Hiện tượng khúc xạ

Khúc xạ hoặc chiết xạ là thuật ngữ mô tả hiện tượng ánh sáng thay đổi hướng khi đi qua bề mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt với chiết suất khác nhau.

Mở rộng hơn, hiện tượng này xảy ra khi bức xạ điện từ hoặc sóng nói chung thay đổi hướng khi đi qua môi trường không đồng nhất. Điều này được giải thích qua nguyên lý bảo toàn năng lượng và động lượng. Khi môi trường thay đổi, vận tốc pha của sóng sẽ thay đổi nhưng tần số của nó không thay đổi. Hiện tượng này dễ nhận thấy nhất khi sóng chuyển tiếp từ môi trường này sang môi trường khác với góc không bằng 0° so với pháp tuyến. Khúc xạ ánh sáng là ví dụ phổ biến nhất, nhưng bất kỳ loại sóng nào cũng có thể khúc xạ khi tương tác với môi trường, chẳng hạn như sóng âm khi di chuyển giữa các môi trường khác nhau hoặc sóng nước khi thay đổi độ sâu. Khúc xạ tuân theo định luật Snell, phát biểu rằng, đối với một cặp môi trường và một sóng có tần số duy nhất, tỷ lệ giữa sin của góc tới θ₁ và góc khúc xạ θ₂ tương đương với tỷ số vận tốc pha (v₁ / v₂) trong hai môi trường, hoặc tương đương với chiết suất tương đối (n₂ / n₁) của hai môi trường. ε và μ biểu thị hằng số điện môi và mômen lưỡng cực từ của hai môi trường khác nhau.

$\frac{\sin <!--\; \; -->{\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}}_1}{\sin <!--\; \; -->{\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}}_2}=\frac{v_1}{v_2}=\frac{n_2}{n_1}=\sqrt{\left(\frac{{\mathrm{ϵ<!--\; ϵ\; -->}}_2{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}_2}{{\mathrm{ϵ<!--\; ϵ\; -->}}_1{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}_1}\right)}$

Định luật Snell

Công thức nổi bật của hiện tượng khúc xạ, hay còn gọi là định luật Snell hoặc định luật khúc xạ ánh sáng, được biểu diễn như sau:

$\frac{\sin <!--\; \; -->\left(i\right)}{\sin <!--\; \; -->\left(r\right)}=\frac{n_2}{n_1}$

Trong đó:

• i là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 đến mặt phân cách và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường.
• r là góc giữa tia sáng rời khỏi mặt phân cách vào môi trường 2 và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường.
• n₁ là chiết suất của môi trường 1.
• n₂ là chiết suất của môi trường 2.

Tỷ lệ $\frac{n_2}{n_1}$ không thay đổi và phụ thuộc vào đặc tính của hai môi trường, được gọi là chiết suất tương đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) so với môi trường chứa tia tới (môi trường 1). Nếu tỷ lệ này lớn hơn 1, góc khúc xạ sẽ nhỏ hơn góc tới, nghĩa là môi trường 2 có chiết suất quang học cao hơn môi trường 1. Ngược lại, nếu tỷ lệ này nhỏ hơn 1, góc khúc xạ sẽ lớn hơn góc tới, tức là môi trường 2 có chiết suất quang học thấp hơn môi trường 1.

Lưu ý: Khi tỷ lệ , để hiện tượng khúc xạ xảy ra, góc tới cần phải nhỏ hơn góc khúc xạ giới hạn:

,

Nếu góc tới lớn hơn góc khúc xạ giới hạn, sẽ không có tia khúc xạ, mà thay vào đó, hiện tượng phản xạ toàn phần sẽ xảy ra.

Lịch sử

Lý thuyết sóng ánh sáng của Christiaan Huygens vào thế kỷ 17 đã giải thích thành công hiện tượng khúc xạ lần đầu tiên trong lịch sử khoa học.