Lom (refrakce) světla

Pro směr lomeného paprsku byl v učivu o mechanickém vlnění odvozen vztah , kde je úhel lomu (tj. úhel, který svírá lomený paprsek s kolmicí dopadu k - viz obr. 7). Podíl velikostí rychlostí světla a v obou prostředích je pro daná prostředí konstantní a vyjadřuje důležitou fyzikální veličinu: index lomu n pro dané rozhraní dvou prostředí. Je-li prvním prostředím vakuum, je . Označíme-li , dostaneme index lomu ve tvaru , který se někdy také nazývá absolutní index lomu. Pro jeho hodnotu platí , přičemž nastává právě pro vakuum (resp. vzduch).

V dalším textu se používá termín index lomu, ačkoliv by se správně měl používat termín absolutní index lomu. Absolutní index lomu je totiž vztažen k vakuu: udává, kolikrát je velikost rychlosti světla v daném prostředí menší než velikost rychlosti světla ve vakuu.

Index lomu (též relativní index lomu) pak udává poměr velikostí rychlostí světla ve dvou uvažovaných optických prostředí.

Absolutní index lomu lze tedy snáze uvést ve fyzikálních tabulkách - stačí výčet prostředí a k nim přiřadit hodnotu absolutního indexu lomu. U relativního indexu lomu by bylo nutné uvádět různé kombinace prostředí (voda - sklo, voda - plexisklo, voda - olej, …; sklo - plexisklo, sklo - olej, sklo - voda, …; …).

Šíří-li se světlo z optického prostředí s indexem lomu , v němž má velikost rychlosti , do prostředí s indexem lomu , kde má velikost rychlosti , platí: . Nyní je možné vyjádřit Snellův zákon lomu ve tvaru:

Poměr sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu světleného paprsku je roven převrácenému poměru indexů lomu daných optických prostředí, tj. .

Zákon je pojmenován podle holandského fyzika W. Snella (1591 - 1626), který jej objevil.

Index lomu je závislý na barvě (frekvenci) světla, proto se světlo různých barev láme jinak; tohoto jevu se využívá např. v optických hranolech.

Při porovnávání dvou optických prostředí o různém indexu lomu rozlišujeme:

1. prostředí opticky řidší - prostředí s menším indexem lomu

2. prostředí opticky hustší - prostředí s větším indexem lomu

Už z druhého stupně přídavného jména řidší a hustší vyplývá, že je nutné vždy uvádět dvě optická prostředí, chceme-li vyjádřit, že některé je řidší resp. hustší. Tak např. voda je opticky hustší než vakuum (má ve srovnání s vakuum větší index lomu), ale je opticky řidší než většina běžných skel (tj. voda má menší index lomu než běžná skla).

Podle zákona lomu nastává:

1. při přechodu světla z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího lom světla ke kolmici ()

2. při přechodu světla z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky řidšího lom světla od kolmice ()

Lom ke kolmici a od kolmice v závislosti na optické hustotě obou prostředí lze přiblížit pomocí analogie s vojskem, které pochoduje po suchém poli a poté plynule přejde pod určitým úhlem na rozbahněné pole (resp. opačně). Jinou vhodnou analogií může být jízda autíčka po hladkém stole a následné najetí autíčka na shrnutý ubrus.

V obou případech při pohledu shora na vojsko resp. autíčko uvidíme změnu směru trajektorie. Při přechodu na rozbahněné pole (resp. na ubrus) dojde k lomu ke kolmici - velikost rychlosti pohybu se zmenší. Při přechodu v opačném směru bude pohybující se objekt modelovat lom od kolmice.

Při odrazu a lomu světla platí, že dopadající a odražený (resp. dopadající a lomený) paprsek lze vzájemně zaměnit. Tento poznatek o záměnnosti chodu paprsků neplatí jen pro odraz a lom, ale je obecným zákonem paprskové optiky.

Tento poznatek se využívá při sledování paprsku, který je odrážen (resp. vyzařován) nějakým předmětem (např. vyšetřevání zdánlivé hloubky vody v bazénu).