2. Преломление света.

При переходе светового луча из одной среды в другую происходит изменение его направления, которое называется преломлением. Это связано с тем, что скорость света в различных средах не одинакова.

Относительный показатель преломления равен отношению значений скорости света в рассматриваемых средах по ходу луча. Таковым же является и отношение значений синуса угла падения и преломления, что составляет сущность закона преломления:

(1)

Напомним, что углы в оптике принято отсчитывать от нормали к поверхности раздела сред.

Если первой (по ходу луча) средой является вакуум, то показатель преломления, определяемый по (1), называется абсолютным показателем преломления среды : n = c/V, где с – скорость света в вакууме.

Можно убедиться алгебраически, что относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления: n_2-1 = n₂/n₁

Среда с бóльшим абсолютным показателем преломления называется оптически более плотной.

Если световой луч направить из второй среды в первую, то отношение значений скорости света по ходу луча поменяется на обратное к (1). Обратным становится и отношение синусов соответствующих углов. Углы падения и преломления поменяются числовыми значениями. Обратный луч пройдет по пути следования прямого луча, но в обратном направлении. Эта особенность известна в геометрической оптике как обратимость хода лучей.

При прохождении луча из оптически более плотной среды в менее плотную угол преломления, следуя логике формулы (1), оказывается больше, чем угол падения. В этих условиях, увеличивая угол падения, мы придем к тому, что рано или поздно угол преломления окажется равным 90⁰: преломленный луч будет скользить по поверхности раздела двух сред. На схеме рис.1 этой ситуации соответствуют лучи 1-1^/. При значениях угла падения _пр выход луча в оптически менее плотную среду становится невозможным, и имеет место явление полного внутреннего отражения (лучи 2-2^/). Это явление лежит в основе волоконной оптики.

Рис. 1

Примечания.

1. В физических справочниках значения абсолютного показателя преломления различных сред приводятся с обязательным указанием длины световой волны, на которой они экспериментально определены. Показатель преломления n можно рассматривать как функцию длины волны света; n = n(). Поэтому различные частотные компоненты «естественного» света, преломляясь, идут различными путями. Солнечный луч, пройдя призму, раскладывается в радужный спектр. Имеет место явление дисперсии света, в основе которого тот факт, что n = n().

2. Из формулы (1) следует, что если, к примеру, показатель преломления стекла n = 1,5, то скорость света в стекле в 1,5 раза меньше, чем в вакууме: уже не 310⁸ м/с, а всего лишь 210⁸ м/с. Это так и не совсем так. Если электромагнитная волна достигает диэлектрика, то электроны внешних оболочек атомов, оказавшись в высокочастотном электрическом поле , возбуждаются, т.е. оставаясь в составе своих атомов совершают вынужденные колебания. Колеблющиеся заряженные частицы – это источники электромагнитных волн. В итоге мы получаем две волны: первая пришла на диэлектрик извне, вторая – возникла с неизбежностью в нем самом. Обе они распространяются со скоростью с = 310⁸ м/с, но вторая характерна некоторым запаздыванием в стадиях колебательных процессов (отставанием по фазе) по отношению к волне первичной, и это естественно: масса электрона есть мера его инертности. В результате наложения двух волн, мы получаем суммарный волновой процесс, скорость распространения которого (так называемая групповая скорость) в стекле оказывается в полтора раза меньше, чем в вакууме.

Представление о кванте, который замедлился, а потом и вовсе встал на месте – нонсенс. Квант, пока он жив, имеет скорость с в любых обстоятельствах. (с = 310⁸ м/с)

Распространяются ли вторичные волны в направлении, обратном ходу луча? Да, и было бы странно, если бы это было не так. Именно вторичным волнам, идущим в обратном направлении, соответствует отраженный луч. При этом угол отражения равен углу падения. (Закон отражения света).

3. В разделе 1 «естественный» свет мы рассматривали как сумму плоскополяризованных компонент с различно ориентированными плоскостями поляризации. Оказалось, что в отраженном луче преобладают электрические колебания, параллельные поверхности раздела двух сред. С ростом угла падения степень поляризации отраженного луча неуклонно растет. При угле падения _Б, для которого tg _Б = n_2-1 отраженный луч полностью поляризован

Этот факт известен как закон Брюстера; _Б – угол Брюстера.

Преломленный луч характерен частичной поляризацией.