La rifrazione è la curvatura delle onde mentre passano da un mezzo all’altro, a causa di un cambiamento nella loro velocità. Il fenomeno è più comunemente associato alla luce, ma può anche applicarsi al suono, o anche all’acqua, alle onde. Succede quando una serie di onde viaggia verso il nuovo mezzo ad angolo, in modo che un lato subisca un cambiamento di velocità prima dell’altro, facendolo girare verso il lato più lento nello stesso modo in cui un veicolo in movimento tenderà a girare se un lato è rallentato più dell’altro. La rifrazione può far apparire gli oggetti spostati e può amplificare i suoni distanti. Ha molti usi nel contesto della luce, come lenti e prismi.
Indice di rifrazione
Ogni mezzo attraverso il quale le onde possono muoversi ha un indice di rifrazione che indica la velocità con cui viaggeranno. Nel caso della luce, questa si trova dividendo la sua velocità nel vuoto per la sua velocità in quel particolare mezzo. È un rapporto tra le velocità dei mezzi, quindi non viene misurato in alcuna unità. L’indice di rifrazione generalmente aumenta con la densità del mezzo: è uno per il vuoto ed è maggiore di uno per tutti i materiali naturali conosciuti.
L’aria ha tipicamente un indice di rifrazione di circa 1.00029, ma questo varia con la temperatura e la pressione. Per l’acqua il valore è di circa 1.33 e per il vetro di circa 1.50 – 1.75, a seconda del tipo. Il diamante ha un indice di rifrazione molto alto di 2.417, che produce il noto effetto scintillante.
Esempi quotidiani
L’esempio più comune usato quando si parla di rifrazione è una cannuccia nell’acqua. Quando una cannuccia viene messa in un bicchiere d’acqua e vista di lato, sembra rotta o piegata. Ciò è dovuto alla differenza degli indici di rifrazione dell’aria e dell’acqua. Poiché l’acqua è più densa dell’aria, la cannuccia sembra piegarsi poiché la luce che riflette è rallentata dalla densità dell’acqua. Questo fenomeno fa sì che anche gli oggetti sommersi, come i pesci, sembrino più vicini alla superficie di quanto non siano in realtà.
Poiché l’indice di rifrazione dell’aria varia con la temperatura e la pressione, gli oggetti possono apparire spostati o distorti in determinate condizioni. La familiare illusione dell’acqua che giace su una strada in una giornata calda ne è un esempio: è un’immagine rifratta del cielo causata dal riscaldamento dell’aria vicino al manto stradale. A volte strati d’aria a diverse temperature e pressioni possono rendere visibili oggetti che si trovano oltre l’orizzonte: questo è noto come un miraggio. Diversi strati d’aria possono produrre fenomeni simili con il suono. Nelle giuste condizioni, i suoni distanti possono sembrare vicini perché alcune delle onde sonore, inizialmente dirette sopra l’ascoltatore, possono essere piegate verso il basso, aumentando il volume.
Un esempio più comune è un arcobaleno, in cui la luce solare viene rifratta dalle gocce di pioggia. La luce solare consiste in una miscela di diverse lunghezze d’onda, o colori, della luce, con il blu, ad esempio, che ha una lunghezza d’onda più corta del rosso. Quando questa luce passa attraverso le gocce di pioggia, le lunghezze d’onda più corte si piegano più di quelle più lunghe, suddividendo la luce nei suoi diversi colori.
si utilizza
Gli usi più comuni della rifrazione sono nelle lenti e nei prismi. Una lente è progettata in modo che la luce che entra in essa sia focalizzata per rifrazione verso un punto, producendo un’immagine ingrandita di un oggetto. Le lenti possono essere utilizzate in binocoli e telescopi per ottenere immagini dettagliate di oggetti distanti, o in lenti di ingrandimento e microscopi per visualizzare oggetti molto piccoli, come microrganismi non visibili ad occhio nudo. Un prisma può essere utilizzato per suddividere la luce nei diversi colori più o meno allo stesso modo in cui le gocce d’acqua creano un arcobaleno, ma fornendo un’immagine più accurata che può essere utilizzata per analizzare in dettaglio la fonte di luce.
Legge di Snell
Il fenomeno della rifrazione era noto almeno dai tempi degli antichi greci, e un certo numero di persone nel corso della storia hanno formulato leggi per descriverlo, tra cui Ibn Sahl di Baghdad, che nel 984 ne elaborò una descrizione molto accurata, che utilizzato per creare lenti. L’astronomo olandese Willebrord van Roijen Snell ha prodotto una legge matematica nel 1621, che è stata successivamente modificata nella formula chiamata “Legge di Snell” da René Descartes nel 1637. Può essere utilizzata per calcolare l’angolo di rifrazione per la luce che passa attraverso due mezzi diversi.