Khúc xạ ánh sáng là gì? Khái niệm, định luật khúc xạ chuẩn nhất

Chúng ta biết rằng ánh sáng là một dạng năng lượng và có thể trải qua nhiều hiện tượng khác nhau như nhiễu xạ, phản xạ, khúc xạ, giao thoa và phân cực. Khúc xạ là hiện tượng xảy ra do sự bẻ cong của ánh sáng khi nó truyền từ môi trường này sang môi trường khác. Trong bài này, chúng ta hãy cùng tìm hiểu sơ lược về quá trình khúc xạ.

Khúc xạ ánh sáng là gì? 

Khi bức xạ điện từ ở dạng ánh sáng nhìn thấy, truyền từ chất hoặc môi trường này sang chất hoặc môi trường khác, sóng ánh sáng có thể trải qua một hiện tượng gọi là khúc xạ, được biểu hiện bằng sự bẻ cong hoặc thay đổi hướng của ánh sáng. 

Hiện tượng khúc xạ xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác chỉ khi có sự khác biệt về chiết suất giữa hai vật liệu. Hiệu ứng khúc xạ là nguyên nhân gây ra nhiều hiện tượng quen thuộc, chẳng hạn như sự uốn cong rõ ràng của một vật thể bị ngập một phần trong nước và các ảo ảnh quan sát được trên sa mạc cát nóng. Sự khúc xạ của ánh sáng nhìn thấy cũng là một đặc tính quan trọng của thấu kính giúp chúng có thể hội tụ một chùm ánh sáng vào một điểm duy nhất.

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng phổ biến nhất được quan sát, nhưng các sóng khác như sóng âm thanh và sóng nước cũng bị khúc xạ. Sóng khúc xạ bao nhiêu được xác định bởi sự thay đổi của tốc độ sóng và hướng truyền sóng ban đầu so với hướng thay đổi của tốc độ.

Giải thích hiện tượng ánh sáng bị khúc xạ 

Sự khúc xạ ánh sáng có thể được nhìn thấy ở nhiều nơi trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Nó làm cho các vật thể dưới mặt nước có vẻ gần hơn so với thực tế. Nó là thứ dựa trên các thấu kính quang học, cho phép tạo ra các dụng cụ như kính, máy ảnh, ống nhòm, kính hiển vi và mắt người. Sự khúc xạ cũng là nguyên nhân gây ra một số hiện tượng quang học tự nhiên bao gồm cầu vồng và mirages .

Giải thích chung

Một lời giải thích đúng về hiện tượng khúc xạ bao gồm hai phần riêng biệt, cả hai đều là kết quả của bản chất sóng của ánh sáng.

• Ánh sáng chậm lại khi nó truyền qua một môi trường không phải là môi trường chân không (chẳng hạn như không khí, thủy tinh hoặc nước). Đây không phải là do tán xạ hay hấp thụ. Thay vào đó, như một dao động điện từ, ánh sáng tự gây khác tích điện hạt như electron để dao động. Các electron dao động phát ra sóng điện từ của chính chúng, tương tác với ánh sáng ban đầu. Kết quả là sóng “kết hợp” có các gói sóng đi qua người quan sát với tốc độ chậm hơn. Ánh sáng đã được làm chậm lại một cách hiệu quả. Khi ánh sáng quay trở lại chân không và không có electron ở gần, hiệu ứng làm chậm này kết thúc và tốc độ của nó trở lại như ban đầu.

• Khi ánh sáng đi vào, đi ra hoặc thay đổi môi trường mà nó truyền tới, ở một góc, bên này hoặc bên kia của mặt sóng bị chậm lại trước mặt kia. Sự chậm lại không đối xứng của ánh sáng này làm cho nó thay đổi góc di chuyển. Khi ánh sáng ở trong môi trường mới với các đặc tính không đổi, nó lại truyền theo đường thẳng.

Giải thích cho việc làm chậm ánh sáng trong môi trường

Như đã mô tả ở trên, tốc độ ánh sáng chậm hơn trong môi trường khác ngoài chân không. Sự làm chậm này áp dụng cho bất kỳ môi trường nào như không khí, nước hoặc thủy tinh và là nguyên nhân gây ra các hiện tượng như khúc xạ. Khi ánh sáng rời khỏi môi trường và quay trở lại chân không, và bỏ qua mọi tác động của lực hấp dẫn, tốc độ của nó trở lại tốc độ thông thường của ánh sáng trong chân không.

Các giải thích phổ biến cho sự chậm lại này, dựa trên ý tưởng về sự tán xạ ánh sáng từ, hoặc được hấp thụ và truyền ngược lại bởi các nguyên tử đều không chính xác. Những giải thích như thế này sẽ gây ra hiệu ứng “làm mờ” trong ánh sáng thu được, vì nó sẽ không còn di chuyển theo một hướng nữa. 

Một lời giải thích đúng hơn dựa vào bản chất của ánh sáng là sóng điện từ. Vì ánh sáng là sóng điện từ trường dao động, ánh sáng truyền trong môi trường làm cho các electron mang điện của vật liệu cũng dao động theo. Một điện tích chuyển động phát ra sóng điện từ của chính nó. Sóng điện từ do các electron dao động phát ra, tương tác với sóng điện từ tạo nên ánh sáng ban đầu, tương tự như sóng nước trên ao, một quá trình được gọi là giao thoa xây dựng. 

Khi hai sóng giao thoa theo cách này, kết quả là sóng “kết hợp” có thể có các gói sóng đi qua mắt người với tốc độ chậm hơn. Ánh sáng đã được làm chậm lại một cách hiệu quả. Khi ánh sáng rời khỏi vật liệu, sự tương tác này với các điện từ không còn xảy ra nữa, do đó tốc độ gói sóng (và tốc độ của nó) trở lại bình thường.

Xem thêm >>> AI là gì? Trí tuệ nhân tạo là gì? Ứng dụng của trí tuệ nhân tạo

Giải thích cho sự bẻ cong của ánh sáng khi nó đi vào và đi ra môi trường

Xét một sóng truyền từ vật liệu này sang vật liệu khác trong đó tốc độ của nó chậm hơn. Nếu nó chạm đến mặt phân cách giữa các vật liệu ở một góc, một phía của sóng sẽ tới vật liệu thứ hai trước, và do đó sẽ chậm lại sớm hơn. 

Với một bên của sóng đi chậm hơn, toàn bộ sóng sẽ xoay về phía đó. Đây là lý do tại sao một sóng sẽ bẻ cong ra khỏi bề mặt hoặc về phía bình thường khi đi vào một vật liệu chậm hơn. Trong trường hợp ngược lại của sóng tới vật liệu ở nơi có tốc độ cao hơn, thì một phía của sóng sẽ tăng tốc và sóng sẽ quay ra xa phía đó.

Hiểu theo cách khác đó là xem xét sự thay đổi bước sóng tại mặt phân cách. Khi sóng đi từ vật liệu này sang vật liệu khác mà sóng có tốc độ v khác thì tần số f của sóng sẽ không đổi, nhưng khoảng cách giữa các mặt sóng hoặc bước sóng 

λ = v / f sẽ thay đổi. 

Với góc giữa mặt trước sóng và mặt phân cách và thay đổi khoảng cách giữa mặt sóng, góc phải thay đổi trên mặt phân cách để giữ nguyên mặt trước của sóng. Từ những xem xét này, mối quan hệ giữa góc tới θ1, góc truyền sóng θ2 và tốc độ sóng v1 và v2 trong hai vật liệu có thể được suy ra. Đây là định luật khúc xạ hoặc định luật Snell và có thể được viết là

Hiện tượng khúc xạ một cách cơ bản hơn có thể được suy ra từ phương trình sóng 2 hoặc 3 chiều. Khi đó, điều kiện biên tại mặt phân cách sẽ yêu cầu thành phần tiếp tuyến của vectơ sóng phải giống hệt nhau trên hai mặt của mặt phân cách. Vì độ lớn của vectơ sóng phụ thuộc vào tốc độ sóng nên yêu cầu phải thay đổi hướng của vectơ sóng.

Tốc độ sóng liên quan trong phần thảo luận ở trên là vận tốc pha của sóng. Điều này thường gần với vận tốc nhóm có thể được coi là tốc độ thật của sóng, nhưng khi chúng khác nhau, điều quan trọng là phải sử dụng vận tốc pha trong tất cả các phép tính liên quan đến khúc xạ.

Một sóng truyền theo phương vuông góc với một đường biên, tức là mặt sóng của nó song song với đường biên, sẽ không đổi hướng ngay cả khi tốc độ của sóng thay đổi.

Định luật khúc xạ

Đối với ánh sáng, chiết suất n của vật liệu thường được sử dụng nhiều hơn tốc độ pha sóng v trong vật liệu. Tuy nhiên, chúng liên quan trực tiếp với nhau thông qua tốc độ ánh sáng trong chân không c như sau:

Sự khúc xạ trên bề mặt nước

Một phần bút chì ngâm trong nước bị uốn cong do hiện tượng khúc xạ: sóng ánh sáng từ X đổi hướng và do đó dường như bắt nguồn từ Y.

Hiện tượng khúc xạ xảy ra khi ánh sáng đi qua bề mặt nước vì nước có chiết suất 1,33 và không khí có chiết suất khoảng 1. Nhìn một vật thẳng, chẳng hạn như bút chì trong hình trên, được đặt nghiêng, một phần trong nước dường như bị uốn cong.

Điều này là do sự bẻ cong của các tia sáng khi chúng di chuyển từ nước ra không khí. Khi các tia tới mắt, mắt sẽ nhìn chúng dưới dạng các đường thẳng (đường nhìn). Các đường ngắm (được hiển thị dưới dạng đường đứt nét) giao nhau ở vị trí cao hơn so với nơi bắt nguồn của các tia thực tế. Điều này làm cho bút chì có vẻ cao hơn và nước có vẻ nông hơn so với thực tế.

Độ sâu mà nước xuất hiện khi nhìn từ trên cao được gọi là độ sâu biểu kiến. Đây là một lưu ý quan trọng đối với việc đánh bắt cá từ bề mặt vì nó sẽ làm cho cá mục tiêu xuất hiện ở một nơi khác và người câu phải nhắm thấp hơn để bắt cá. Ngược lại, một vật ở trên mặt nước có chiều cao biểu kiến lớn hơn khi nhìn từ dưới mặt nước. 

Trên đây là toàn bộ thông tin về hiện tượng khúc xạ ánh sáng mà maychasandon.com đã chia sẻ đến bạn đọc. Hy vọng qua bài viết này, các bạn sẽ nắm được kỹ hơn về một trong những hiện tượng tự nhiên – khúc xạ ánh sáng.