Khúc xạ ánh sáng

Chiết suất và tốc độ truyền

Chiết suất được định nghĩa n = c/v. n lớn hơn nghĩa là ánh sáng truyền chậm hơn trong môi trường. Tại mặt phân cách đứng yên, tần số do nguồn quyết định vẫn liên tục, nên khi tốc độ đổi thì bước sóng đổi. Mọi góc được đo từ pháp tuyến: đi vào môi trường có n cao hơn thì tia lệch về pháp tuyến; đi vào n thấp hơn thì lệch ra xa.

Định luật Snell

n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂, với cả hai góc đo từ pháp tuyến. Nếu n₂ > n₁ thì θ₂ thường nhỏ hơn. Ở tới vuông góc θ₁ = 0, tốc độ và bước sóng có thể đổi nhưng hướng không đổi. Khi ánh sáng đi từ n cao sang n thấp, có những góc mà phương trình không có tia truyền thực; đó là phản xạ toàn phần.

Điều gì không đổi tại mặt phân cách

Tại một biên đứng yên, ánh sáng truyền qua có cùng tần số với ánh sáng tới vì trường điện từ tại biên phải dao động liên tục theo cùng nhịp thời gian. Từ v = fλ, tốc độ giảm thì bước sóng giảm theo cùng tỉ lệ. Sóng phản xạ vẫn ở môi trường thứ nhất nên tốc độ và bước sóng trong môi trường đó giống sóng tới.

Tán sắc và vật liệu thực

Chiết suất của vật liệu thực thường phụ thuộc nhẹ vào bước sóng, gọi là tán sắc. Vì thế ánh sáng trắng tách màu qua lăng kính và thấu kính có thể có sai sắc. Một giá trị n duy nhất trong bảng luôn gắn với một bước sóng hay miền bước sóng. Định luật Snell vẫn dùng được, nhưng phải chọn n phù hợp với màu đang xét.

Tách riêng hướng, tốc độ và bước sóng

Nên tách bài toán thành ba câu hỏi: dùng Snell cho hướng, dùng n = c/v cho tốc độ, rồi dùng v = fλ với f không đổi cho bước sóng. Cách này tránh lỗi nói rằng khúc xạ làm đổi tần số. Cũng phải đổi đúng mốc góc: một tia tạo 20° với mặt phân cách thì tạo 70° với pháp tuyến.

Ví dụ có lời giải

1. Từ không khí vào thủy tinh

n₁ = 1,00, n₂ = 1,50 và θ₁ = 30°. Tìm θ₂.

2. Tốc độ ánh sáng trong nước

Nước có n = 1,33; lấy c = 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹.

3. Bước sóng trong thủy tinh

Ánh sáng 600 nm trong không khí đi vào thủy tinh n = 1,50.