3.5. Το φως μέσα στην ύλη: διάθλαση

Ο βυθός της θάλασσας ή της πισίνας φαίνεται πιο ρηχός από όσο είναι στην πραγματικότητα. Το μισοβυθισμένο καλαμάκι φαίνεται σαν να λυγίζει στην επιφάνεια του νερού Εικ. 3.30).

Για να ερμηνεύσουμε αυτά τα φαινόμενα θα μελετήσουμε πώς συμπεριφέρεται μια ακτίνα φωτός όταν περνά από ένα διαφανές σώμα σε άλλο, για παράδειγμα, από τον αέρα στο νερό.

Αν παρατηρήσουμε προσεκτικά τη διάδοση του φωτός από τον αέρα στο νερό διαπιστώνουμε ότι ένα μέρος από το φως της προσπίπτουσας ακτίνας ανακλάται και ένα μέρος εισέρχεται στο νερό ακολουθώντας διαφορετική διεύθυνση από την προσπίπτουσα. Το ίδιο φαινόμενο παρατηρούμε, όταν φως διαδίδεται από τον αέρα σε γυαλί και σε κάθε διαφανές σώμα. Γνωρίζουμε ότι η ταχύτητα του φωτός στο νερό, στο γυαλί κ.ά. είναι μικρότερη από την ταχύτητα του στον αέρα. Συμπεραίνουμε, λοιπόν, ότι όταν από ένα διαφανές υλικό το φως περνά σε ένα άλλο διαφανές υλικό, στο οποίο διαδίδεται με διαφορετική ταχύτητα, η διεύθυνση του αλλάζει. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται διάθλαση.

Μπορούμε να διαπιστώσουμε πειραματικά ότι κατά τη διάθλαση του φωτός ικανοποιούνται οι ακόλουθοι νόμοι. α) η προσπίπτουσα ακτίνα, η διαθλώμενη και η ευθεία που περνά από το σημείο πρόσπτωσης και είναι κάθετη στην επιφάνεια επαφής των δυο υλικών, βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο (Εικ. 3.31 ). β) όταν το φως περνά από ένα διαφανές σώμα σε άλλο και στο δεύτερο διαδίδεται με μικρότερη ταχύτητα από όση στο πρώτο (όπως όταν περνά από τον αέρα σε νερό) τότε η γωνία διάθλασης είναι μικρότερη από τη γωνία πρόσπτωσης (Εικ. 3.31).

Εικόνα 3.29a,b Το ποτάμι φαίνεται πιο ρηχό απ' ότι είναι

Εικόνα 3.30 Το καλαμάκι μέσα στο νερό φαίνεται λυγισμένο.

Εικόνα 3.31 Γωνία διάθλασης ονομάζουμε τη γωνία μεταξύ της ακτίνας που διαθλάται και της ευθείας που είναι κάθετη στην διαχωριστική επιφάνεια των δυο υλικών

Γνωρίζοντας πώς διαθλάται μία ακτίνα είναι δυνατό να ερμηνεύσουμε τη φαινομενική ανύψωση του πυθμένα της θάλασσας ή της πισίνας (εικ. 3.32) και το φαινομενικό σπάσιμο του μολυβιού στην επιφάνεια του νερού (εικ. 3.33).

Εικόνα 3.32 Φαινομενική ανύψωση του πυθμένα.

Εικόνα 3.33 Φαινομενικό σπάσιμο του μολυβιού

Ακτίνες φωτός που ξεκινούν από ένα σημείο του πυθμένα διαδίδονται από το νερό στον αέρα και φθάνουν στο μάτι μας. Στον αέρα το φως διαδίδεται με μεγαλύτερη ταχύτητα από όση στο νερό. Έτσι μόλις η φωτεινή δέσμη διέλθει από το νερό στον αέρα, η γωνία που σχηματίζει με την κάθετη ευθεία στην διαχωριστική επιφάνεια, αυξάνεται. Το φως φαίνεται ότι εκπέμπεται από ένα σημείο που βρίσκεται ψηλότερα από την πραγματική θέση του του σημείου εκπομπής του. Μας δημιουργείται λοιπόν η εντύπωση ότι ο πυθμένας βρίσκεται ψηλότερα από όσο είναι στην πραγματικότητα. Ομοίως, επειδή κάθε σημείο του μολυβιού που βρίσκεται μέσα στο νερό φαίνεται ψηλότερα από όσο είναι στην πραγματικότητα, μας δημιουργείται η εντύπωση ότι το μολύβι είναι λυγισμένο προς τα επάνω.

Στο γυαλί το φως διαδίδεται με ακόμα μικρότερη ταχύτητα από όση στο νερό. Διαπιστώνουμε πειραματικά ότι για την ίδια γωνία πρόσπτωσης, η διάθλαση είναι εντονότερη στο γυαλί παρά στο νερό. Γενικά, όσο περισσότερο μεταβάλλεται η ταχύτητα διάδοσης τόσο εντονότερη είναι η διάθλαση.

Τέλος, με τη διάταξη που παριστάνεται στις εικόνες 3.34 και 3.35, μπορούμε εύκολα να διαπιστώσουμε ότι αν μία φωτεινή ακτίνα συναντήσει κάθετα τη διαχωριστική επιφάνεια των δύο μέσων δεν διαθλάται.