Refrakce – ohyb světla při průchodu rozhraním prostředí (optika)

Co je refrakce?

Refrakce je základní jev v optice a fyzice, který nastává vždy, když vlna—nejčastěji světlo—prochází z jednoho průhledného prostředí do jiného s odlišnými optickými vlastnostmi. Tato změna prostředí způsobuje změnu rychlosti vlny a tím i změnu směru, tedy „ohyb“. Refrakce vysvětluje, proč se brčko ve sklenici vody zdá ohnuté, jak čočky zaostřují světlo a vytvářejí obrazy, proč se po dešti objevuje duha na obloze a jak optická vlákna přenášejí data napříč kontinenty.

Fyzikální princip

Když světlo přechází z jednoho prostředí (například vzduchu) do jiného (například vody nebo skla), mění svou rychlost, protože každý materiál světlo „zpomalí“ jinak. Míra, jak moc materiál zpomaluje světlo, je vyjádřena tzv. indexem lomu. Tato změna rychlosti způsobuje ohyb světla na rozhraní. Pokud nové prostředí má vyšší index lomu (je opticky hustší), světlo se láme směrem ke kolmici (pomyslné přímce kolmé na povrch). Pokud nové prostředí je opticky řidší, světlo se láme od kolmice.

Tato interakce není výlučná jen pro světlo: stejně se lámou i zvukové vlny, vodní vlny či seizmické vlny, ale optický případ je nejstudovanější a nejpoužívanější.

Index lomu

Index lomu (n) je bezrozměrné číslo vyjadřující, jak moc prostředí zpomaluje světlo oproti jeho rychlosti ve vakuu. Je matematicky definován jako:

[ n = \frac{c}{v} ]

kde:

• c = rychlost světla ve vakuu (~299 792 458 m/s)
• v = rychlost světla v daném prostředí

Typické hodnoty indexu lomu:

• Vzduch: ~1,0003
• Voda: ~1,333
• Sklo: 1,5–1,9 (dle typu)
• Diamant: ~2,42

Vyšší index lomu znamená, že světlo v daném prostředí cestuje pomaleji, což vede k většímu ohybu na rozhraních.

Disperze a závislost na vlnové délce

Index lomu není stejný pro všechny vlnové délky. Disperze označuje tuto závislost na vlnové délce: kratší vlnové délky (modré/fialové světlo) se zpomalují a lámou více než delší vlnové délky (červené světlo). Proto prizma rozkládá bílé světlo na duhu a proč se v atmosféře tvoří duhy.

Snellův zákon: Zákon lomu

Snellův zákon kvantifikuje, o kolik se paprsek světla láme na rozhraní dvou prostředí:

[ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 ]

kde:

• n₁ = index lomu prvního prostředí
• θ₁ = úhel dopadu (od kolmice)
• n₂ = index lomu druhého prostředí
• θ₂ = úhel lomu

Pokud světlo vstupuje do opticky hustšího prostředí (n₂ > n₁), láme se ke kolmici. Pokud vstupuje do řidšího prostředí, láme se od kolmice.

Kritický úhel a totální vnitřní odraz

Když se světlo snaží přejít z hustšího do řidšího prostředí, existuje určitý úhel dopadu—kritický úhel—při kterém lomený paprsek vystupuje podél rozhraní. Při ještě větším úhlu se veškeré světlo odráží zpět do hustšího prostředí: totální vnitřní odraz. Tento princip je zásadní pro optická vlákna, některé drahokamy (například diamant) a fatamorgány.

[ \theta_c = \arcsin\left(\frac{n_2}{n_1}\right) \quad (n_1 > n_2) ]

Každodenní příklady a jevy

1. Předměty ve vodě vypadají ohnuté

Tužka nebo brčko ponořené do vody vypadá na hladině ohnutě nebo zlomeně. Je to proto, že světlo z ponořené části se při přechodu z vody do vzduchu láme a do očí přichází z jiného směru.

2. Duha

Duha vzniká, když sluneční světlo vstupuje do kapek vody, láme se, vnitřně se odráží a znovu láme při výstupu. Každá barva sleduje díky disperzi nepatrně jinou dráhu, čímž se spektrum rozprostře.

3. Čočky (brýle, fotoaparáty, dalekohledy)

Čočky využívají refrakci ke sběru nebo rozptylu světla a tvoří ostré obrazy. Spojná čočka sbíhá paprsky do ohniska, rozptylka je rozptyluje. Vaše brýle korigují vidění úpravou lomu světla vstupujícího do oka.

4. Optická vlákna

Optická vlákna z plastu či skla zachycují světlo díky totálnímu vnitřnímu odrazu a umožňují přenos dat na velké vzdálenosti s minimální ztrátou—tvoří páteř moderních komunikačních sítí.

5. Fatamorgány

Za horkých dnů se vrstvy vzduchu u země liší teplotou a indexem lomu. Světlo se ohýbá směrem vzhůru a vytváří iluzi vody nebo posunutých předmětů—fatamorgány.

6. Atmosférická refrakce

Hvězdné i sluneční světlo se při průchodu zemskou atmosférou ohýbá, což způsobuje, že nebeská tělesa vypadají výše, než kde skutečně jsou, zejména při východu/západu.

Klíčové pojmy v refrakci

Lomený paprsek

Část dopadajícího světla, která prochází rozhraním a láme se podle Snellova zákona.

Dopadající paprsek

Původní paprsek dopadající na rozhraní.

Úhel dopadu

Úhel mezi dopadajícím paprskem a kolmicí.

Úhel lomu

Úhel mezi lomeným paprskem a kolmicí.

Kolmice (v optice)

Pomyslná přímka kolmá k povrchu v místě dopadu, slouží jako reference pro měření úhlů.

Optická hustota

Nesmí se zaměňovat s fyzickou hustotou; optická hustota vyjadřuje, jak moc materiál zpomaluje světlo. Vyšší optická hustota znamená vyšší index lomu.

Fermatův princip

Říká, že světlo postupuje po dráze, která mu zabere nejméně času. Tento princip je základem Snellova zákona a vysvětlení refrakce.

Chromatická disperze

Změna indexu lomu v závislosti na vlnové délce, což způsobuje, že různé barvy světla se lámou různě.

Geometrická optika

Obor optiky, který popisuje světlo jako paprsky, vysvětluje odraz a lom pomocí přímek a úhlů.

Vlnoplocha

Pomyslná plocha spojující body stejné fáze vlny. Refrakce mění tvar i směr vlnoploch.

Huygensův princip

Popisuje, že každý bod vlnoplochy je zdrojem sekundárních vln; nová vlnoplocha je obálkou těchto vln, což vysvětluje lom a ohyb.

Využití refrakce

• Korekce zraku: Čočky v brýlích a kontaktních čočkách lámou světlo tak, aby dopadalo na sítnici.
• Fotografie a fotoaparáty: Čočky vytvářejí ostré obrazy na čipu či filmu.
• Mikroskopy a dalekohledy: Zvětšují vzdálené či malé objekty díky přesnému řízení lomu světla.
• Optická vlákna: Umožňují vysokorychlostní internet a telekomunikaci.
• Spektroskopie: Prizma a difrakční mřížky rozkládají světlo na složky pro analýzu.
• Letecká doprava a meteorologie: Oprava atmosférické refrakce je nezbytná pro navigaci, astronomická pozorování a předpověď počasí.

Refrakce v přírodě

• Duha, haló, parhelia: Vznikají lomením, disperzí a odrazem v kapkách vody nebo ledových krystalcích.
• Fatamorgány: Vznikají lomením světla v různě teplých a hustých vrstvách vzduchu.
• Mihotání hvězd: Atmosférická refrakce a turbulence způsobují, že hvězdy blikají.

Refrakce v letectví a meteorologii

• Atmosférická refrakce: Mění zdánlivou polohu objektů, zejména u horizontu; pro přesnou navigaci a kalibraci přístrojů je nutná korekce.
• Rádiové a radarové vlny: Refrakce může způsobit ohyb nebo vedení signálů, což ovlivňuje komunikaci a detekční systémy.

Důležité vzorce

• Index lomu: ( n = \frac{c}{v} )
• Snellův zákon: ( n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 )
• Kritický úhel: ( \theta_c = \arcsin\left(\frac{n_2}{n_1}\right) )

Shrnutí

Refrakce je základní pojem v optice a fyzice a vysvětluje, jak a proč se světlo láme na rozhraní různých prostředí. Ovlivňuje přírodní jevy jako duhy a fatamorgány, je základem technologií od brýlí po optická vlákna, a vyžaduje pozornost v oblastech jako letectví, meteorologie a astronomie. Znalost refrakce a jejích principů je klíčová pro návrh optických přístrojů, korekci vidění, rozvoj komunikace i porozumění světu kolem nás.

Další čtení

• HyperPhysics: Refraction
• NASA: Atmospheric Refraction
• Wikipedia: Refrakce
• International Civil Aviation Organization (ICAO): Aeronautical Meteorology Manual

Související pojmy ve slovníku

• Totální vnitřní odraz
• Disperze
• Optické vlákno
• Čočka (optika)
• Prizma
• Fatamorgána
• Duha