Refraktsioon ehk laine murdumine on laine suuna muutumine, mis tekib selle kiiruse muutumise tõttu, kui laine liigub ühest keskkonnast teise. Näiteks heli- ja valguslained murduvad, kui nad läbivad eri tüüpseid läbipaistvaid aineid, nagu õhk ja vesi.

Refraktsiooni tunnuseks on see, et laine sagedus jääb piiril muutumatuks, kuid tema kiirus ja lainepikkus muutuvad. Kui valgus siseneb tihedamasse (suurema murdumisnäitajaga) keskkonda, aeglustub see ja valguskiir "paindub" normaali suunas. Vastupidisel juhul — kui valgus liigub vähem tihedasse keskkonda — paindub see normaalist eemale.

Snelli seadus

Refraktsiooni kvantitatiivseks seaduseks on Snelli seadus, mis seob nurkade ja murdumisnäitajate vahelised suhted. Kirjapandult:

n = c v , {\displaystyle n={\frac {\mathrm {c} }{v}},} {\displaystyle n={\frac {\mathrm {c} }{v}},}

kus c on valguse kiirus vaakumis ja v on valguse faasikiirus antud keskkonnas. Murdumisnäitaja n on seega ilmaühikuline suurus, mis kirjeldab, kui palju aeglustub valgus konkreetses ainekeskkonnas.

Snelli seadus kahe keskkonna vahel nimetab:

  • n1 sin θ1 = n2 sin θ2,
  • või ekvivalentselt sin θ1 / sin θ2 = v1 / v2 = n2 / n1,

kus θ1 ja θ2 on langeva ja murdunud kiire ning n1 ja n2 vastavate keskkondade murdumisnäitajad. See võimaldab arvutada murdumisnurka, kui teatakse sisenemisnurga ja kummagi keskkonna n väärtusi.

Tüüpilised murdumisnäitajad ja lihtne näide

Mõned tavapärased väärtused (ligikaudsed): õhk ≈ 1,0003, vesi ≈ 1,33, klaas ≈ 1,5 (sõltuvalt tüübi ja lainepikkuse järgi). Näide: valgus langeb õhust vette nurga all 30° (θ1 = 30°). Arvutame θ2:

  • sin θ2 = (n1 / n2) sin θ1 ≈ (1,0003 / 1,33) × 0,5 ≈ 0,376
  • θ2 ≈ 22,1°

See näitab, et valgus paindub normaali suunas, sisenedes vette.

Olulised mõisted ja nähtused

  • Paralleelsete pindade efekt: kui valgus läbib kahte paralleelset tasapinda (nt klaasplaadi välis- ja sisepind), on väljumiskiir paralleelne sisenemiskiiriga — kiir nihkub küll, aga jääb paralleelseks algsele suunale.
  • Hästi tuntud näide: kõrre näiv paindumine vees — põhjuseks on valguse kiiruse ja lainepikkuse muutus õhust vette sisenemisel.
  • Dispersion ehk värvideks lahknemine: prismas või klaasis jaguneb valgus vikerkaarevärvideks, sest erinevad lainepikkused kogevad erinevat murdumist (murdumisnäitaja sõltub lainepikkusest).
  • Kriitiline nurk ja täielik sisepeegeldus: kui valgus liigub tihedamast keskkonnast vähem tihedasse (n1 > n2) ja sisenemisel tekib piisavalt suur nurk, siis sin θc = n2 / n1. Kui langev nurk on suurem kui kriitiline nurk θc, toimub täielik sisemine peegeldus (valgus ei välju teise keskkonda). Seda kasutatakse näiteks optilistes kiududes.
  • Sagedus konstantne: laine sagedus ei muutu piiril, mistõttu muutub lainepikkus v = fλ seose järgi.
  • Faasi- ja grupikiirus: murdumisnäitaja n sõltub lainepikkusest ja võib viidata kas faasi- või grupikiirusele; optilises kontektis räägitakse tavaliselt faasi kiirusest.

Kasutusalad

Refraktsioonil on palju praktilisi rakendusi: läätsed (prillid, kaameralahendused), optika instrumendid (mikroskoobid, teleskoobid), prismad ja spektrianalüüs, optilised kiud ja side, refraktomeetria (ainete murdumisnäitajate mõõtmine) ning veepinna all nähtavuse ja kaardistamise mõistmine. Ka igapäevane kogemus — näiteks basseini näiv madaluse või kõrre paindumine klaasist veeklaasis — põhineb refraktsioonil.

Lõpetuseks — lihtne kujundlik seletus

Hea ja intuitiivne võrdlus on mõelda valgusest kui autost: kui auto ratas satub esimesele pinnale (teistsugune kulumis- või haardetingimus) ja aeglustub, pöördub auto pisut selles suunas. Sarnaselt muudab valguse kiiruse muutus piiril kiiruse ja seega ka suuna muutuse. Kuid oluline on meeles pidada, et valgus ei "tunne" füüsilist kontakti nii nagu auto, vaid põhjus on lainete kiiruse- ja lainepikkuse muutuses erinevates ainekeskkondades.