Avui revelarem quin és l'angle de refracció d'una ona electromagnètica (l'anomenada llum) i com es formen les seves lleis.
Ull, pell, cervell
L'home té cinc sentits principals. Els científics mèdics distingeixen fins a onze sensacions diferents (per exemple, una sensació de pressió o dolor). Però la gent obté la major part de la seva informació a través dels seus ulls. Fins al noranta per cent dels fets disponibles que el cervell humà és conscient com a vibracions electromagnètiques. Així que la gent entén sobretot la bellesa i l'estètica visualment. L'angle de refracció de la llum té un paper important en això.
Desert, llac, pluja
El món al voltant està impregnat de llum solar. L'aire i l'aigua són la base del que agrada a la gent. Per descomptat, els paisatges desèrtics àrids tenen una bellesa dura, però la majoria de la gent prefereix una mica d'humitat.
L'home sempre ha estat fascinat pels rierols de muntanya i els rius suaus de les terres baixes, els llacs tranquils i les onades del mar en constant moviment, les esquitxades d'una cascada i un somni fred de glaceres. Més d'una vegada tothom s'ha adonat de la bellesa dels jocs de llum a la rosada de l'herba, de l'espurneig de la gelada a les branques, de la blancar lletosa de la boira i de la bellesa ombrívola dels núvols baixos. I tots aquests efectes es creengràcies a l'angle de refracció del feix a l'aigua.
Ull, escala electromagnètica, arc de Sant Martí
La llum és una fluctuació del camp electromagnètic. La longitud d'ona i la seva freqüència determinen el tipus de fotó. La freqüència de vibració determina si serà una ona de ràdio, un raig infrarojo, un espectre d'algun color visible per una persona, ultraviolada, raigs X o radiació gamma. Els humans són capaços de percebre amb els seus ulls vibracions electromagnètiques amb longituds d'ona que oscil·len entre els 780 (vermell) i els 380 (violeta) nanòmetres. A escala de totes les onades possibles, aquest tram ocupa una àrea molt petita. És a dir, la gent no és capaç de percebre la major part de l'espectre electromagnètic. I tota la bellesa accessible a l'home es crea per la diferència entre l'angle d'incidència i l'angle de refracció al límit entre els mitjans.
Buit, Sol, planeta
El Sol emet fotons com a resultat d'una reacció termonuclear. La fusió dels àtoms d'hidrogen i el naixement de l'heli s'acompanya de l'alliberament d'un gran nombre de partícules diverses, incloent quants de llum. En el buit, les ones electromagnètiques es propaguen en línia recta i a la màxima velocitat possible. Quan entra en un medi transparent i més dens, com l'atmosfera terrestre, la llum canvia la seva velocitat de propagació. Com a resultat, canvia la direcció de propagació. Quant determina l'índex de refracció. L'angle de refracció es calcula mitjançant la fórmula de Snell.
Llei de Snell
El matemàtic holandès Willebrord Snell va treballar tota la seva vida amb angles i distàncies. Va entendre com mesurar distàncies entre ciutats, com trobar un determinatpunt al cel. No és estrany que trobés un patró en els angles de refracció de la llum.
La fórmula de la llei té aquest aspecte:
- 1sin θ1 =n2sin θ2.
En aquesta expressió, els caràcters tenen el significat següent:
- 1 i n2 són els índexs de refracció del mitjà un (del qual cau el feix) i del mitjà 2 (hi entra);
- θ1 i θ2 són l'angle d'incidència i refracció de la llum, respectivament.
Explicacions a la llei
Cal donar algunes explicacions a aquesta fórmula. Els angles θ signifiquen el nombre de graus que hi ha entre la direcció de propagació del feix i la normal a la superfície en el punt de contacte del feix de llum. Per què s'utilitza normal en aquest cas? Perquè en realitat no hi ha superfícies estrictament planes. I trobar la normal a qualsevol corba és bastant senzill. A més, si al problema es coneix l'angle entre el límit del medi i el feix incident x, aleshores l'angle θ requerit és només (90º-x).
La majoria de vegades, la llum entra d'un medi més rarificat (aire) a un medi més dens (aigua). Com més a prop estan els àtoms del medi, més fort es refracta el feix. Per tant, com més dens és el medi, més gran és l'angle de refracció. Però també passa al revés: la llum cau de l'aigua a l'aire o de l'aire al buit. En aquestes circumstàncies, pot sorgir una condició en la qual n1sin θ1>n2. És a dir, tot el feix es reflectirà de nou al primer medi. Aquest fenomen s'anomena total internreflexió. L'angle en què es produeixen les circumstàncies descrites anteriorment s'anomena angle límit de refracció.
Què determina l'índex de refracció?
Aquest valor només depèn de les propietats de la substància. Per exemple, hi ha cristalls pels quals importa en quin angle entra el feix. L'anisotropia de propietats es manifesta en birrefringència. Hi ha mitjans per als quals la polarització de la radiació entrant és important. També cal recordar que l'angle de refracció depèn de la longitud d'ona de la radiació incident. És en aquesta diferència que es basa l'experiment amb la divisió de la llum blanca en un arc de Sant Martí mitjançant un prisma. Cal tenir en compte que la temperatura del medi també afecta l'índex de refracció de la radiació. Com més ràpid vibren els àtoms d'un cristall, més es deformen la seva estructura i la capacitat de canviar la direcció de propagació de la llum.
Exemples del valor de l'índex de refracció
Donem diferents valors per a entorns familiars:
- La sal (fórmula química NaCl) com a mineral s'anomena "halita". El seu índex de refracció és 1.544.
- L'angle de refracció del vidre es calcula a partir del seu índex de refracció. Segons el tipus de material, aquest valor varia entre 1.487 i 2.186.
- El diamant és famós precisament pel joc de llum que hi ha. Els joiers tenen en compte tots els seus plans a l'hora de tallar. L'índex de refracció del diamant és 2.417.
- L'aigua purificada d'impureses té un índex de refracció de 1,333. H2O és un molt bon dissolvent. Per tant, no hi ha aigua químicament pura a la natura. Cada pou, cada riu es caracteritzaamb la seva composició. Per tant, l'índex de refracció també canvia. Però per resoldre problemes escolars senzills, pots prendre aquest valor.
Júpiter, Saturn, Calisto
Fins ara, hem estat parlant de la bellesa del món terrenal. Les anomenades condicions normals impliquen una temperatura i una pressió molt específiques. Però hi ha altres planetes al sistema solar. Hi ha paisatges força diferents.
A Júpiter, per exemple, és possible observar boira d'argó en núvols de metà i corrents ascendents d'heli. Les aurores de raigs X també hi són habituals.
A Saturn, les boires d'etan cobreixen l'atmosfera d'hidrogen. A les capes inferiors del planeta, plouen diamants dels núvols de metà molt calents.
No obstant això, la rocosa lluna gelada de Júpiter, Callisto, té un oceà intern ric en hidrocarburs. Potser els bacteris que consumeixen sofre viuen a les seves profunditats.
I en cadascun d'aquests paisatges, el joc de llum en diferents superfícies, vores, cornisas i núvols crea bellesa.
