Kırılma

Bir saydam ortamdan diğer bir saydam ortama geçen ışık ışını yön değiştirir. Işığın yön değiştirmesinin nedeni ışığın farklı saydam ortamlarda farklı hızla hareket etmesidir. Örneğin ışık havada 3.10⁸ m/s hızla hareket ederken cam ortama girdiğinde hızı 2.10⁸ m/s civarına düşer.

Işık ışınları saydam bir ortamdan başka bir saydam ortama geçerken ışınların bir kısmı ortam sınırından yansıyarak geldiği ortama dönerken bir kısmı da ikinci ortama, doğrultusu ve hızı değişerek geçer. Işığın ikinci ortama geçerken doğrultu değiştirmesine ışığın kırılması denir.

Işığın kırılması olayında su dalgalarında olduğu gibi ışığın hızının değişmesinden dolayı dalga boyu değişir. Frekans ise değişmez. V=λ.f

Her iki ortam da saydam olmasına rağmen, optik özellikleri aynı değildir. Saydam ortamların birbirine benzemeyen ve ışığın kırılmasına sebep olan optik özellikleri yani ışığı kırma özelliklerinin birbirinden farklı olmasıdır. Bu özellik saydam ortamın kırılma indisidir. Kırılma indisi n sembolü ile gösterilir ve optik yoğunluk olarak bilinir. Bu yoğunluk kavramının özkütle ile ilgisi yoktur.

Işığın boşluktaki hızının saydam bir ortamdaki hızına oranına da o ortamın mutlak kırılma indisi denir. Mutlak kırılma indisi aşağıdaki formül ile hesaplanır.

c: ışığın boşluktaki hızı v: ışığın herhangi bir ortamdaki hızı n: ortamın mutlak kırılma indisi

Kırılma Kanunları

• Gelen ışın, normal ve kırılan ışın aynı düzlemdedir.
• Ortamların kırılma indisi n ile gösterilir. Kırılma indisinin birimi yoktur. Işığı çok kıran ortama çok kırıcı ya da çok yoğun ortam, az kıran ortama az kırıcı ya da az yoğun ortam denir.
• Kırılma indisinin değeri hiç bir zaman 1 den küçük olamaz. En küçük 1 olur ki, o da boşluğun kırılma indisidir. Havanın kırıcılık indisi yaklaşık boşluğunkine eşittir n_hava = 1 dir. Diğer ortamların hepsinin kırıcılık indisi havanınkinden büyüktür. n_su = 4/3=1.33 ; n_cam = 3/2 = 1.5 dir. Su havaya göre çok kırıcı, cama göre az kırıcıdır.
• Işığın bir ortamdaki hızı o ortamın kırıcılık indisi ile ters orantılıdır. Boşluktaki hızı c olan ışığın, n kırıcılık indisi ortamdaki hızı, v=c/n den bulunur.
• Az yoğun ortamdan çok yoğun ortama geçen ışın normale yaklaşarak kırılır. Saydam su ortamı cama göre daha az kırıcıdır. Dolayısıyla sudan cama geçen ışın aşağıdaki verilen şekildeki gibi normale yaklaşarak kırılır.

• Çok yoğun ortamdan az yoğun ortama geçen ışın normalden uzaklaşarak kırılır. Cam havadan daha yoğun olduğundan camdan havaya geçen ışın yukarıda verilen şekildeki gibi normalden uzaklaşarak kırılır. Işın ister az yoğun ortamdan çok yoğun ortama, ister çok yoğun ortamdan az yoğun ortama geçsin, ışınlardan az yoğun ortamda olanın normalle yaptığı açı, çok yoğun ortamda olan ışının normalle yaptığı açıdan büyüktür.

• Işık azdan çok yoğuna veya çoktan az yoğuna geçerken ortama dik olarak geçerse doğrultusu değişmez, fakat hızı ve dalga boyu değişir.
• Bir ışık ışını yukarıdaki gibi izlediği yolun tersinden gönderildiğinde yine aynı yolu izleyerek geri döner. Buna ışığın tersinirliği denir.
• Işığın gelme açısının sinüsünün (sinθ₁ ), kırılma açısının sinüsüne oranı (sinθ₂ ) her zaman sabittir ve ikinci ortamın kırılma indisi ile birinci ortamın kırılma indisinin oranına eşittir. sinθ₁ / sinθ₂ = n₂ / n₁ bu bağıntıya Snell bağıntısı denilir.

Sınır Açısı ve Tam Yansıma Olayı

Işık ışınları, kırılma indisi küçük ortamlardan büyük ortamlara hangi açı ile gelirse gelsin normale yaklaşarak kırılır ve ikinci ortama geçer. Işık ışınları çok kırıcı ortamdan az kırıcı ortama geçerken normalden uzaklaşarak kırılır. Çok kırıcı ortamdan az kırıcı ortama gelen ışınlar ikinci ortama her zaman geçemeyebilir. Ancak belli açılardan küçük açılarla geldiği zaman geçer.

Gelme açısı büyüdükçe kırılma açısı büyür ve ışığın kırılma açısı 90° olduğu andaki gelme açısına sınır açısı denir. Eğer ışık ışınları sınır açısından daha büyük açıyla gelirse ikinci ortama geçemez ve geldiği ortama normalle eşit açı yaparak geri döner. Bu olaya tam yansıma denir.

Sudan havaya gelen ışınlar için sınır açısı 48° dir. Camdan havaya gelen ışınlar için sınır açısı 48° dir. Ortamların kırıcılık indisleri arasındaki fark büyüdükçe sınır açısı küçülür. Saydam bir ortamdan başka saydam ortama gelen ışık ışınları için ortamların kırıcılık indisleri arasındaki fark büyüdükçe kırılma miktarı artar. Kırıcılık indisleri birbirine yaklaştıkça kırılma miktarı azalır.

Su Yüzeyinde Görüntü Oluşumu

Işık ışınları havadan gelip su, buz, cam gibi saydam ortamlara çarptıklarında bu ışınların bir kısmı kırılarak diğer ortama geçerken bir kısmı ortamları ayıran yüzeyde yansımaya uğrar. İşte bu yüzden su, cam, ya da buz yüzeyi ayna gibi de davranır.

Serap Olayı

Işığın farklı sıcaklıktaki hava katmanlarında tam yansıma yapması sonucu serap olayı dediğimiz olay meydana gelir. Yazın yolculuk yaparken uzakta asfalt üzerinde su birikintisi varmış gibi durumu serap olayına bir örnektir.

Aşağıdaki şekilde çöldeki bir gözlemci serap olayı sonucu, palmiye ağacını sanki suda görüntüsü varmış gibi görür.

Görünür Uzaklık (Optik Yanılgı)

Saydam ortamda bulunan bir gözlemci, bulunduğu ortamın dışındaki başka saydam ortamda bulunan cisme baktığında cisimler bulundukları yerden farklı görünür. Bu olaya görünür uzaklık(derinlik) ya da optik yanılgı denir. Su dolu havuza üstten bakıldığında, havuz derinliği, olduğundan daha az algılanır.

Aşağıdaki görseldeki gibi gözlemci(kartal) az yoğun ortamdan çok yoğun ortama normal ya da normale yakın yerden bakarsa ortamda bulunan cismi(balık) gerçek yerinden daha yakın görür. Çok yoğun ortamdan az yoğun ortama bakan bir gözlemci(balık) ise cismi(kartal) gerçekte bulunduğu yerden daha uzakta görür. Bunun sebebi, ışığın kırılarak göze gelmesi ve gözün de cismi kırılan ışınların uzantısında görmesidir.