Kırılma: Tanım, Kırılma İndisi ve Snell Yasası

Gün Batımında Görülen Güneş: Kırılmanın Günlük Bir Kanıtı

Gün batımı sırasında ilginç bir olay gözlenir: Güneş ufuk çizgisinin altına indiği hâlde bir süre daha görülebilir. Bu, Güneş ışınlarının atmosferden geçerken doğrultu değiştirmesiyle ilgilidir — yani kırılmanın günlük hayattaki somut bir kanıtıdır. Benzer şekilde, sıcak asfalt üzerinde su varmış gibi görünmesi (serap) ve çay dolu bir bardaktaki kaşığın kırık gibi görünmesi de kırılma olayının sonuçlarıdır.

Kırılma Olayının Tanımı

Işık bir saydam ortamdan başka bir saydam ortama geçerken ayırıcı yüzeye ulaştığında, ışığın bir kısmı yüzeyden yansır, bir kısmı ise doğrultusunu değiştirerek diğer ortama geçer. Işığın doğrultu değiştirerek başka bir saydam ortama geçmesine kırılma denir. Gelen ışın ile yüzey normali arasındaki açıya gelme açısı (i), kırılan ışın ile normal arasındaki açıya kırılma açısı (r), gelme doğrultusuyla kırılma doğrultusu arasındaki açıya ise sapma açısı (α) denir.

Kırılma İndisi (Kırıcılık İndisi)

Işık boşlukta yaklaşık c = 3×10⁸ m/s süratle yayılır. Saydam bir ortama geçtiğinde ışığın ortalama sürati değişir (azalır). Işığın boşluktaki yayılma süratinin (c), herhangi bir ortamdaki yayılma süratine (v) oranına ortamın ışığı kırma indisi (n) denir: n = c/v, yani n·v = c. Boşluğun kırma indisi 1 kabul edilir; havanın kırma indisi de yaklaşık 1'e çok yakındır (n_hava≈1). Boşluktan farklı tüm saydam ortamların kırma indisi 1'den büyüktür; kırma indisi büyüdükçe ışığın o ortamdaki sürati azalır. Örneğin cam ~1,52, su ~1,33, elmas ~2,41 kırma indisine sahiptir.

Kırılma Yasaları ve Snell Yasası

Kırılma iki yasaya uyar: (1) gelen ışın, kırılan ışın ve yüzey normali aynı düzlemdedir. (2) ortamların kırma indislerinin oranı, ışığın gelme ve kırılma açılarının sinüslerinin oranıyla ters orantılıdır ve bu iki oran birbirine eşittir; bu ilişkiye Snell Yasası denir: n₁·sin(i) = n₂·sin(r). Farklı kırıcılık indisine sahip ortamların ara kesit yüzeyine dik olarak gelen ışın, kırılmadan (doğrultusunu değiştirmeden) diğer ortama geçer — ancak ortalama hızı yine de değişir.

Az Kırıcı Ortamdan Çok Kırıcı Ortama Geçiş

Işık az kırıcı bir ortamdan (n₁ küçük) çok kırıcı bir ortama (n₂ büyük) geçerken: normale yaklaşarak kırılır (i>r); ışığın ortalama hızı azalır; ışığın frekansı sabit kalır (yalnızca hız ve dalga boyu değişir); ortamlar arasındaki kırıcılık indisi farkı arttıkça sapma açısı artar; gelme açısı arttıkça da sapma açısı artar. Bu davranış her zaman gerçekleşir — az kırıcıdan çok kırıcıya geçişte ışık her açıda diğer ortama geçebilir.

Özet

• Kırılma, ışığın bir saydam ortamdan farklı kırıcılık indisine sahip başka bir saydam ortama geçerken doğrultu değiştirmesidir.
• Kırılma indisi n=c/v ile tanımlanır; boşluğun n değeri 1'dir, diğer tüm saydam ortamların n değeri 1'den büyüktür.
• Snell Yasası, n₁·sin(i)=n₂·sin(r) ilişkisiyle iki ortam arasındaki kırılma açılarını birbirine bağlar.
• Ayırıcı yüzeye dik gelen ışın kırılmadan geçer, ancak hızı yine de değişir.
• Az kırıcı ortamdan çok kırıcı ortama geçen ışık her zaman normale yaklaşarak kırılır ve yavaşlar; frekansı değişmez.