Rifrazione

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La cannuccia sembra piegata, a causa della rifrazione della luce tra l'acqua e l'aria.
Il fronte d'onda quando entra in un mezzo ad indice di rifrazione maggiore.

La rifrazione è la deviazione subita da un'onda che ha luogo quando questa passa da un mezzo ad un altro nel quale la sua velocità di propagazione cambia. La rifrazione della luce è l'esempio più comunemente osservato, ma ogni tipo di onda può essere rifratta, per esempio quando le onde sonore passano da un mezzo ad un altro o quando le onde dell'acqua si spostano a zone con diversa profondità.

Spiegazione[modifica | modifica sorgente]

In ottica, la rifrazione avviene quando una onda luminosa passa da un mezzo con un indice di rifrazione a un mezzo con un diverso indice di rifrazione. Sul bordo dei due mezzi, la velocità di fase dell'onda è modificata, cambia direzione e la sua lunghezza d'onda è aumentata o diminuita mentre la sua frequenza rimane costante. Per esempio, i raggi di luce si rifrangono quando entrano o escono dal vetro; la comprensione di questo concetto ha consentito l'invenzione delle lenti e del telescopio a rifrazione.

Rifrazione della luce nell'acqua. Il rettangolo scuro rappresenta la posizione vera della penna appoggiata nel bicchiere. Il rettangolo chiaro rappresenta la posizione apparente della penna. Si noti che la fine (X) sembra essere in (Y), una posizione meno profonda di (X).
Rifrazione ondulatoria della luce.

La rifrazione può essere osservata guardando all'interno di un bicchiere pieno d'acqua. L'aria ha un indice di rifrazione di circa 1.0003, mentre l'acqua ha un indice di circa 1.33. Se si guarda un oggetto dritto, come una penna parzialmente immersa e inclinata, l'oggetto appare piegato dalla superficie dell'acqua. Cercheremo, adesso, di entrare nei dettagli per comprendere ciò che accade. L'estremità x della penna, interessata dall'energia radiante, si comporta come sorgente secondaria di radiazione ed emette raggi di luce in tutte le possibili direzioni dello spazio. Consideriamo adesso il percorso di due di questi raggi, quelli evidenziati, per l'appunto, in rosso in figura. Tali raggi, in corrispondenza alla superficie di discontinuità fra l'acqua e l'aria si piegano, allontanandosi dalla normale alla superficie condotta nel punto in cui i raggi stessi incidono. I raggi rifratti vengono catturati dall'occhio umano e l'intersezione dei loro prolungamenti determina un punto virtuale, indicato con y in figura, dal quale l'occhio umano ha la sensazione che provenga l'immagine. In altre parole, l'occhio dell'osservatore, non vede l'estremità x della penna, ma una sua immagine virtuale, ottenuta dal prolungamento dei due raggi rifratti.

La rifrazione è responsabile degli arcobaleni e della scomposizione della luce bianca nei colori dell'arcobaleno che avviene quando la luce passa attraverso un prisma. Il vetro ha un alto indice di rifrazione rispetto all'aria e le diverse frequenze della luce viaggiano a velocità diverse (dispersione), causando la rifrazione dei colori a diversi angoli, e quindi la scomposizione. La differenza nella frequenza corrisponde nella diversità della tonalità.

Altri fenomeni ottici sono il miraggio e la fata Morgana. Questi sono causati dal cambiamento dell'indice di rifrazione in funzione della temperatura dell'aria.

Recentemente sono stati sviluppati alcuni metamateriali che hanno un indice di rifrazione negativo.

Legge di Snell[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Legge di Snell.
La rifrazione della luce all'interfaccia tra due mezzi con indice di rifrazione diverso.
Rifrazione

La legge di Snell descrive quanto i raggi sono deviati quando passano da un mezzo ad un altro. Se il raggio proviene da una regione con indice di rifrazione n_1 ed entra in un mezzo ad indice n_2 gli angoli di incidenza \theta_1 e di rifrazione \theta_2 sono legati dall'espressione:

\frac{\sin \theta_1}{\sin \theta_2} = \frac{v_1}{v_2} = \frac{n_2}{n_1}

dove v_1 e v_2 sono le velocità nei mezzi.

Rifrazione molare[modifica | modifica sorgente]

Nel 1880 Hendrik Lorentz e L.V. Lorentz introdussero il concetto di rifrazione molare relativamente a una mole di sostanza definendolo in base all'equazione

R=\frac {n^2-1}{n^2+2} V_m

dove R è la rifrazione molare, n l'indice di rifrazione della sostanza e Vm il volume molare dato dal rapporto tra il peso molecolare e la densità del materiale in esame.

La rifrazione molare è una grandezza additiva ed è quindi ricavabile anche sommando i valori tabulati in letteratura relativi a singoli atomi e legami chimici che caratterizzano il composto in esame, il tutto in buon accordo coi dati sperimentali.

Lorentz e Lorentz correlarono anche il volume di polarizzabilità con la rifrazione molare a lunghezza d'onda infinita (frequenza della radiazione utilizzata eguale a zero) tramite l'equazione

R_0=\frac {4}{3} \pi N \alpha'

dove R0 è la rifrazione molare a lunghezza d'onda infinita, N il numero di Avogadro e α' il volume di polarizzabilità.

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