Кіріспе
Толқын бағытына қатысты физикалық құбылыс, жылуға төзімді металдар мен керамика. Физикада, дифракция – толқынның бір ортадан екінші ортаға өтетін кезде бағытын өзгертуі. Бұл бағыттың өзгеруі толқынның жылдамдығының өзгеруінен немесе ортаның өзгеруінен туындауы мүмкін. Жарықтың дифракциясы ең көп кездесетін құбылыс, бірақ дыбыс толқындары мен су толқындары сияқты басқа толқындар да дифракцияға ұшырайды. Толқынның дифракцияға қаншалықты ұшырайтыны толқын жылдамдығының өзгеруімен және толқын таралуының бастапқы бағытының жылдамдық өзгеру бағытына қатысты айырылуымен анықталады. Жарық үшін дифракция Снелл заңымен сипатталады, онда екі ортаның берілген жұбы үшін, түсу бұрышының және дифракция бұрышының синустарының қатынасы екі ортадағы фазалық жылдамдықтардың қатынасына тең, немесе екі ортаның рефракциялық индекстеріне тең:
heat tolerant metals and ceramics
In physics, refraction is the redirection of a wave as it passes from one medium to another. The redirection can be caused by the wave's change in speed or by a change in the medium. Refraction of light is the most commonly observed phenomenon, but other waves such as sound waves and water waves also experience refraction. How much a wave is refracted is determined by the change in wave speed and the initial direction of wave propagation relative to the direction of change in speed. For light, refraction follows Snell's law, which states that, for a given pair of media, the ratio of the sines of the angle of incidence and angle of refraction is equal to the ratio of phase velocities in the two media, or equivalently, to the refractive indices of the two media:
Optical prisms and lenses use refraction to redirect light, as does the human eye. The refractive index of materials varies with the wavelength of light, and thus the angle of the refraction also varies correspondingly. This is called dispersion and causes prisms and rainbows to divide white light into its constituent spectral colors.
Оптикалық призмалар мен линзалар жарықтың бағытын өзгерту үшін дифракцияны пайдаланады, сондай-ақ адам көзі де осы қағидатқа негізделген. Материалдардың рефракциялық индексі жарықтың толқын ұзындығына байланысты өзгереді, сондықтан дифракция бұрышы да сәйкес түрде өзгереді. Бұл құбылыс дисперсия деп аталады және призмалардың ақ жарықты құрамдас спектрлік түстерге жіктеуіне себеп болады.
heat tolerant metals and ceramics
In physics, refraction is the redirection of a wave as it passes from one medium to another. The redirection can be caused by the wave's change in speed or by a change in the medium. Refraction of light is the most commonly observed phenomenon, but other waves such as sound waves and water waves also experience refraction. How much a wave is refracted is determined by the change in wave speed and the initial direction of wave propagation relative to the direction of change in speed. For light, refraction follows Snell's law, which states that, for a given pair of media, the ratio of the sines of the angle of incidence and angle of refraction is equal to the ratio of phase velocities in the two media, or equivalently, to the refractive indices of the two media:
Optical prisms and lenses use refraction to redirect light, as does the human eye. The refractive index of materials varies with the wavelength of light, and thus the angle of the refraction also varies correspondingly. This is called dispersion and causes prisms and rainbows to divide white light into its constituent spectral colors.
Жалпы түсініктеме
Рефракцияның дұрыс түсіндірілуі екі бөлек бөлігін қамтиды, екеуі де жарықтың толқындық табиғатының нәтижесі. Жарық вакуумнан өзге ортада (мысалы, ауа, шыны немесе су) қозғалғанда баяулайды. Бұл шашырау немесе сіңіруден туындамайды. Керісінше, жарық электр магниттік тербеліс ретінде, басқа электр заряды бар бөлшектерді, мысалы, электрондарды тербелтеді. Тербелістегі электрондар өздерінің электромагниттік толқындарын шығарады, олар бастапқы жарықпен өзара әрекеттеседі. Соның салдарынан пайда болған "біріккен" толқынның толқын пакеттері бақылаушыдан баяу жылдамдықпен өтеді. Осылайша, жарық жылдамдығы төмендейді. Жарық вакуумға оралғанда және жақын маңда электрондар болмағанда, бұл баяулау әсері тоқтатылады және оның жылдамдығы c-ге қайта оралады. Жарық баяу ортаға бұрышпен кіргенде, толқын фронтының бір жағы екінші жағынан бұрын баяулайды. Бұл асимметриялық баяулау жарықтың қозғалыс бағытын өзгертеді. Жарық жаңа ортаға енгеннен кейін, ол тіке сызықпен қозғала береді.
When light enters a slower medium at an angle, one side of the wavefront is slowed before the other. This asymmetrical slowing of the light causes it to change the angle of its travel. Once light is within the new medium with constant properties, it travels in a straight line again.
Жарықтың баяулауы
Жоғарыда айтылғандай, жарық жылдамдығы вакуумнан басқа ортада төмендейді. Бұл төмендеу ауа, су немесе шыны сияқты кез келген ортаға қатысты және сыну сияқты құбылыстарға себеп болады. Жарық ортадан шығып, вакуумға оралғанда, және гравитацияның әсерін ескермесек, оның жылдамдығы вакуумдағы жарықтың қалыпты жылдамдығына, c-ге қайта оралады. Жарықтың атомдардан шашырауы немесе оларды сіңіріп, қайта шығаруы туралы жалпы түсіндірмелер де дұрыс емес. Мұндай түсіндірмелер жарық бір бағытта ғана емес, шашырап кеткендіктен, "бұлыңғыр" эффектіге алып келер еді. Бірақ мұндай эффект табиғатта байқалмайды. Дұрыс түсіндірме жарықтың электромагниттік толқын екендігіне негізделген. Жарық – тербелісті электрлік/магниттік толқын болғандықтан, ортада қозғалғанда материалдың электр зарядталған электрондары да тербеледі. (Материалдың протондары да тербеледі, бірақ олар шамамен 2000 есе салмаулырақ болғандықтан, олардың қозғалысы және демек, олардың әсері өте аз). Қозғалған электр заряды өзінен электромагниттік толқындар шығарады. Тербелістегі электрондардан шығатын электромагниттік толқындар бастапқы жарықты құрайтын электромагниттік толқындармен өзара әрекеттеседі, бұл көлдегі су толқындары сияқты, құрылымдық кедергі деп аталатын процесс. Екі толқын осылай кедерлескенде, пайда болған "біріккен" толқынның бақылаушыдан баяу жылдамдықпен өтетін толқын пакеттері болуы мүмкін. Жарықтың жылдамдығы төмендеген болады. Жарық материалдан шыққанда, электрондармен өзара әрекеттесу тоқтатылады, сондықтан толқын пакеттерінің жылдамдығы (демек, оның жылдамдығы) қалыпқа келеді.
Common explanations for this slowing, based upon the idea of light scattering from, or being absorbed and re emitted by atoms, are both incorrect. Explanations like these would cause a "blurring" effect in the resulting light, as it would no longer be travelling in just one direction. But this effect is not seen in nature. A correct explanation rests on light's nature as an electromagnetic wave. Because light is an oscillating electrical/magnetic wave, light traveling in a medium causes the electrically charged electrons of the material to also oscillate. (The material's protons also oscillate but as they are around 2000 times more massive, their movement and therefore their effect, is far smaller). A moving electrical charge emits electromagnetic waves of its own. The electromagnetic waves emitted by the oscillating electrons interact with the electromagnetic waves that make up the original light, similar to water waves on a pond, a process known as constructive interference. When two waves interfere in this way, the resulting "combined" wave may have wave packets that pass an observer at a slower rate. The light has effectively been slowed. When the light leaves the material, this interaction with electrons no longer happens, and therefore the wave packet rate (and therefore its speed) return to normal.
Жарықтың бүгілуі
Бір материалдан екінші материалға қарай жылдамдығы төмендеуге ұшырайтын толқынды қарастырайық. Егер ол материалдардың арасындағы интерфейске бұрышпен жетсе, толқынның бір жағы екінші материалға бірінші жетеді де, сол себепті ертерек баяулайды. Толқынның бір жағы баяулағанда, бүкіл толқын сол жаққа қарай бұрылады. Сондықтан толқынның баяу материалға енген кезде бетінен немесе нормальға қарай бұрылуы мүмкін. Ал егер толқын жылдамдығы жоғары материалға жетсе, онда толқынның бір жағы жылдамдайды және толқын сол жақтан бұрылады. Мұны түсінудің тағы бір жолы – интерфейстегі толқын ұзындығының өзгеруін қарастыру. Толқын бір материалдан екінші материалға ауысқанда, оның жылдамдығы v өзгеше болады, бірақ толқынның жиілігі f өзгермейді, ал толқын маңы немесе толқын ұзындығы λ = v / f арасындағы қашықтық өзгереді. Егер жылдамдық төмендесе, мысалы, оң жақтағы суретте көрсетілгендей, толқын ұзындығы да төмендейді. Толқын фронттары мен интерфейс арасындағы бұрыш және толқын фронттары арасындағы қашықтықтың өзгеруіне байланысты, толқын фронттарын сақтап тұру үшін интерфейсте бұрыш өзгеруі керек. Осы ескертулерден θ1 түсу бұрышы, θ2 сындыру бұрышы және екі материалдағы v1 және v2 толқын жылдамдықтары арасындағы байланысты табуға болады. Бұл – сындыру заңы немесе Снелл заңы, оны былай жазуға болады:
Сындыру құбылысын 2 немесе 3 өлшемді толқын теңдеуінен негізгі тұрғыдан да шығаруға болады. Интерфейстегі шекаралық шарт толқын векторының тангенциалдық компонентінің интерфейстің екі жағында да бірдей болуын талап етеді. Толқын векторының шамасы толқын жылдамдығына байланысты болғандықтан, бұл толқын векторының бағытын өзгертуді қажет етеді. Жоғарыда талқыланған толқын жылдамдығы – толқынның фазалық жылдамдығы. Бұл әдетте толқынның нақты жылдамдығы ретінде қарастырылатын топтық жылдамдыққа жақын, бірақ олар ерекшеленетін жағдайда, сындыруға қатысты есептеулерде фазалық жылдамдықты пайдалану маңызды. Егер толқын шекараға перпендикуляр қозғалса, яғни оның толқын фронттары шекараға параллель болса, тіпті толқын жылдамдығы өзгерсе де, бағытын өзгертпейді.
Жарықтың шашырауы
Рефракция көкжиек пен ақ жарықтың шыны призма арқылы өтетін кезде оның спектрге ажырауына да жауапты. Шыны мен судың жарық сыну көрсеткіші ауадан жоғары. Ақ жарық сәулесі ауадан жиілігіне (және толқын ұзындығына) қарай өзгеретін сыну көрсеткіші бар материалға өткенде, дисперсия деп аталатын құбылыс пайда болады. Онда ақ жарықтың әртүрлі түсті компоненттері әртүрлі бұрыштарда сынып, яғни интерфейсте әртүрлі дәрежеде бұрылады, соның салдарынан олар бөлінеді. Әртүрлі түстер әртүрлі жиіліктерге және толқын ұзындықтарына сәйкес келеді.
Су бетінде
Жарық су бетінен өткенде, судың сыну көрсеткіші 1,33-ке, ал ауаның сыну көрсеткіші шамамен 1-ге тең болғандықтан, сыну пайда болады. Тік тұрған затты, мысалы суреттегі қарындашты, судың ішіне бір бөлігін батырып орналастырғанда, ол су бетінде бүгілгендей көрінеді. Бұл, жарық сәулелері судан ауаға өтетін кезде бұрылуының нәтижесінде болады. Сәулелер көзге жеткен соң, көз оларды тура сызықтар (көз сызықтары) бойымен кері қайтарады. Көз сызықтары (тыныс-тегіс сызықтармен көрсетілген) сәулелердің шыққан жерінен жоғарырақ нүктеде қиылысады. Осының салдарынан қарындаш көтеріңкірек көрінеді, ал су шынайы тереңдігінен шалшықтап көрінеді. Жоғарыдан қарағанда судың көрінетін тереңдігі деп аталатын тереңдік байқалады. Бұл су бетінен сүңгірлеу кезінде маңызды фактор, себебі нысана балық өзге жерде орналасқандай көрінеді, сондықтан балықшы балықты ұстау үшін төменірек нысанаға алуы керек. Керісінше, судың үстіндегі зат судың астынан қарағанда биіктей көрінеді. Мұндай түзетуді садақшы балық жасауы тиіс. Түсу бұрыштары кішкентай болғанда (нормальға қатысты өлшенгенде, sin θ шамамен tan θ-ға тең болғанда), көрінетін тереңдік пен нақты тереңдіктің арақатынасы ауаның судың сыну көрсеткіштерінің арақатынасына тең болады. Алайда, түсу бұрышы 90°-қа жақындағанда, көрінетін тереңдік нөлге жақындайды, бірақ сонымен бірге шағылысу күшейеді, бұл жоғары бұрыштарда бақылау мүмкіндігін шектейді. Керісінше, түсу бұрышы (төменнен) артқанда көрінетін биіктік шексіздікке жақындайды, бірақ одан да ертерек, толық ішкі шағылысу бұрышына жақындағанда, бұл шекке жақындағанда бейне көзден жоғалады.
Атмосфералық
Ауаның сыну көрсеткіші ауа тығыздығына байланысты, сондықтан ауа температурасы мен қысымына байланысты өзгереді. Биіктік артқан сайын қысым төмендейтіндіктен, сыну көрсеткіші де төмендейді, бұл атмосфера арқылы ұзақ қашықтыққа саяхаттайтын жарық сәулелерінің жер бетіне қарай сынуына себеп болады. Бұл жұлдыздардың көкжиекке жақын орналасқандағы нақты орнын сәл өзгертеді және күн шығысында геометриялық тұрғыдан көкжиектен жоғары көтерілгенге дейін оны көруге мүмкіндік береді. Ауа температурасының өзгеруі де жарықтың сынуына әкелуі мүмкін. Бұл ыстық және суық ауа қосылғанда, мысалы, от үстінде, қозғалтқыш түтінінде немесе суық күні терезені ашқанда жылу тұман ретінде көрінеді. Бұл араласқан ауа арқылы қарағанда заттардың жылтырауына немесе кездейсоқ қозғалып тұрғандай көрінуіне себеп болады. Бұл эффект күннұрлы күндері ауа температурасының қалыпты өзгерістері кезінде жоғары ұлғайтуы бар телеобъективтерді қолданғанда да байқалады және көбінесе осы жағдайларда сурет сапасын шектейді. Ұқсас түрде, атмосфералық турбуленттілік астрономиялық телескоптардың суреттерінде жылдам өзгеріп отыратын бұрмалауларды тудырады, бұл адаптивті оптика немесе осы атмосфералық бұрмалауларды жеңуге арналған басқа да техникаларды қолданбаған жердегі телескоптардың ажыратымдылығын шектейді. Жер бетіне жақын ауа температурасының өзгеруі мираждар және Фата Моргана сияқты басқа да оптикалық құбылыстарға да себеп болуы мүмкін. Көбінесе, күннұрлы күні ыстық жолмен қыздырылған ауа көрерменге жақындап келе жатқан жарықты көлбеу бұрышпен бұрып жібереді. Бұл жолдың суды шағылыстырғандай көрінуіне және жолда су бар деген иллюзия тудырады.
Клиникалық маңызы
Медицинада, әсіресе оптометрияда, офтальмологияда және ортоптикада, рефракция (сондықтанда рефрактометрия деп те аталады) – көздің рефракциялық қатесін және тағайындалатын ең тиімді түзету линзаларын анықтау үшін көз күтімі маманы қолданатын фороптермен жүргізілетін клиникалық тест. Көздің ең айқын және нақты көрінісін қамтамасыз ететін оптикалық күші немесе фокустық ұзындығы бойынша сынақ линзаларының сериясы ұсынылады. Рефракциялық хирургия – көру қабілетінің жиі кездесетін бұзылыстарын емдеуге арналған медициналық процедура.
Су
Су толқындары көлбеу суларда баяу жылдамдықпен қозғалады. Бұл құбылысты толқынды резервуарларда сынуды көрсету үшін пайдалануға болады, сондай-ақ толқындардың жағалауға жақын жерде көлденең бұрышпен соғылуын түсіндіреді. Толқындар терең судан жағалауға жақын көлбеу суға өткенде, олар бастапқы қозғалыс бағытынан жағалауға перпендикуляр бағытқа қарай сыналады.
Дыбыс
Су асты акустикасында сыну – дыбыс сәулесінің бүгілуі немесе қисылуы, бұл сәуле дыбыс жылдамдығы градиенті арқылы бір дыбыс жылдамдығы аймағынан екінші жылдамдық аймағына өткенде туындайды. Сәуленің бүгілу дәрежесі дыбыс жылдамдықтары арасындағы айырмашылыққа, яғни судың температурасының, тұздылығының және қысымының өзгеруіне байланысты. Ұқсас акустикалық эффектілер Жер атмосферасында да кездеседі. Атмосферадағы дыбыстың сыну құбылысы ғасырлар бойы белгілі болған. 1970 жылдардың басынан бастап, бұл эффектінің кең таралған талдауы, төменгі атмосферада дыбыс сәулелерінің бүгілуінің метеорологиялық әсерлерін ескере отырып, қалалық жолдар мен шудан қорғайтын кедергілерді жобалау арқылы үлкен мәнге ие болды.