Rifrazione

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La cannuccia sembra piegata, a causa della rifrazione della luce tra l'acqua e l'aria.

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

[modifica] Spiegazione

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, un raggio di luce si rifrange quando entra o esce 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 più profonda di (X).

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. Questo è dovuto al cambiamento di direzione dei raggi di luce che escono dall'acqua ed entrano nell'aria. Una volta che i raggi arrivano all'occhio, il cervello immagina i raggi dritti e quindi sbaglia ad interpretare la forma dell'oggetto e la profondità.

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.

[modifica] Legge di Snell

Per approfondire, vedi la voce Legge di Snell.

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 angolo di incidenza $θ i$ e di rifrazione $θ r$ sono legati dall'espressione:

$\frac{\sin \theta_i}{\sin \theta_r} = \frac{v_1}{v_2} = \frac{n_2}{n_1}$

dove $v 1$ e $v 2$ sono le velocità nei mezzi.

[modifica] Rifrazione molare

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 V_m 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

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