,50)sin30°=1/3, тому θ₂≈19,5°. Промінь згинається до нормалі, бо входить у середовище з більшим показником заломлення.