показатель преломления

# тег · @ автор · ! учёный

Показатель преломления (n) — безразмерная величина, равная отношению скорости света в вакууме (c ≈ 3·10⁸ м/с) к его фазовой скорости в данной среде. При переходе между средами с разными n свет испытывает преломление по закону Снеллиуса: n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂. Явление объясняется электромагнитной природой света: взаимодействие волны с электронами вещества замедляет её распространение.

История

Закон преломления открыл голландец Виллеброрд Снелл в 1621 году, но долгое время природа света оставалась загадкой.

Как работает

Свет — волна. В плотной среде (например, стекле) волне труднее «продираться» между атомами, поэтому она замедляется. Из-за разницы скорости на границе сред волна меняет направление — как строй солдат, которые заходят с твёрдой дороги на вспаханное поле: крайний ряд замедляется первым, и весь строй поворачивает.

💡 У алмаза n ≈ 2.42 — один из самых высоких среди природных материалов, поэтому огранённые алмазы так сильно сверкают: свет много раз отражается внутри камня из-за полного внутреннего отражения.

Показатель преломления (n) — фундаментальная оптическая характеристика среды, определяющая фазовую скорость электромагнитных волн. Он зависит от частоты волны (дисперсия), температуры и плотности вещества. В анизотропных средах (например, кристаллах) показатель преломления различен для разных направлений поляризации (двойное лучепреломление). В метаматериалах возможно получение отрицательного n, что ведёт к обратному преломлению.

История

Закон преломления был эмпирически открыт Виллебрордом Снеллом (1621) и позднее математически сформулирован Рене Декартом. Исаак Ньютон и Христиан Гюйгенс спорили о природе света, объясняя преломление корпускулярной или волновой теорией соответственно. В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл вывел электромагнитную теорию света, связав показатель преломления с диэлектрической и магнитной проницаемостями: n ≈ √εᵣμᵣ (для немагнитных сред n ≈ √εᵣ). Это позволило количественно предсказывать n по электрическим свойствам материала.

Как работает

Свет — электромагнитная волна. Электрическое поле волны поляризует атомы среды, т.е. смещает электронные оболочки относительно ядер, создавая осциллирующие диполи. Эти диполи переизлучают вторичные волны, которые интерферируют с исходной волной, замедляя её распространение. На микроскопическом уровне показатель преломления связан с поляризуемостью молекул через уравнение Клаузиуса — Моссотти. Дисперсия (зависимость n от длины волны) объясняется резонансным поглощением вблизи собственных частот электронных переходов; вдали от резонансов n плавно убывает с ростом длины волны (нормальная дисперсия), описываемая формулой Коши.

n = \frac{c}{v}

n — показатель преломления, безразмерная величина; c — скорость света в вакууме, c ≈ 3×10⁸ м/с; v — фазовая скорость света в среде, м/с.

n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2

n_1, n_2 — показатели преломления первой и второй сред; θ_1 — угол падения, θ_2 — угол преломления (отсчитываются от нормали к границе раздела).

Открытые проблемы и интересные факты

Создание материалов с наперёд заданным показателем преломления (включая отрицательный) для управления светом в нанофотонике.; Точное предсказание n сложных композитов из первых принципов.; Миниатюризация оптических элементов с градиентным показателем преломления.

💡 У некоторых прозрачных материалов, например у тефлона, n очень близок к 1.3 — как у воды, поэтому их почти не видно в бензоле (n ≈ 1.50) — они становятся «невидимыми» из-за выравнивания показателей преломления.

Пока нет статей

показатель преломления

История

Как работает

История

Как работает

История

Как работает

Открытые проблемы и интересные факты

Статьи по теме