Rifrazione
Rifrazione: definizione e spiegazione del fenomeno
La rifrazione è quel fenomeno per cui, quando la luce (o in generale un'onda elettromagnetica) attraversa la superficie di separazione fra due sostanze trasparenti (come ad esempio aria e vetro oppure aria ed acqua), il raggio incidente subisce una deviazione rispetto alla sua direzione iniziale.
Definizione di rifrazione
Pertanto, volendo dare una definizione di rifrazione, potremmo dire che: la rifrazione è il fenomeno che si verifica quando un'onda elettromagnetica, propagandosi, incontra la superficie di separazione fra due mezzi diversi: la brusca variazione delle caratteristiche del mezzo entro il quale l'onda avanza ne fa variare la velocità e, di conseguenza, la direzione di propagazione.
In questa variazione di direzione consiste appunto la rifrazione, che si verifica però anche quando l'onda si propaga in un mezzo a caratteristiche lentamente variabili, nel qual caso anche la variazione della direzione di propagazione avviene lentamente (il raggio risulta incurvato).
Va però tenuto presente che, in realtà, quando un'onda incide su una superficie, si verificano, oltre alla rifrazione, anche altri due diversi fenomeni (l'uno dei tre in grado maggiore o nettamente predominante sugli altri): la riflessione, e l'assorbimento.
Rifrazione e indice di rifrazione
Si è detto che quando un'onda attraversa la superficie di separazione fra due sostanze trasparenti subisce un variazione della propria velocità.
Pertanto, per ogni sostanza trasparente (acqua, aria, vetro, etc.) possiamo definire un indice di rifrazione assoluto n dato dal rapporto tra c (velocità della luce nel vuoto; c = 3·108 m/s) e v (velocità in m/s dell'onda elettromagnetica nel mezzo considerato):
Poiché c > v vale sempre n > 1.
In particolare:
- n > 1 per sostanze poco dense
- n >> 1 per sostanze molto dense
Il valore di n dipende dalla lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica incidente, dalla temperatura e per i gas dalla pressione.
Di seguito vengono riportati gli indici di rifrazione di alcune sostanze e le rispettive velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica nei materiali considerati.
Processo di rifrazione
Secondo il fenomeno della rifrazione, quando un raggio di luce passa da un mezzo a indice di rifrazione minore a un mezzo con indice di rifrazione maggiore (per esempio dall'aria al vetro), il raggio rifratto piega verso la perpendicolare alla superficie nel punto di incidenza.
Si ha: i > r
Processo di rifrazione.
Se invece il raggio di luce passa da un mezzo a indice di rifrazione maggiore a un mezzo con indice di rifrazione minore (per esempio dal vetro all'aria) si ha i < r. In questi casi esiste inoltre, come verrà di seguito descritto, un angolo limite (i0) oltre il quale il raggio viene totalmente riflesso.
Raggio incidente e raggio rifratto hanno la stessa frequenza ma diversi valori di velocità nel mezzo considerato e diversi valori di lunghezza d'onda.
La legge della rifrazione
La legge della rifrazione prende il nome di legge di Snell.
La legge di Snell afferma che: quando un raggio passa da un mezzo trasparente con indice di rifrazione n1 a un secondo mezzo, anch'esso trasparente, con indice di rifrazione n2, il rapporto tra il seno dell'angolo dell'onda incidente (indicato nella figura precedente con la lettera i) e il seno dell'angolo dell'onda rifratta (indicato nella figura precedente con la lettera r) è costante ed è uguale al rapporto tra l'indice di rifrazione del secondo mezzo e quello del primo mezzo. In formula:
La legge di Snell implica pertanto che, se cambia l'angolo di incidenza (i) cambia anche l'angolo di rifrazione (r) in modo tale che il rapporto tra i seni dei due angoli sia un valore costante e uguale al rapporto tra l'indice di rifrazione del secondo mezzo e quello del primo mezzo.
Il rapporto n2/n1 presente nella formula di Snell è detto indice di rifrazione relativo del mezzo 2 rispetto al mezzo 1. Se tale valore è maggiore di 1 (n2/n1 > 1) si dice che il mezzo 2 è più rifrangente (oppure otticamente più attivo) del mezzo 1.
La legge di Snell richiede inoltre che gli angoli i e r siano sempre nello stesso piano e che le dimensioni della superficie siano molto grandi rispetto alla lunghezza d'onda, λ, dell'onda incidente.
Quando l'indice di rifrazione del mezzo d'incidenza è superiore a quello dell'altro mezzo (come ad esempio acqua-aria), l'angolo di rifrazione è maggiore di quello d'incidenza e raggiunge 90° quando i assume il valore c (angolo limite) tale che sin c = n2/n1.
Per angoli d'incidenza maggiori, le onde elementari emesse dagli elementi della superficie a mano a mano che vengono colpiti dall'onda incidente non possono dare un inviluppo e quindi l'onda rifratta non esiste. Si forma invece l'onda riflessa e questa raccoglie tutto il flusso incidente, cioè si ha la riflessione totale.
I raggi provenienti dall'acqua si rifrangono finché l'angolo di incidenza è inferiore all'angolo limite (in figura rappresentato con la lettera c). Per angoli di incidenza superiori all'angolo limite (i > c) si ha riflessione totale.
Ricordiamo infine che il fenomeno della rifrazione spiega la formazione dell'arcobaleno.
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