La refracción ( refracción ) es un cambio en la dirección de un haz ( onda ) que ocurre en el límite de dos medios a través de los cuales pasa este haz [1] , o en un medio, pero con propiedades cambiantes, en el que la velocidad de propagación de la onda no es lo mismo [2] .
El fenómeno de la refracción se explica por las leyes de conservación de la energía y conservación del impulso . Cuando cambia el medio de transmisión , la velocidad de la onda cambia, pero su frecuencia sigue siendo la misma. La refracción de la luz a través del vidrio o el agua es el ejemplo más simple y obvio de distorsión del haz, pero las leyes de la refracción son válidas para cualquier onda, electromagnética , acústica e incluso marina. En general, la ley de refracción se describe mediante la Ley de Snell .
Los términos " refracción " y " refracción " se usan indistintamente [2] ; Tradicionalmente, el término "refracción" se usa más a menudo para describir la radiación en medios en los que el índice de refracción cambia suavemente de un punto a otro (la trayectoria del rayo tiene la forma de una línea curva suave), mientras que el término "refracción" se usa más a menudo. se utiliza para describir un cambio brusco en la trayectoria del rayo por el límite de los medios debido a la gran diferencia en sus índices de refracción [2] . En este caso, opera la misma ley: la dependencia de la velocidad de onda del índice de refracción de un medio de transmisión en particular.
A veces, las características específicas del medio de transmisión o la fuente de radiación requieren que los estudios de esta refracción en particular se destaquen en una sección especial. Así, la refracción del ojo humano es estudiada por la oftalmología , mientras que la refracción del sonido en el agua es estudiada por la hidroacústica , la refracción de los cuerpos celestes es estudiada por la astronomía , etc.
El estudio de las leyes de la refracción es de fundamental importancia para la ciencia y la tecnología. Su aplicación en diversos campos del conocimiento permite crear instrumentos ópticos precisos ( telescopios , microscopios , cámaras fotográficas, cámaras de cine, anteojos, lentes de contacto, etc.), investigar la estructura química de compuestos y determinar la composición de mezclas químicas [3] , obtener coordenadas geodésicas y astronómicas precisas [4] , crear sistemas de comunicación óptimos y mucho más.
La refracción se observa cuando las velocidades de fase de las ondas electromagnéticas en los medios en contacto difieren (ver índice de refracción ). En este caso, el valor total de la velocidad de la onda debe ser diferente en los diferentes lados de la interfaz entre los medios. Sin embargo, si rastreamos el movimiento de, por ejemplo, la cresta de la onda a lo largo de la interfaz, entonces la velocidad correspondiente debería ser la misma para ambas "mitades" de la onda (ya que al cruzar el límite, el máximo de la onda sigue siendo el máximo). , y viceversa; es decir, podemos hablar de sincronización de las ondas incidente y transmitida en todos los puntos de la frontera, ver figura superior). De una construcción geométrica simple, obtenemos que la velocidad del punto de intersección de la cresta con una línea inclinada en la dirección de propagación de la onda en un ángulo , será igual a , donde es la velocidad de propagación de la onda.
Esto queda claro por el hecho de que mientras la cresta de la onda pasa en la dirección de su propagación (es decir, perpendicular a la cresta) una distancia igual al cateto del triángulo, el punto de intersección de la cresta con la frontera pasará una distancia igual a la hipotenusa, y la razón de estas distancias, igual al seno del ángulo, es la razón de las velocidades.
Luego, igualando las velocidades a lo largo de la interfaz para las ondas incidente y transmitida, obtenemos , que es equivalente a la ley de Snell , ya que el índice de refracción se define como la relación entre la velocidad de la radiación electromagnética en el vacío y la velocidad de la radiación electromagnética en un medio: .
Como resultado, en la interfaz entre dos medios, se observa la refracción del rayo, que consiste cualitativamente en el hecho de que los ángulos a la normal a la interfaz entre los medios para los haces incidente y refractado difieren entre sí, es decir, la trayectoria de el haz en lugar de una línea recta se rompe: el haz se refracta.
Tenga en cuenta que una forma casi idéntica de derivar la ley de Snell es construir una onda transmitida usando el principio de Huygens-Fresnel (ver figura).
Cuando una onda se mueve en medios con diferentes índices de refracción, su frecuencia se conserva y la longitud de onda cambia en proporción a la velocidad.
En un medio isotrópico para una onda sinusoidal caracterizada por una frecuencia y un vector de onda perpendicular a la dirección de propagación de la onda, las consideraciones de que la componente del vector de onda paralela a la interfase debe ser la misma antes y después de atravesar esta interfase, conducen a la misma forma de la ley de la refracción.
Además, vale la pena señalar que el vector de onda de un fotón es igual a su vector de cantidad de movimiento dividido por la constante de Planck , y esto hace posible interpretar naturalmente la ley de Snell como la conservación de la proyección de la cantidad de movimiento del fotón en la interfaz de medios. cruces
Estrechamente relacionado con la refracción está el fenómeno de la reflexión desde la interfaz entre medios transparentes. En cierto sentido, estos son dos lados del mismo fenómeno.
El fenómeno de la reflexión interna total (TIR) se debe a que para algunos ángulos de incidencia no existe una onda refractada que satisfaga la ley de Snell . Esto quiere decir que sólo aparece la onda reflejada y, por tanto, la onda se refleja por completo. La TIR es posible cuando una onda cae desde un medio donde la onda se propaga con una velocidad de fase más baja (índice de refracción más alto) hasta el límite con un medio con una velocidad de propagación de fase más alta de dicha onda (índice de refracción más bajo).
Con un aumento gradual en el ángulo de incidencia con respecto a la normal, en algún punto el haz refractado coincide con la interfaz entre los medios y luego desaparece, solo queda el haz reflejado.
Si una onda polarizada verticalmente cae sobre la interfaz en el ángulo de Brewster , entonces se observará el efecto de la refracción completa : no habrá onda reflejada.
La refracción ocurre a cada paso y se percibe como un fenómeno completamente ordinario: uno puede ver cómo una cuchara que está en una taza de té se “romperá” en la frontera del agua y el aire. Aquí conviene señalar que esta observación, con percepción no crítica, da una idea incorrecta del signo del efecto: la refracción aparente de la cuchara se produce en dirección opuesta a la refracción real de los rayos de luz.
La refracción de la luz en el límite de dos medios produce un efecto visual paradójico: los objetos que cruzan la interfaz en un medio más denso parecen "refractados hacia arriba"; mientras que un rayo que entra en un medio más denso se propaga en él con un ángulo menor, "se refracta hacia abajo". Este efecto óptico conduce a errores en la determinación visual de la profundidad del yacimiento, que siempre parece ser menor de lo que realmente es.
La refracción, la dispersión y la reflexión interna de la luz en las gotas de agua juntas dan lugar a un arco iris . Debido a la dispersión de la luz, las gotas refractan y desvían la luz de diferentes colores de diferentes maneras : los rayos con la longitud de onda más corta ( violeta ) se refractan y desvían más intensamente, y los rayos con la longitud de onda más larga ( rojo ) son los más débiles. El resultado es un arco pintado en diferentes colores.
La refracción múltiple (y parcialmente la reflexión) en pequeños elementos transparentes de la estructura (copos de nieve, fibras de papel, burbujas) explica las propiedades de las superficies reflectantes mate (no espejo), como la nieve blanca, el papel, la espuma blanca.
La refracción en la atmósfera terrestre explica muchos efectos visuales. Por ejemplo, bajo ciertas condiciones meteorológicas, la Tierra (desde una pequeña altura) aparece para el observador como un cuenco cóncavo (y no como parte de una bola convexa). Debido a la refracción, las estrellas parecen "parpadear" [4] . Además, la refracción de la luz en la atmósfera hace que observemos la salida del sol (y en general cualquier cuerpo celeste) un poco antes, y la puesta del sol un poco más tarde de lo que sería en ausencia de atmósfera [4] . Por la misma razón, en el horizonte , el disco del Sol se ve ligeramente aplanado a lo largo de la horizontal.
El fenómeno de la refracción subyace en el funcionamiento de los telescopios refractores (para fines científicos y prácticos, incluida la gran mayoría de telescopios terrestres, binoculares y otros dispositivos de observación), lentes para cámaras fotográficas, cinematográficas y de televisión, microscopios , lupas, anteojos, dispositivos de proyección. , receptores y transmisores de señales ópticas, concentradores de potentes haces de luz, espectroscopios y espectrómetros de prisma, monocromadores de prisma y muchos otros instrumentos ópticos que contienen lentes y/o prismas . Es necesario tenerlo en cuenta al calcular el funcionamiento de casi todos los dispositivos ópticos. Todo esto se aplica a diferentes rangos del espectro electromagnético.
En acústica , es especialmente importante tener en cuenta la refracción del sonido cuando se estudia la propagación del sonido en un medio no homogéneo y, por supuesto, en la interfaz entre diferentes medios.
Puede ser importante en tecnología tener en cuenta la refracción de ondas de distinta naturaleza, por ejemplo, ondas sobre agua, varias ondas en medios activos , etc.
El fenómeno de la refracción se utiliza en campos de la medicina como la optometría y la oftalmología . Con la ayuda de un foróptero es posible detectar errores de refracción en el ojo del paciente, y realizando varias pruebas con lentes de distinto poder refractivo y diferentes distancias focales , es posible seleccionar las gafas o lentes de contacto adecuadas para el paciente .