Index lomu

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

Index lomu (značí se n nebo N) je bezrozměrná fyzikální veličina popisující šíření světla a všeobecně elektromagnetického záření v látkách.

Index lomu jako konstanta[editovat | editovat zdroj]

V nejjednodušším případě – pro průhledné a čiré látky – lze index lomu n považovat za konstantu, vztahující se k celému rozsahu viditelného světla. V tom případě je index lomu vždy větší než 1 a rychlost šíření světla v dané látce v je určena vztahem

v= \frac{c}{n},

kde c je rychlost světla ve vakuu. Takto definovaný index lomu se označuje jako absolutní index lomu.

Pro přechod z prostředí s indexem lomu n_1 do prostředí s indexem lomu n_2 se často používá relativní index lomu n_{21}, který je definován jako

n_{21} = \frac{n_2}{n_1}

Pro přechod vlnění opačným směrem je index lomu n_{12} = \frac{1}{n_{21}} Pomocí absolutního indexu lomu lze psát

n_{21} = \frac{v_1}{v_2},

kde v_1 je rychlost šíření vln v prvním prostředí (s indexem lomu n_1) a v_2 je rychlost šíření ve druhém prostředí (s indexem lomu n_2).

Na rovinném rozhraní dvou látek s různými indexy lomu dochází k lomu světla dle Snellova zákona:

\frac{\sin \alpha}{\sin \beta} = \frac{v_1}{v_2} = \frac{n_2}{n_1}

kde α je úhel svíraný daným proudem světla a kolmicí na rovinu dopadu na materiál a β je úhel svíraný proudem světla a kolmicí na rovinu dopadu ze strany materiálu, do kterého se dané světlo láme.

Absolutní index lomu některých látek je uveden v následující tabulce.

Látka index lomu
vakuum 1
vzduch (normální tlak) 1,00026
led 1,31
voda 1,33
etanol 1,36
glycerol 1,473
sklo 1,5 až 1,9
sůl 1,52
safír 1,77
diamant 2,42

Máme-li dvě prostředí, pak prostředí s větším absolutním indexem lomu se nazývá opticky hustší, a prostředí s menším absolutním indexem lomu se nazývá opticky řidší prostředí. Při přechodu z opticky hustšího prostředí do prostředí opticky řidšího je relativní index lomu menší než jedna. Naopak při přechodu z prostředí opticky řidšího prostředí do prostředí opticky hustšího je relativní index lomu větší než jedna.

Frekvenčně závislý index lomu[editovat | editovat zdroj]

Tak jako všechny optické konstanty je i index lomu obecně komplexní funkcí frekvence (resp. vlnové délky), N(ω)=n(ω) + i κ(ω), má tedy reálnou a imaginární část.

Reálná část[editovat | editovat zdroj]

Reálná část je zobecněním indexu lomu popsaného v předešlém odstavci. Látky se často vyznačují přítomností několika oblastí průhlednosti v elektromagnetickém spektru; v každé z nich je n téměř konstantní, přičemž tyto konstantní hodnoty rostou směrem k větším frekvencím.

Frekvenčně závislý index lomu také popisuje rychlost šíření světla v látce, avšak navíc je třeba rozlišovat mezi fázovou a grupovou rychlostí: zatímco fázová rychlost popisuje rychlost šíření ploch se stejnou fází vlnění, grupová rychlost se vztahuje k obálce amplitudy, neboli k rychlosti šíření signálu (informace).

Fázová rychlost má hodnotu:

v(\omega) = \frac{c}{n(\omega)}

a grupová rychlost je rovna:

v_g(\omega) = \frac{c}{n(\omega)+\omega \frac{dn}{d\omega}}

(jmenovatel se také označuje pojmem grupový index lomu).

Grupová rychlost nemůže přesáhnout hodnotu c ve shodě s teorií relativity; v opticky čerpaném prostředí (čerpání typu používaného v laserech) však může být záporná. V květnu roku 2006 oznámil tým Univerzity v Rochesteru (USA) vedený Robertem Boydem důkaz záporné grupové rychlosti v časopise Science – experiment prokázal, že se v takovém prostředí světelný puls šíří opravdu pozpátku[1],.[2]

Naproti tomu fázová rychlost, která není spojena s přenosem informace, může nabývat téměř libovolných hodnot, vyšších než c nebo dokonce záporných (viz níže).

Imaginární část[editovat | editovat zdroj]

Index absorpce, κ(ω) udává míru útlumu procházejícího záření v dané látce pohlcením (absorpcí). Lze z něj určit např. absorpční délku da(ω) pomocí vztahu

d_a =  \frac{c}{2\omega\kappa}.

Urazí-li v dané látce záření o úhlové frekvenci ω vzdálenost da, poklesne jeho intenzita na hodnotu 1/e, tj. asi na 36,8 %.

Značení[editovat | editovat zdroj]

Obecně se index lomu značí n, ale protože doopravdy závisí index lomu na vlnové délce právě toho světla, jež se láme, tak se u materiálů většinou index lomu značí n s dolním indexem, ve kterém je písmenné označení vlnové délky - barvy světla, pro které daný index lomu platí.

Většinou se u materiálů v rychlosti uvádí index lomu nD, což je index lomu pro světlo z Fraunhoferovy čáry D, která odpovídá 589,26 nm vlnové délky světla (D-linie spektra Na).
Další možností měření, která se ještě poměrně často využívá je index lomu pro světlo odpovídající vlnové délce 670,784 3 nm, které se značí nLi a jedná se o α-linii spektra Li.
Lom světla v materiálu může nastávat ve směrech krystalografických os a takto změřené veličiny se pak značí např.: nDa nDb nebo nLic nebo pokud světlo dopadá na stěnu dvojlomného materiálu, tak dochází k jeho rozdělení na dva paprsky. Jeden z nich se nazývá řádný (ordinární) a označuje se n nebo nLiř, druhý paprsek se nazývá mimořádný (extraordinární) a označuje se nDm nebo nLim, podle toho jakým světlem se látka proměřuje.

Záporný index lomu[editovat | editovat zdroj]

Šíření elektromagnetických vln v látce popisují Maxwellovy rovnice spolu se vztahy D = ε E, B = μ H kde ε je komplexní permitivita a μ magnetická permeabilita. V šedesátých letech 20. století si sovětský fyzik V. G. Veselago povšiml, že kromě obvyklých řešení, kdy reálné části ε, μ a n jsou kladné, formálně existují i řešení se zápornými hodnotami těchto veličin. Předpověděl tak, že takovýto materiál by měl některé neobvyklé vlastnosti: lom světla by podle Snellova zákona obracel směr šíření paprsků vůči kolmici dopadu a fázová rychlost by byla záporná.

Vytvořit takovou látku ve formě tzv. metamateriálu se podařilo až po roce 2000, vždy však jen pro jednu frekvenci vlnění, navíc jen v oblasti mikrovlnného záření. Na sestavení podobných metamateriálů pro viditelné světlo pracují v současnosti některé výzkumné týmy; jeho použití by znamenalo významný pokrok v optice, neboť by umožnilo optické zobrazování objektů podstatně menších než vlnová délka použitého světla.

Prameny[editovat | editovat zdroj]

  1. Light's Most Exotic Trick Yet: So Fast it Goes … Backwards?
  2. Gehring et al. (2006): Observation of Backward Pulse Propagation Through a Medium with a Negative Group Velocity. Science, 312, pp. 895 - 897, doi: 10.1126/science.1124524.

Související články[editovat | editovat zdroj]