Refraktion är böjning av vågor när de passerar från ett medium till ett annat, på grund av en förändring i deras hastighet. Fenomenet är oftast förknippat med ljus, men kan även gälla ljud- eller till och med vattenvågor. Det händer när en serie vågor färdas mot det nya mediet i en vinkel, så att en sida upplever en förändring i hastighet före den andra, vilket får den att svänga mot den långsammare sidan på samma sätt som ett fordon i rörelse tenderar att svänga om ena sidan bromsas mer än den andra. Brytning kan göra att föremål verkar förskjutna och kan förstärka avlägsna ljud. Den har många användningsområden i ljussammanhang, såsom linser och prismor.
Brytningsindex
Varje medium genom vilket vågor kan röra sig har ett brytningsindex som indikerar hur snabbt de kommer att färdas. När det gäller ljus, hittas detta genom att dividera dess hastighet i ett vakuum med dess hastighet i just det mediet. Det är ett förhållande mellan mediernas hastigheter, så det mäts inte i någon enhet. Brytningsindexet ökar i allmänhet med mediets densitet: det är ett för vakuum och är större än ett för alla kända naturmaterial.
Luft har vanligtvis ett brytningsindex på cirka 1.00029, men detta varierar med temperatur och tryck. För vatten är värdet ca 1.33 och för glas ca 1.50 – 1.75 beroende på typ. Diamant har ett mycket högt brytningsindex på 2.417, vilket ger den välkända gnistrande effekten.
Vardagsexempel
Det vanligaste exemplet som används när man diskuterar refraktion är ett sugrör i vatten. När ett sugrör placeras i ett glas vatten och ses från sidan verkar det vara brutet eller böjt. Detta beror på skillnaden i brytningsindex för luft och vatten. Eftersom vatten är tätare än luft, verkar halmen böjas när ljuset det reflekterar bromsas av vattnets densitet. Detta fenomen gör också att nedsänkta föremål, som fiskar, ser närmare ytan än vad de faktiskt är.
Eftersom luftens brytningsindex varierar med temperatur och tryck, kan föremål verka förskjutna eller förvrängda under vissa förhållanden. Den välbekanta illusionen av vatten som ligger på en väg en varm dag är ett exempel: det är en bruten bild av himlen som orsakas av uppvärmningen av luft nära vägytan. Ibland kan luftlager vid olika temperaturer och tryck göra föremål som är över horisonten synliga – detta är känt som en hägring. Olika luftlager kan producera liknande fenomen med ljud. Under de rätta förhållandena kan fjärrljud verka nära eftersom några av ljudvågorna, som initialt är på väg ovanför lyssnaren, kan böjas nedåt, vilket ökar volymen.
Ett vanligare exempel är en regnbåge, där solljuset bryts av regndroppar. Solljus består av en blandning av olika våglängder, eller färger, av ljus, där blått till exempel har en kortare våglängd än rött. När detta ljus passerar genom regndroppar böjs de kortare våglängderna mer än de längre, vilket delar upp ljuset i dess olika färger.
du använder
De vanligaste användningsområdena för refraktion är i linser och prismor. En lins är utformad så att ljus som kommer in i den fokuseras genom brytning mot en punkt, vilket ger en förstorad bild av ett objekt. Linser kan användas i kikare och teleskop för att få detaljerade bilder av avlägsna föremål, eller i förstoringsglas och mikroskop för att se mycket små föremål, till exempel mikroorganismer som inte är synliga för blotta ögat. Ett prisma kan användas för att dela upp ljuset i de olika färgerna på ungefär samma sätt som vattendroppar skapar en regnbåge, men ger en mer exakt bild som kan användas för att analysera ljuskällan i detalj.
Snells lag
Fenomenet brytning hade varit känt åtminstone sedan de gamla grekernas tid, och ett antal människor har genom historien formulerat lagar för att beskriva det, däribland Ibn Sahl från Bagdad, som 984 kom med en mycket exakt beskrivning, som han används för att skapa linser. Den holländska astronomen Willebrord van Roijen Snell producerade en matematisk lag 1621, som senare modifierades till formeln som kallas ”Snells lag” av René Descartes 1637. Den kan användas för att beräkna brytningsvinkeln för ljus som passerar genom två olika medier.