Rifrazione

Rifrazione

La luce, come le altre onde, dà luogo a fenomeni di rifrazione, cioè un raggio luminoso cambia direzione quando passa da un mezzo trasparente a un altro con densità diversa.
La rifrazione è stata trattata qui, a proposito dei minerali, a cui si rimanda.
In questa pagina si possono verificare le leggi della riflessione e rifrazione.

Riflessione totale

In base alle leggi della rifrazione esaminate, quando un raggio luminoso monocromatico passa da un mezzo più denso (es. acqua) a uno meno denso (es. aria), subisce una deviazione allontanandosi dalla normale.

Seguiamo la figura sotto.

Due mezzi di densità e rifrangenza diverse e quindi con onde che viaggiano a velocità differente: aria e acqua, sono separati da una superficie piana.
Nell'acqua è posta una sorgente puntiforme S che emette raggi luminosi in varie direzioni verso l'aria.

Il raggio A è perpendicolare alla superficie di separazione perciò non subisce alcuna deviazione quando passa dall'acqua all'aria.

Il raggio incidente B giunge alla superficie con un angolo i₁ rispetto alla normale. Quando emerge, il raggio rifratto si allontana dalla normale di un angolo r₁ > i₁.

Il raggio incidente C è più inclinato di B: i₂ > i₁; all'uscita, il raggio rifratto forma un angolo r₂ = 90°, cioè si propaga lungo la superficie di separazione.

Il valore dell'angolo (acuto) d'incidenza cui corrisponde un angolo di rifrazione di 90° si chiama angolo limite (l), oltre il quale si ha la riflessione totale.
Infatti, aumentando ulteriormente l'angolo d'incidenza (raggio D): i₃ > l, il raggio non emerge e quindi non è più rifratto ma riflesso nel primo mezzo, perciò la superficie di separazione si comporta come uno specchio e i₃ = r₃.

Il valore dell'angolo limite dipende dall'indice di rifrazione relativo dei due mezzi.

*Luce gialla.
** Relativo all'aria.

In questa pagina potete vedere un esempio di riflessione totale.

Un caso di riflessione totale è il miraggio.
L'aria è più o meno rifrangente secondo la maggiore o minore densità. In genere l'aria nei bassi strati è meno densa a causa del riscaldamento del suolo. Questo si verifica facilmente nei deserti (figura sotto) o nelle strade asfaltate. L'occhio dell'osservatore riceve i raggi luminosi diretti provenienti da un punto-oggetto, ma anche quelli incurvati dalla rifrazione mentre attraversa strati man mano più rarefatti (il passaggio non è netto, ma varia con continuità) per cui, superando l'angolo limite, questi raggi subiscono una riflessione totale. L'oggetto, quindi, appare come riflesso capovolto su un'inesistente superficie d'acqua. In questo caso si tratta di un miraggio inferiore.
Può anche capitare che nell'aria ci sia un'inversione termica per cui si può verificare un miraggio superiore; in questo caso possiamo osservare, per esempio, navi sospese capovolte o oggetti molto lontani, anche oltre l'orizzonte.

Prisma ottico

Il prisma ottico è un corpo rifrangente limitato da due superfici piane formanti un angolo diedro α chiamato angolo di rifrangenza o angolo di apertura del prisma.

Un raggio a di luce monocromatica, partendo dalla sorgente S, incide con un angolo i nel punto P della faccia AB di un prisma di vetro avente angolo di rifrangenza α.
Nel passaggio dall'aria al vetro, il raggio subisce una rifrazione avvicinandosi alla normale n di un angolo r, assumendo la direzione a₁.
Il raggio rifratto incide in P', con un angolo r' rispetto alla normale n', sulla faccia AC.
Quando il raggio emerge dal prisma, viene rifratto con un angolo i', allontanandosi dalla normale n' perché attraversa un mezzo meno rifrangente (aria) e assume la direzione a₂.
Le direzioni dei raggi a e a₂ si incontrano nel punto H formando l'angolo δ, detto angolo di deviazione.

Per calcolare l'angolo di deviazione si applica la seguente formula:

δ = i + i' - α

La deviazione cambia secondo questi parametri:

1. in prismi con lo stesso indice di rifrazione n, a parità di angolo di incidenza i, la deviazione δ aumenta al crescere dell'angolo di rifrangenza α;
2. a parità di angolo di rifrangenza α e di incidenza i, la deviazione δ di una luce monocromatica cresce all'aumentare dell'indice di rifrazione n del prisma;
3. in prismi con lo stesso indice di rifrazione n, a parità di angolo di incidenza i, la deviazione δ aumenta al crescere della frequenza f della radiazione.

In questa pagina potete verificare la variazione di direzione del raggio emergente modificando alcuni parametri.

Dispersione della luce

Nell'esempio precedente abbiamo usato una luce monocromatica. Se invece usiamo un fascio di luce bianca, avviene il fenomeno della dispersione, cioè la luce bianca si scompone nello spettro dei 7 colori fondamentali. Ciascun colore ha l'angolo di deviazione e quindi indice di rifrazione che aumenta dal rosso al violetto.

Il fenomeno si spiega con il fatto che l'onda luminosa, quando passa da un mezzo a un altro, mantiene inalterata la frequenza f, ma cambia la lunghezza d'onda λ e quindi la velocità. Tale variazione è tanto maggiore quanto più alta è la frequenza. Ne consegue che il rosso, avendo bassa frequenza, subisce una piccola deviazione, mentre il violetto, che ha la frequenza più alta, subisce una deviazione maggiore. La luce bianca è composta da un fascio di radiazioni di λ diverse e queste vengono separate nell'attraversare il prisma.

Ancora un esempio con GeoGebra in questa pagina.

I fenomeni atmosferici quali l'arcobaleno, le iridescenze, i pareli sono dovuti proprio alla rifrazione della luce solare sulle gocce d'acqua o sui cristalli di ghiaccio.