Διάθλαση

Γενικά Διάθλαση ονομάζεται το φυσικό φαινόμενο της εκτροπής της ευθύγραμμης τροχιάς διάδοσης που υφίστανται φωτεινά ή άλλα κύματα όταν διέρχονται από ένα διαπερατό από αυτά μέσο σε ένα άλλο.

Ιδιαίτερα, στην οπτική, Διάθλαση φωτός χαρακτηρίζεται κάθε οπτικό φαινόμενο της εκτροπής της διεύθυνσης των φωτεινών ακτίνων κατά τη μετάβασή τους από ένα διαπερατό μέσο διάδοσης με δείκτη διάθλασης ${\displaystyle n_{1}\,}$ σε άλλο μέσο διάδοσης με δείκτη διάθλασης ${\displaystyle n_{2}\neq n_{1}\,}$. Η διαχωριστική επιφάνεια των δύο μέσων ονομάζεται δίοπτρο.

Διάθλαση του φωτός στην επιφάνεια μεταξύ δύο μέσων διαφορετικών δεικτών διάθλασης, με ${\displaystyle n_{2}>n_{1}}$. Η ταχύτητα είναι μικρότερη στο δεύτερο μέσο (${\displaystyle u_{2}<u_{1}}$), οπότε και η γωνία διάθλασης ${\displaystyle \theta _{2}}$ είναι μικρότερη από τη γωνία πρόσπτωσης ${\displaystyle \theta _{1}}$ Σημείωση στο διάγραμμα η διακεκομμένη ευθεία, είναι η κάθετος, στην επιφάνεια πρόσπτωσης.

Διάθλαση φωτός (${\displaystyle \theta _{1}}$ = 60°).

Το φαινόμενο αυτό, που οφείλεται στη διαφορετική ταχύτητα διάδοσης του φωτεινού κύματος και που εξαρτάται από το διαπερατό μέσο στο οποίο διαδίδεται το κύμα εξετάζει η Κυματική οπτική. Αντίθετα τη μελέτη των γωνιών η Γεωμετρική οπτική.
Η σχέση που συνδέει τη γωνία πρόσπτωσης με τη γωνία διάθλασης, ως προς την κάθετο, στη διαχωριστική επιφάνεια είναι γνωστή ως Νόμος του Σνελ

Για μικρές γωνίες είναι δυνατό να γίνει η προσέγγιση . Από αυτή την προσέγγιση προκύπτουν και τα γεωμετρικά σφάλματα φακών.

Εκ των παραπάνω συνάγεται ότι στο "κενό" η πορεία των φωτεινών ακτίνων παραμένει αμετάβλητη, όταν δεν εκτρέπεται από βαρυτικά πεδία, όπως επίσης αμετάβλητη παραμένει κατά την διάδοσή τους μέσα σε ισόπυκνο διαπερατό μέσο π.χ. νερό, γυαλί κ.λπ.

Στην περίπτωση που φωτεινές ακτίνες διερχόμενες από ένα μέσον πέσουν κάθετα στην επιφάνεια του άλλου, τότε η γωνία πρόσπτωσης είναι μηδενική με αποτέλεσμα και η γωνία διάθλασης να είναι και αυτή μηδενική π.χ. ακτίνες φωτός από τον αέρα προσπίπτουσες κάθετα σε νερό συνεχίζουν στην ίδια διεύθυνση. Και αυτό το γνωρίζουν πολύ καλά οι γλάροι όταν εφορμούν κάθετα στη λεία τους.

Ορισμοί

• Γωνία πρόσπτωσης χαρακτηρίζεται η σχηματιζόμενη γωνία από την διεύθυνση της ακτίνας με την κάθετο του σημείου πρόσπτωσής της.
• Γωνία διάθλασης χαρακτηρίζεται η σχηματιζόμενη γωνία από την διαθλώμενη ακτίνα με την ίδια κάθετο του σημείου εισόδου στο διαπερατό μέσο. Όταν ακτίνες φωτός κινούνται από αραιότερο μέσον σε πυκνότερο η γωνία διάθλασης είναι πάντα μικρότερη της προσπίπτουσας. Το αντίθετο συμβαίνει από πυκνότερο σε αραιότερο μέσο.
• Επίπεδο διάθλασης χαρακτηρίζεται το επίπεδο που ορίζεται από τη προσπίπτουσα και ανακλώμενη ακτίνα.
• Κανονική διάθλαση ονομάζεται η εκτροπή μιας ακτίνας όταν περνάει από ένα μέσο σε άλλο που χωρίζονται μεταξύ τους από μια λεία επιφάνεια.
• Δείκτης διάθλασης (index of refraction) χαρακτηρίζεται το μέτρο της εκτροπής (ή κάμψης) που υφίσταται μια ακτίνα διερχόμενη από ένα διαπερατό μέσον σε άλλο. Ορίζεται ως ο λόγος της ταχύτητας διάδοσης του φωτός "κενό" ${\displaystyle c\,}$ προς την ταχύτητα διάδοσης στο υπό εξέταση διαπερατό μεσο ${\displaystyle u\,}$. Ισχύει δηλαδή

${\displaystyle n={\frac {c}{u}}}$

Από τον παραπάνω ορισμό φαίνεται πως ο δείκτης διάθλασης του κενού ισούται με τη μονάδα. Έτσι, στην περίπτωση όπου έχουμε μετάδοση ακτινοβολίας από το κενό σε ένα οπτικό μέσο με δείκτη διάθλασης ${\displaystyle n\,}$, ο τελευταίος μπορεί να οριστεί συναρτήσει των γωνιών πρόσπτωσης και διάθλασης .

Κάθε διαπερατό σώμα (μέσον) έχει ιδιαίτερο δείκτη διάθλασης, που εξαρτάται από τα φυσικά χαρακτηριστικά του. Στην ιδιότητα αυτή στηρίζονται πολλοί έλεγχοι τροφίμων π.χ. του βουτύρου, καθώς το αγνό βούτυρο έχει άλλο δείκτη από εκείνο του νοθευμένου, όπως συμβαίνει και με διάφορα λάδια κ.α. υγρά.

Διπλή διάθλαση

Διπλή διάθλαση ονομάζεται το φαινόμενο εκείνο κατά το οποίο μια φωτεινή ακτίνα που προσπίπτει σε ένα διαθλαστικό σώμα διασπάται σε δύο διαθλώμενες ακτίνες. Η μία εκ των δύο αυτών ακτίνων ονομάζεται τακτική και η άλλη έκτακτη.Τέτοια διαθλαστικά διαπερατά σώματα, ονομαζόμενα και "διπλοθλαστικά", είναι όλοι οι κρύσταλλοι εκτός εκείνων που κρυσταλοποιούνται κατά το κυβικό κρυσταλλικό σύστημα. Το φαινόμενο αυτό πρωτοπαρατηρήθηκε στη λεγόμενη "ισλανδική κρύσταλλο" που πρόκειται για ένα καθαρό (χημικά) ανθρακικό ασβέστιο σε κρυσταλλική μορφή. Η δια μέσου αυτού ανάγνωση ή παρατήρηση αντικειμένων, π.χ. γράμματα ή αντικείμενα παρουσιάζονται διπλά.

Νόμοι διάθλασης

Από τα παραπάνω αναφερόμενα καταλήγουμε, σε απλούστερη και συνοπτική απόδοση, στους ακόλουθους νόμους:

1. Το "επίπεδο διάθλασης" είναι κάθετο στη "διαθλαστική επιφάνεια".

2. Το πηλίκο του ημιτόνου της γωνίας πρόσπτωσης προς το ημίτονο της γωνίας διάθλασης είναι σταθερό για δύο ορισμένα οπτικά μέσα, όπου και υφίσταται η σχέση: ${\displaystyle {\frac {sin\alpha }{sin\beta }}=c}$ (σταθερό).

3. "Απόλυτος δείκτης διάθλασης" ορισμένου μέσου για συγκεκριμένη ακτινοβολία και θερμοκρασία είναι το πηλίκο των ταχυτήτων διάδοσης του φωτός ανάμεσα στα δύο σώματα που συμβαίνει η διάθλαση.

Ιστορία

Από τα σωζόμενα αρχαία κείμενα, πρώτος που θεωρείται ότι μελέτησε και διατύπωσε τους νόμους του φαινομένου της διάθλασης φέρεται ο Κλαύδιος Πτολεμαίος περί το 2ο αιώνα μ.Χ. στην Αλεξάνδρεια.^[1] Συγκεκριμένα ο Πτολεμαίος, από τα πειράματά του, εξήγαγε τους ακόλουθους νόμους διάθλασης:

• Το επίπεδο που δημιουργείται από την ακτίνα πρόσπτωσης με αυτήν της διάθλασης είναι κάθετο προς την επιφάνεια του διαπερατού μέσου στο οποίο παρατηρείται η διάθλαση.
• Η σχέση που υπάρχει μεταξύ γωνίας πρόσπτωσης και γωνίας διάθλασης είναι αριθμός σταθερός (και είναι αυτός που σήμερα λέγεται δείκτης διάθλασης).

Ο λεγόμενος, σήμερα, νόμος του Snell περιγράφεται για πρώτη φορά από τον Ιμπν Σαλ (Ibn Sahl) σε ένα χειρόγραφο γραμμένο γύρω στο 984, ο οποίος τον χρησιμοποιούσε για να προσδιορίσει το σχήμα φακών που να συγκεντρώνουν το φως χωρίς γεωμετρική αποπλάνηση (παραμόρφωση), γνωστοί ως ανακλαστικοί φακοί.

Περιγράφεται ξανά από τον Τόμας Χάριοτ (Thomas Harriot) το 1602,^[2] ο οποίος δεν εξέδωσε το έργο του.

Στα 1621, ο Ολλανδός Βίλεμπρορντ Σνέλλιους (Willebrord Snellius) συνήγαγε μια μαθηματικά ισοδύναμη μορφή, η οποία παρέμεινε ανέκδοτη ενόσω ζούσε. Ο Ρενέ Ντεκάρτ συνήγαγε ανεξάρτητα τον νόμο, χρησιμοποιώντας ευρετικά επιχειρήματα σχετικά με τη διατήρηση της ορμής, με όρους ημιτόνων των γωνιών πρόσπτωσης και διάθλασης, στην πραγματεία του, του 1637, "Λόγος περί της Μεθόδου" (μολονότι επικριτές όπως ο Φερμά κατηγόρησαν τον Ντεκάρτ ότι εργάστηκε αντίστροφα προς μιαν απάντηση που ήδη γνώριζε, με σοφιστική συλλογιστική), και τον χρησιμοποίησε για να λύσει ένα πλήθος προβλημάτων οπτικής. Απορρίπτοντας τη λύση του Ντεκάρτ, ο Πιέρ ντε Φερμά κατέληξε στην ίδια λύση βασιζόμενος αποκλειστικά στην αρχή του ελαχίστου χρόνου.

Διάκριση

Ο όρος διάθλαση αναφέρεται επίσης και σε άλλες περιπτώσεις όπως στις:

• Γήινη διάθλαση που συμβαίνει στην Ατμόσφαιρα της Γης και
• Αστρονομική διάθλαση που παρατηρείται στις αστρονομικές παρατηρήσεις.

Το μεγαλύτερο και λαμπρότερο φυσικό φαινόμενο (σύνθετο) διάθλασης - ανάκλασης είναι το ουράνιο τόξο.

Παραπομπές

1. Εγκυκλοπαίδεια Ηλίου τομ. 5ος σελ.993 όπου περιγράφεται και το πείραμα του Πτολεμαίου.
2. Kwan, A., Dudley, J., and Lantz, E. (2002). "Who really discovered Snell's law? Αρχειοθετήθηκε 2007-03-03 στο Wayback Machine.". Physics World 15 (4): 64.