Закон Снеллиуса (также известный как закон Снеллиуса–Декарта , закон Ибн-Саля , [1] и закон преломления ) — это формула, используемая для описания взаимосвязи между углами падения и преломления , когда речь идет о световых или других волнах, проходящих через границу между двумя различными изотропными средами , такими как вода, стекло или воздух. В оптике закон используется при трассировке лучей для вычисления углов падения или преломления, а в экспериментальной оптике — для нахождения показателя преломления материала. Закон также выполняется в метаматериалах , которые позволяют свету изгибаться «назад» под отрицательным углом преломления с отрицательным показателем преломления .
Закон гласит, что для данной пары сред отношение синусов угла падения ( ) и угла преломления ( ) равно показателю преломления второй среды относительно первой ( ), который равен отношению показателей преломления ( ) двух сред или, что эквивалентно, отношению фазовых скоростей ( ) в двух средах. [2]
Закон следует из принципа наименьшего времени Ферма , который, в свою очередь, следует из распространения света в виде волн.
Птолемей , в Александрии , Египет, [3] нашел соотношение относительно углов преломления, но оно было неточным для углов, которые не были малыми. Птолемей был уверен, что он нашел точный эмпирический закон, частично в результате небольшого изменения своих данных, чтобы соответствовать теории (см.: смещение подтверждения ). [4]
Закон в конечном итоге был назван в честь Снеллиуса , хотя впервые он был открыт персидским ученым Ибн Сахлем при дворе в Багдаде в 984 году. [6] [7] [8] В рукописи «О зажигательных зеркалах и линзах » Сахль использовал закон для получения форм линз, которые фокусируют свет без геометрической аберрации . [9]
Альхазен в своей «Книге оптики» (1021) был близок к повторному открытию закона преломления, но не сделал этого шага. [10]
Закон был заново открыт Томасом Харриотом в 1602 году [11] , который, однако, не опубликовал свои результаты, хотя он переписывался с Кеплером по этому поводу. В 1621 году голландский астроном Виллеброрд Снеллиус (1580–1626) — Снелл — вывел математически эквивалентную форму, которая осталась неопубликованной при его жизни. Рене Декарт независимо вывел закон, используя эвристические аргументы сохранения импульса в терминах синусов в своем эссе 1637 года «Диоптрика» , и использовал его для решения ряда оптических задач. Отвергнув решение Декарта, Пьер де Ферма пришел к тому же решению, основанному исключительно на его принципе наименьшего времени . Декарт предположил, что скорость света бесконечна, однако при выводе закона Снеллиуса он также предположил, что чем плотнее среда, тем больше скорость света. Ферма поддерживал противоположные предположения, то есть, что скорость света конечна, и его вывод зависел от того, что скорость света меньше в более плотной среде. [12] [13] Вывод Ферма также использовал его изобретение равенства , математическую процедуру, эквивалентную дифференциальному исчислению, для нахождения максимумов, минимумов и касательных. [14] [15]
В своей влиятельной математической книге «Геометрия» Декарт решает задачу, над которой работали Аполлоний Пергский и Папп Александрийский . Даны n прямых L и точка P(L) на каждой прямой, найдите геометрическое место точек Q, такое, что длины отрезков QP(L) удовлетворяют определенным условиям. Например, когда n = 4, даны прямые a, b, c и d и точка A на a, B на b и т. д., найдите геометрическое место точек Q, такое, что произведение QA*QB равно произведению QC*QD. Когда не все прямые параллельны, Папп показал, что геометрические места являются коническими сечениями, но когда Декарт рассматривал большие n, он получал кубические и более высокие степени кривых. Чтобы показать, что кубические кривые интересны, он показал, что они естественным образом возникли в оптике из закона Снеллиуса. [16]
Согласно Дейкстерхёйсу, [17] «В De natura lucis et proprietate (1662) Исаак Фоссиус сказал, что Декарт видел статью Снеллиуса и придумал свое собственное доказательство. Теперь мы знаем, что это обвинение незаслуженно, но с тех пор оно принималось много раз». И Ферма, и Гюйгенс повторяли это обвинение в том, что Декарт скопировал Снеллиуса. На французском языке закон Снеллиуса иногда называют «la loi de Descartes» или чаще « loi de Snell-Descartes ».
В своем труде «Трактат о свете» (1678 ) Христиан Гюйгенс показал, как закон синусов Снеллиуса можно объяснить или вывести из волновой природы света, используя то, что мы стали называть принципом Гюйгенса-Френеля .
С развитием современной оптической и электромагнитной теории древний закон Снеллиуса был выведен на новый уровень. В 1962 году Николас Бломберген показал, что на границе нелинейной среды закон Снеллиуса следует записать в общем виде. [18] В 2008 и 2011 годах также было продемонстрировано, что плазмонные метаповерхности изменяют направления отражения и преломления светового луча. [19] [20]
Закон Снеллиуса используется для определения направления световых лучей через преломляющие среды с различными показателями преломления. Показатели преломления среды, обозначенные , и т. д., используются для представления коэффициента, на который уменьшается скорость светового луча при прохождении через преломляющую среду, такую как стекло или вода, по сравнению с его скоростью в вакууме.
При прохождении света через границу между средами, в зависимости от относительных показателей преломления двух сред, свет будет преломляться либо на меньший угол, либо на больший. Эти углы измеряются относительно нормальной линии , представленной перпендикулярно границе. В случае света, перемещающегося из воздуха в воду, свет будет преломляться в направлении нормальной линии, поскольку свет замедляется в воде; свет, перемещающийся из воды в воздух, будет преломляться в сторону от нормальной линии.
Преломление между двумя поверхностями также называют обратимым, поскольку, если бы все условия были идентичны, углы были бы такими же для света, распространяющегося в противоположном направлении.
Закон Снеллиуса обычно справедлив только для изотропных или зеркальных сред (таких как стекло ). В анизотропных средах, таких как некоторые кристаллы , двойное лучепреломление может расщепить преломленный луч на два луча: обыкновенный или o -луч, который следует закону Снеллиуса, и другой необыкновенный или e -луч, который может не быть копланарным с падающим лучом.
Когда свет или другая волна являются монохроматическими, то есть имеют одну частоту, закон Снеллиуса можно также выразить через отношение длин волн в двух средах :
Закон Снеллиуса можно вывести различными способами.
Закон Снеллиуса можно вывести из принципа Ферма , который гласит, что свет проходит путь, который занимает наименьшее время. Взяв производную от оптической длины пути , можно найти стационарную точку , которая дает путь, пройденный светом. (Существуют ситуации, когда свет нарушает принцип Ферма, не проходя путь с наименьшим временем, как при отражении в (сферическом) зеркале.) В классической аналогии область с меньшим показателем преломления заменяется пляжем, область с большим показателем преломления — морем, и самый быстрый способ для спасателя на пляже добраться до тонущего в море человека — бежать по пути, который следует закону Снеллиуса.
Как показано на рисунке справа, предположим, что показатели преломления среды 1 и среды 2 равны и соответственно. Свет входит в среду 2 из среды 1 через точку O.
- угол падения, - угол преломления относительно нормали.
Фазовые скорости света в среде 1 и среде 2 равны
скорость света в вакууме.
Пусть T — время, необходимое свету для прохождения пути от точки Q через точку O до точки P.
где a, b, l и x обозначены на правом рисунке, причем x — изменяющийся параметр.
Чтобы минимизировать это, можно дифференцировать:
Обратите внимание, что
и
Поэтому,
В качестве альтернативы закон Снеллиуса можно вывести с использованием интерференции всех возможных путей световой волны от источника до наблюдателя — это приводит к деструктивной интерференции везде, за исключением экстремумов фазы (где интерференция конструктивна), которые становятся фактическими путями.
Другой способ вывода закона Снеллиуса заключается в применении общих граничных условий уравнений Максвелла для электромагнитного излучения и индукции .
Еще один способ вывода закона Снеллиуса основан на соображениях трансляционной симметрии. [21] Например, однородная поверхность, перпендикулярная направлению z, не может изменить поперечный импульс. Поскольку вектор распространения пропорционален импульсу фотона, поперечное направление распространения должно оставаться одинаковым в обеих областях. Предположим без потери общности плоскость падения в плоскости . Используя хорошо известную зависимость волнового числа от показателя преломления среды, мы немедленно выводим закон Снеллиуса.
где — волновое число в вакууме. Хотя ни одна поверхность не является по-настоящему однородной в атомном масштабе, полная трансляционная симметрия является прекрасным приближением, когда область однородна в масштабе длины волны света.
Имея нормализованный вектор света (направленный от источника света к поверхности) и нормализованный вектор нормали плоскости , можно вычислить нормализованные отраженные и преломленные лучи через косинусы угла падения и угла преломления , без явного использования значений синуса или каких-либо тригонометрических функций или углов: [22]
Примечание: должно быть положительным, что и будет, если — нормальный вектор, указывающий от поверхности в сторону, откуда падает свет, область с индексом . Если отрицательно, то указывает в сторону без света, поэтому начните заново, заменив его на отрицательное значение.
Этот отраженный вектор направления указывает обратно на ту сторону поверхности, откуда пришел свет.
Теперь применим закон Снеллиуса к отношению синусов, чтобы вывести формулу для вектора направления преломленного луча:
Формула может показаться проще с точки зрения переименованных простых значений и избегания любого появления имен тригонометрических функций или имен углов:
Пример:
Значения косинуса можно сохранить и использовать в уравнениях Френеля для расчета интенсивности результирующих лучей.
Полное внутреннее отражение обозначается отрицательным подкоренным выражением в уравнении для , что может произойти только для лучей, пересекающих менее плотную среду ( ).
Когда свет распространяется из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления, закон Снеллиуса, по-видимому, требует в некоторых случаях (когда угол падения достаточно велик), чтобы синус угла преломления был больше единицы. Это, конечно, невозможно, и свет в таких случаях полностью отражается границей, явление, известное как полное внутреннее отражение . Наибольший возможный угол падения, который все еще приводит к преломленному лучу, называется критическим углом ; в этом случае преломленный луч распространяется вдоль границы между двумя средами.
Например, рассмотрим луч света, движущийся из воды в воздух с углом падения 50°. Показатели преломления воды и воздуха приблизительно равны 1,333 и 1 соответственно, поэтому закон Снеллиуса дает нам соотношение
что невозможно удовлетворить. Критический угол θ крит — это значение θ 1 , для которого θ 2 равен 90°:
Во многих средах распространения волн скорость волны изменяется в зависимости от частоты или длины волны; это справедливо для распространения света в большинстве прозрачных веществ, кроме вакуума. Эти среды называются дисперсионными. Результатом является то, что углы, определяемые законом Снеллиуса, также зависят от частоты или длины волны, так что луч смешанных длин волн, такой как белый свет, будет распространяться или рассеиваться. Такое рассеивание света в стекле или воде лежит в основе происхождения радуг и других оптических явлений , в которых разные длины волн проявляются как разные цвета.
В оптических приборах дисперсия приводит к хроматической аберрации ; размытости, зависящей от цвета, которая иногда является эффектом, ограничивающим разрешение. Это было особенно актуально в рефракционных телескопах до изобретения ахроматических объективов.
В проводящей среде диэлектрическая проницаемость и показатель преломления являются комплексными величинами. Следовательно, таковыми являются угол преломления и волновой вектор. Это означает, что, в то время как поверхности постоянной действительной фазы являются плоскостями, нормали которых образуют угол, равный углу преломления с нормалью к интерфейсу, поверхности постоянной амплитуды, напротив, являются плоскостями, параллельными самому интерфейсу. Поскольку эти две плоскости в общем случае не совпадают друг с другом, волна называется неоднородной. [23] Преломленная волна экспоненциально затухает, причем показатель пропорционален мнимой составляющей показателя преломления. [24] [25]
Р. Рашед приписал Ибн Сахлю открытие закона преломления [23], обычно называемого законом Снеллиуса, а также законом Снеллиуса и Декарта.