Sınır Açısı, Tam Yansıma ve Serap Olayı

Çok Kırıcı Ortamdan Az Kırıcı Ortama Geçiş

Işık her zaman çok kırıcı bir ortamdan (n₂) az kırıcı bir ortama (n₁) geçemeyebilir. Ayırıcı yüzeye dik gelen ışın kırılmadan geçer. Belirli bir açıyla (i) gelen ışın normalden uzaklaşarak kırılır (r>i). Kırılma açısının tam 90° olduğu durumdaki gelme açısına sınır açısı (θs) denir. Ortamların kırma indisleri arasındaki fark arttıkça sınır açısı değeri küçülür.

Tam Yansıma

Işık, kırıcılık indisi büyük ortamdan küçük ortama sınır açısından daha büyük bir açıyla gönderilirse, artık kırılarak geçemez; bunun yerine geldiği açıyla yansır. Bu olaya tam yansıma denir. Özetle: gelme açısı sınır açısından küçükse ışık kırılarak geçer; eşitse ışın kırılma açısı 90° ile ayırıcı yüzeyden sıyırarak geçer; büyükse ışık tam yansımaya uğrar ve hiç diğer ortama geçemez.

Beyaz Işığın Renklerine Ayrılması

Beyaz ışık, görünür ışık bölgesindeki tüm renkleri barındırır. Beyaz ışık kırıcılık indisi büyük bir ortama geçerken renklerine ayrılır; görünür ışık bölgesinde mor ışık kırmızı ışığa göre daha çok kırılır. Beyaz ışık çok kırıcı ortamdan az kırıcı ortama geçerken de renklerine ayrılır, çünkü her renk için sınır açısı değeri farklıdır: kırmızı ışık için sınır açısı en büyük, mor ışık için en küçüktür. Bu nedenle belirli bir gelme açısında kırmızı, turuncu, sarı, yeşil ışınlar hava ortamına geçebilirken (sınır açılarından küçük geldiklerinden), mavi ışın tam sınırda geçebilir, lacivert ve mor ışınlar ise tam yansımaya uğrayabilir.

Serap Olayı

Serap olayı, tam yansımanın bir sonucu olarak oluşur. Havanın sıcaklığı arttıkça ortamın kırma indisi azalır; bu nedenle sıcak havalarda yerden yükseklere çıkıldıkça havanın kırma indisi kademeli olarak artar (yerdeki sıcak hava daha az kırıcı, üstteki soğuk hava daha çok kırıcıdır). Yer kabuğundan daha yüksekteki soğuk havadan gelen ışık, cisme çarpıp göze gelirken ısınan hava katmanlarında (çok kırıcıdan az kırıcıya geçer gibi) kırılır ve belirli bir açıdan sonra tam yansıma yaparak göze ulaşır; bu sonuçta cisimler ters dönmüş gibi görünür — sıcak asfalt üzerinde "su varmış" gibi görünen görüntüler ve uzaktan bakıldığında bir teknenin havada asılıymış gibi görünmesi bu ilkeye dayanır.

Küresel Yüzeylerden Kırılma

Işınlar küresel yüzeylerden geçerken de kırılma yasalarına uyar. Küre üzerindeki bir noktanın yüzey normali, kürenin merkezinden o noktaya çizilen doğrudur. Uzantısı ya da kendisi kürenin merkezine denk gelecek şekilde gönderilen bir ışın, doğrultusunu değiştirmeden yoluna devam eder (çünkü merkeze giden doğrultu her zaman yüzeye diktir). Merkeze denk gelmeyen bir ışın havadan cama geçerken normale yaklaşacak şekilde, camdan havaya çıkarken ise normalden uzaklaşacak şekilde kırılır.

Çözümlü Örnek: Kırma İndisi Sıralaması

Ders kitabındaki bir örnekte, K, L, M, N, P saydam ortamları arasında ışığın izlediği yollardan kırma indisi sıralaması çıkarılır: K'den L'ye geçerken ışın normale yaklaştığından n_L>n_K; M'den L'ye geçerken hiç kırılmadığından n_M=n_L; N'den L'ye geçerken normalden uzaklaştığından n_N>n_L; P'den N'ye geçemeyip tam yansıma yaptığından n_P>n_N. Sonuç sıralama n_P>n_N>n_M=n_L>n_K olur; verilen tablo değerleriyle eşleştirildiğinde P elmas, N kuartz kristali, M ve L su, K kuru hava olarak belirlenir. Bu örnek, yalnızca ışığın yol değişimini gözlemleyerek maddeleri tanıma becerisini (kırılma yasalarının tersine mühendisliği) gösterir.

Özet

• Sınır açısı, kırılma açısının 90° olduğu gelme açısıdır; bu açıdan büyük açılarla gelen ışık tam yansımaya uğrar ve diğer ortama geçemez.
• Beyaz ışık, her rengin farklı kırılma/sınır açısına sahip olması nedeniyle (mor en çok kırılır, en küçük sınır açısına sahiptir) hem az-çok kırıcı hem çok-az kırıcı geçişlerde renklerine ayrılır.
• Serap olayı, sıcak yerdeki az kırıcı hava ile üstteki soğuk çok kırıcı hava arasındaki kırma indisi farkının neden olduğu tam yansımadan kaynaklanır.
• Küresel bir yüzeyde merkeze doğrultulu gelen ışın kırılmadan geçer; diğer tüm ışınlar normale göre kırılma yasalarına uyar.
• Kırma indisi bilinmeyen ortamlar, ışığın izlediği yoldan (normale yaklaşma/uzaklaşma, tam yansıma) tersine mühendislikle belirlenebilir.