Khúc xạ là gì? Các công bố khoa học về Khúc xạ

Khúc xạ là hiện tượng ánh sáng bị gập khi đi qua cách biên giới giữa hai môi trường có độ khác nhau, ví dụ như từ không khí vào nước hay từ không khí vào kính. Hiện tượng này xảy ra do tốc độ truyền của ánh sáng trong mỗi môi trường khác nhau, khiến ánh sáng bị làm chậm lại hoặc nhanh hơn khi đi qua môi trường mới. Khi ánh sáng gặp một góc giữa đường pháp tuyến của mặt phân cách và hướng di chuyển của ánh sáng khác nhau, ánh sáng sẽ bị gập và thay đổi hướng di chuyển so với ban đầu.
Khúc xạ là một hiện tượng quan trọng trong quang học, được mô tả bởi định luật khúc xạ Snellius hoặc còn được gọi là định luật Snell. Định luật này mô tả mối quan hệ giữa góc khúc xạ và chỉ số khúc xạ của các môi trường.

Theo định luật Snell, khi ánh sáng đi từ một môi trường không khí vào một môi trường khác như nước, kính, hay chất rắn khác, ánh sáng sẽ bị gập đi một góc đối với phương pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường. Điều này làm thay đổi hướng di chuyển và tạo ra sự gập của ánh sáng.

Chỉ số khúc xạ (hay còn gọi là chỉ số nhanh) của một môi trường được xác định bởi tỉ lệ nghịch của tốc độ truyền của ánh sáng trong môi trường đó so với tốc độ truyền ánh sáng trong không khí. Đơn vị đo chỉ số khúc xạ là không đơn vị.

Công thức Snellius mô tả mối quan hệ giữa các góc khúc xạ và chỉ số khúc xạ:

n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2)

Trong đó:
- n1 là chỉ số khúc xạ của môi trường ban đầu
- n2 là chỉ số khúc xạ của môi trường mới
- θ1 là góc tới giữa ánh sáng và mặt phân cách của môi trường ban đầu
- θ2 là góc khúc xạ giữa ánh sáng và mặt phân cách của môi trường mới

Qua hiện tượng khúc xạ, ánh sáng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ thiết bị quang học, ống kính máy ảnh, đến các hiện tượng tỏa sáng như cầu vồng và tạo hình trong kính lúp.
Khi ánh sáng chuyển đổi giữa các môi trường có chỉ số khúc xạ khác nhau, nó sẽ thay đổi góc di chuyển theo luật Snellius. Điều này là do tốc độ truyền của ánh sáng khác nhau trong các môi trường khác nhau, tạo ra sự gập và thay đổi hướng di chuyển.

Công thức Snellius sử dụng hai đại lượng quan trọng: góc tới (θ1), góc khúc xạ (θ2), và chỉ số khúc xạ (n). Chỉ số khúc xạ của môi trường được xác định bởi tỉ lệ giữa tốc độ ánh sáng trong môi trường đó và tốc độ ánh sáng trong không khí. Khi ánh sáng chuyển từ môi trường có chỉ số khúc xạ n1 vào môi trường có chỉ số khúc xạ n2, sự thay đổi góc đặc trưng của ánh sáng được mô tả bởi công thức:

n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2)

Điều này có nghĩa là tích của chỉ số khúc xạ và sin của góc đầu vào bằng tích của chỉ số khúc xạ và sin của góc đầu ra. Công thức này cho phép tính toán góc khúc xạ khi biết thông tin về các góc và chỉ số khúc xạ của các môi trường.

Khúc xạ cũng có thể tạo ra hiện tượng phản chiếu toàn phần. Khi góc tới của ánh sáng lớn hơn góc tới tối đa được gọi là góc nội chiếu, không có ánh sáng được khúc xạ vào môi trường mới và toàn bộ ánh sáng phản chiếu ngược trở lại môi trường ban đầu.

Hiện tượng khúc xạ cũng được sử dụng trong việc lấy ảnh chụp trong các ống kính máy ảnh. Ánh sáng từ đối tượng được khúc xạ và thu lại bởi một bộ phận quang học, tạo ra hình ảnh trên một bề mặt cảm biến.

Trong tự nhiên, khúc xạ cũng tạo ra các hiện tượng như cầu vồng, màu sắc trong hạt mưa, và hiệu ứng gương nước trên mặt nước. Tất cả đều là kết quả của ánh sáng bị khúc xạ khi chuyển từ một môi trường sang một môi trường khác.