Heute enthüllen wir, was der Brechungswinkel einer elektromagnetischen Welle (des sogenannten Lichts) ist und wie ihre Gesetze gebildet werden.
Auge, Haut, Gehirn
Der Mensch hat fünf Hauptsinne. Mediziner unterscheiden bis zu elf verschiedene Empfindungen (zum Beispiel ein Druck- oder Schmerzgefühl). Aber Menschen erh alten die meisten ihrer Informationen durch ihre Augen. Bis zu neunzig Prozent der verfügbaren Fakten sind dem menschlichen Gehirn als elektromagnetische Schwingungen bewusst. Schönheit und Ästhetik werden also meist visuell verstanden. Dabei spielt der Brechungswinkel des Lichts eine wichtige Rolle.
Wüste, See, Regen
Die Welt um uns herum ist von Sonnenlicht durchdrungen. Luft und Wasser bilden die Grundlage dessen, was Menschen mögen. Natürlich haben trockene Wüstenlandschaften eine herbe Schönheit, aber die meisten Menschen bevorzugen etwas Feuchtigkeit.
Der Mensch war schon immer fasziniert von Bergbächen und sanften Flachlandflüssen, ruhigen Seen und immer rollenden Meereswellen, Spritzern eines Wasserfalls und einem k alten Traum von Gletschern. Mehr als einmal hat jeder die Schönheit des Lichtspiels im Tau auf dem Gras, das Glitzern des Raureifs auf den Zweigen, das milchige Weiß des Nebels und die düstere Schönheit niedriger Wolken bemerkt. Und all diese Effekte werden erzeugtdank des Brechungswinkels des Strahls im Wasser.
Auge, elektromagnetische Waage, Regenbogen
Licht ist eine Fluktuation des elektromagnetischen Feldes. Die Wellenlänge und ihre Frequenz bestimmen die Art des Photons. Die Vibrationsfrequenz bestimmt, ob es sich um eine Funkwelle, einen Infrarotstrahl, ein Spektrum einer für eine Person sichtbaren Farbe, Ultraviolett-, Röntgen- oder Gammastrahlung handelt. Der Mensch kann mit seinen Augen elektromagnetische Schwingungen im Wellenlängenbereich von 780 (rot) bis 380 (violett) Nanometer wahrnehmen. Auf der Skala aller möglichen Wellen nimmt dieser Abschnitt eine sehr kleine Fläche ein. Das heißt, Menschen sind nicht in der Lage, den größten Teil des elektromagnetischen Spektrums wahrzunehmen. Und alle dem Menschen zugängliche Schönheit entsteht durch die Differenz zwischen Einfallswinkel und Brechungswinkel an der Grenze zwischen den Medien.
Vakuum, Sonne, Planet
Photonen werden von der Sonne als Ergebnis einer thermonuklearen Reaktion emittiert. Die Fusion von Wasserstoffatomen und die Geburt von Helium wird von der Freisetzung einer großen Anzahl verschiedener Teilchen begleitet, einschließlich Lichtquanten. Im Vakuum breiten sich elektromagnetische Wellen geradlinig und mit höchstmöglicher Geschwindigkeit aus. Beim Eintritt in ein transparentes und dichteres Medium wie die Erdatmosphäre ändert Licht seine Ausbreitungsgeschwindigkeit. Dadurch ändert sich die Ausbreitungsrichtung. Wie viel bestimmt der Brechungsindex. Der Brechungswinkel wird nach der Snell-Formel berechnet.
Snellsches Gesetz
Der niederländische Mathematiker Willebrord Snell hat sein ganzes Leben lang mit Winkeln und Abständen gearbeitet. Er verstand es, Entfernungen zwischen Städten zu messen, eine Gegebenheit zu findenPunkt am Himmel. Kein Wunder, dass er ein Muster in den Winkeln der Lichtbrechung fand.
Die Gesetzesformel sieht so aus:
- 1sünde θ1 =n2sünde θ2 .
In diesem Ausdruck haben die Zeichen folgende Bedeutung:
- 1 und n2 sind die Brechungsindizes von Medium eins (aus dem der Strahl fällt) und Medium 2 (er tritt dort ein).);
- θ1 und θ2 sind der Einfallswinkel bzw. der Brechungswinkel des Lichts.
Erläuterungen zum Gesetz
Es ist notwendig, einige Erklärungen zu dieser Formel zu geben. Winkel θ bedeuten die Gradzahl, die zwischen der Ausbreitungsrichtung des Strahls und der Flächennormalen am Auftreffpunkt des Lichtstrahls liegt. Warum wird in diesem Fall normal verwendet? Denn in Wirklichkeit gibt es keine streng ebenen Flächen. Und das Finden der Normalen zu jeder Kurve ist ziemlich einfach. Wenn außerdem der Winkel zwischen der Mediengrenze und dem einfallenden Strahl x im Problem bekannt ist, dann ist der erforderliche Winkel θ nur (90º-x).
Am häufigsten tritt Licht aus einem dünneren (Luft) in ein dichteres (Wasser) Medium ein. Je näher die Atome des Mediums beieinander liegen, desto stärker wird der Strahl gebrochen. Je dichter also das Medium ist, desto größer ist der Brechungswinkel. Aber es passiert auch umgekehrt: Licht fällt von Wasser in Luft oder von Luft in ein Vakuum. Unter solchen Umständen kann eine Bedingung eintreten, unter der n1sin θ1>n2 ist. Das heißt, der gesamte Strahl wird zum ersten Medium zurückreflektiert. Dieses Phänomen wird als total intern bezeichnetBetrachtung. Der Winkel, bei dem die oben beschriebenen Umstände auftreten, wird Grenzbrechungswinkel genannt.
Was bestimmt den Brechungsindex?
Dieser Wert hängt nur von den Eigenschaften des Stoffes ab. Es gibt zum Beispiel Kristalle, bei denen es darauf ankommt, unter welchem Winkel der Strahl eintritt. Die Anisotropie der Eigenschaften manifestiert sich in der Doppelbrechung. Es gibt Medien, bei denen die Polarisation der einfallenden Strahlung wichtig ist. Zu beachten ist auch, dass der Brechungswinkel von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängt. Auf diesem Unterschied beruht das Experiment mit der Teilung von weißem Licht in einen Regenbogen durch ein Prisma. Zu beachten ist, dass auch die Temperatur des Mediums den Brechungsindex der Strahlung beeinflusst. Je schneller die Atome eines Kristalls schwingen, desto mehr werden seine Struktur und die Fähigkeit, die Richtung der Lichtausbreitung zu ändern, deformiert.
Beispiele für den Wert des Brechungsindex
Wir geben unterschiedliche Werte für vertraute Umgebungen an:
- Salz (chemische Formel NaCl) wird als Mineral "Halit" genannt. Sein Brechungsindex beträgt 1,544.
- Der Brechungswinkel von Glas errechnet sich aus seinem Brechungsindex. Je nach Materialart variiert dieser Wert zwischen 1,487 und 2,186.
- Diamant ist gerade für das Lichtspiel in ihm berühmt. Juweliere berücksichtigen beim Schneiden alle Ebenen. Der Brechungsindex von Diamant beträgt 2,417.
- Von Verunreinigungen gereinigtes Wasser hat einen Brechungsindex von 1,333 H2O ist ein sehr gutes Lösungsmittel. Daher gibt es in der Natur kein chemisch reines Wasser. Jeder Brunnen, jeder Fluss ist charakterisiertmit seiner Zusammensetzung. Daher ändert sich auch der Brechungsindex. Aber um einfache Schulprobleme zu lösen, können Sie diesen Wert nehmen.
Jupiter, Saturn, Kallisto
Bis jetzt haben wir über die Schönheit der irdischen Welt gesprochen. Die sogenannten Normalbedingungen implizieren eine ganz bestimmte Temperatur und einen bestimmten Druck. Aber es gibt noch andere Planeten im Sonnensystem. Es gibt ganz unterschiedliche Landschaften.
Auf Jupiter kann man zum Beispiel Argonschleier in Methanwolken und Heliumaufwinde beobachten. Dort sind auch Röntgen-Auroren üblich.
Auf dem Saturn bedecken Ethannebel die Wasserstoffatmosphäre. Auf den unteren Schichten des Planeten regnet Diamant aus sehr heißen Methanwolken.
Allerdings hat Jupiters felsiger, gefrorener Mond Callisto einen inneren Ozean, der reich an Kohlenwasserstoffen ist. Vielleicht leben in seinen Tiefen schwefelverbrauchende Bakterien.
Und in jeder dieser Landschaften erzeugt das Lichtspiel auf verschiedenen Oberflächen, Kanten, Felsvorsprüngen und Wolken Schönheit.
