Phản xạ, Khúc xạ và Tán sắc

Tại các mặt phân cách, sóng điện từ phản xạ và khúc xạ theo phương trình Fresnel, và trong môi trường, tốc độ của chúng thay đổi theo tần số, gây ra hiện tượng tán sắc.

Definition

Nghiên cứu về cách sóng điện từ tách thành các phần phản xạ và truyền qua tại một mặt phân cách, được điều chỉnh bởi tính liên tục của các trường, và cách tốc độ sóng và chiết suất phụ thuộc vào tần số, tạo ra sự tán sắc và sự tách biệt của vận tốc pha và vận tốc nhóm.

Scope

Chủ đề này bao gồm hành vi của sóng điện từ tại ranh giới giữa các môi trường: các định luật phản xạ và khúc xạ (định luật Snell), các phương trình Fresnel cho biên độ và cường độ, góc Brewster và phản xạ toàn phần, và sự phụ thuộc tần số của chiết suất (tán sắc) với vận tốc pha và vận tốc nhóm liên quan cùng với sự hấp thụ. Nó kết nối quang học vĩ mô của các mặt phân cách với các điều kiện biên điện từ.

Core questions

• Hướng và biên độ của sóng phản xạ và khúc xạ được xác định như thế nào?
• Góc Brewster và phản xạ toàn phần là gì?
• Tại sao chiết suất phụ thuộc vào tần số, và tán sắc là gì?

Key concepts

• Định luật Snell
• Phương trình Fresnel
• Góc Brewster
• Phản xạ toàn phần
• Chiết suất
• Tán sắc
• Vận tốc pha
• Vận tốc nhóm

Key theories

Phương trình Fresnel và định luật Snell

Việc khớp các trường trên một mặt phân cách cho định luật Snell về góc khúc xạ và các phương trình Fresnel về biên độ phản xạ và truyền qua, bao gồm các hiệu ứng phụ thuộc phân cực như góc Brewster.

Tán sắc và chỉ số phụ thuộc tần số

Vì phản ứng của môi trường phụ thuộc vào tần số, chiết suất và tốc độ sóng thay đổi theo tần số, tách biệt vận tốc pha và vận tốc nhóm, tạo ra sự tán sắc và sự hấp thụ phụ thuộc tần số.

Clinical relevance

Các nguyên tắc này chi phối thấu kính, lăng kính, lớp phủ chống phản xạ, sợi quang dựa trên phản xạ toàn phần, quản lý tán sắc trong truyền thông, và phân tích quang phổ được sử dụng rộng rãi trong khoa học và y học.

History

Định luật khúc xạ Snell được thiết lập vào thế kỷ XVII, và Fresnel đã suy ra các mối quan hệ biên độ từ lý thuyết sóng vào những năm 1820. Brewster đã xác định góc phân cực, và tán sắc được giải thích bằng điện từ học khi sự phụ thuộc tần số của phản ứng của môi trường được hiểu rõ.

Key figures

• Augustin-Jean Fresnel
• Willebrord Snellius
• David Brewster

Seminal works

• born1999
• jackson1998

Frequently asked questions

Tại sao lăng kính tách ánh sáng trắng thành các màu?

Chiết suất của thủy tinh thay đổi theo tần số (tán sắc), vì vậy các màu khác nhau khúc xạ ở các góc khác nhau tại các bề mặt lăng kính và xuất hiện theo các đường riêng biệt.

Phản xạ toàn phần là gì?

Khi một sóng truyền từ môi trường đậm đặc hơn sang môi trường kém đậm đặc hơn vượt quá một góc tới hạn, không có ánh sáng nào được truyền qua và tất cả đều bị phản xạ; điều này giữ ánh sáng trong sợi quang.