Lom vlnění

Lom světla ve vodě. Tmavý obdélník ukazuje skutečnou polohu tyče. Světlý obdélník ukazuje její zdánlivou polohu ve vodě. Bod X vypadá, jako by byl blíže ke hladině v místě Y.

Pokud se vlnění dostane k rozhraní dvou prostředí, ve kterých má vlnění různou fázovou rychlost, může dojít při průchodu vlnění tímto rozhraním ke změně směru šíření vlnění. Tento jev se označuje jako lom vlnění (nebo také refrakce). Lom vlnění je obecná vlastnost vlnění vycházející z Huygensova principu.

Matematicky je zákon lomu popsán Snellovým zákonem.

Lom světla

Lom světla je optický jev, ke kterému dochází na rozhraní dvou prostředí, kterými světlo prochází. Je důsledkem různých rychlostí šíření světla v různých prostředích a kromě světla platí pro veškeré elektromagnetické záření.

Zpomalení světla oproti jeho rychlosti ve vakuu popisuje index lomu $n\;\!$ :

n={\frac {c}{v}}\;\!

,

kde $c\;\!$ je rychlost světla ve vakuu a $v\;\!$ rychlost světla v daném prostředí. Samotný lom světla na rozhraní dvou prostředí lze popsat v rámci geometrické optiky pomocí Snellova zákona.

Když světlo přechází z jednoho materiálu do jiného, jeho frekvence zůstává stejná, ale mění se vlnová délka. Protože index lomu závisí u většiny látek i na frekvenci světla, můžeme díky lomu na rozhraních bílé světlo rozkládat na jeho barevné složky, například pomocí hranolu. Obdobně duha vzniká v důsledku lomu slunečního záření na vodních kapkách v atmosféře.

Lom na čočce se využívá mj. v brýlích, lupách, kontaktních čočkách, mikroskopech a refrakčních teleskopech.

Analogicky se lomí např. vlnění na hladině kapaliny a akustické vlnění při průchodu rozhraním dvou prostředí s různými rychlostmi šíření.

Přesné vysvětlení podstaty proč se světlo láme při přechodu mezi prostředími s různou rychlostí šíření světla však nabízí až kvantová fyzika a postup dráhového integrálu, který plně rozvedl Richard Feynman. Lom světla a jiné základní vlastnosti světla jsou velice hezky a intuitivně vysvětleny v nahrávce "QED: Fits of Reflection and Transmission - Quantum Behaviour - Richard Feynman (The Sir Douglas Robb Lectures, University of Auckland, 1979)". Světlo se ve výsledku šíří drahou s nejkratším časem, která přesně odpovídá výše popsaným zákonům lomu. Richard Feynman použil následující zábavnou analogii: "Představte si, že jste plavčík a v moři se topí krásná dívka. Protože po pláži umíte běžet rychleji, než plavat ve vodě, dá se dokázat, že existuje jedna optimální dráha, jak se k ní co nejrychleji dostat - kde přesně skočit do vody (takový výpočet jako plavčík samozřejmě vzhledem k okolnostem asi dělat nebudete). A podobně se chová i světlo". Dráhový integrál vysvětluje, že ostatní možné dráhy světla se díky interferenci vyruší a to, co nejvíce přispěje k výsledku, je dráha s nejnižším časem šíření od zdroje k cíli.

Lom na planparalelní desce

Planparalelní deska je deska (obvykle skleněná), jejíž obě strany jsou přesně rovinné a vzájemně rovnoběžné. Světelný paprsek, který dopadá na planparalelní desku se láme dvakrát, jednou při vstupu do planparalelní desky a jednou při výstupu z planparalelní desky.

Paprsek, který prochází deskou, která je umístěna v prostředí s určitým indexem lomu $n_{1}$ , bude na výstupu rovnoběžný s paprskem, který do desky vstupuje.

Podle obrázku platí vztahy $d={\overline {AB}}\,\sin(\alpha _{1}-\alpha _{2})$ a současně ${\overline {AB}}={\frac {l}{\cos \alpha _{2}}}$ , tzn.

d={\frac {l\,\sin(\alpha _{1}-\alpha _{2})}{\cos \alpha _{2}}}

Pomocí Snellova zákona lze vyloučit $\alpha _{2}$ , tedy

d=l\,\sin \alpha _{1}\left(1-{\frac {\cos \alpha _{1}}{\sqrt {n_{21}^{2}-\sin ^{2}\alpha _{1}}}}\right)

,

kde $n_{21}$ je relativní index lomu.

Znalost lomu na planparalelní desce lze využít např. při studiu soustavy rovnoběžných vrstev o různém indexu lomu. V takovém případě dochází k postupnému lámání paprsku na jednotlivých planparalelních vrstvách. Pokud se index lomu mění v prostředí plynule, přechází lomená čára paprsku v plynulou křivku. K takovému jevu dochází např. při průchodu světla atmosférou, kdy se mluví o atmosférické refrakci.

Související články

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu refrakce na Wikimedia Commons
Reflection and Refraction (Java)
http://qed.ben.cz/lom-paprsku-svetla - animace lomu světla