Při šíření světla často nastane případ, kdy světlo dopadá na rozhraní dvou optických prostředí. Příkladem může být sluneční světlo dopadající na hladinu jezera. Světlo se na hladině odráží, ale také proniká do vody. Říkáme, že na rozhraní dvou prostředí dochází k odrazu a lomu světla. K popisu obou jevů použijeme zákony geometrické optiky, které se řídí následujícími zákony: Světlo se šíří rovnoměrně přímočaře, o tom svědčí např. vznik stínu za překážkou. Jestliže zdroj světla není bodový, pak kolem vrženého úplného stínu vzniká i polostín. Stínové úkazy nejvelkolepěji představuje příroda v podobě zatmění Slunce a Měsíce. Zákon záměnnosti chodu paprsků: Šíří–li se světlo z bodu A do bodu B po jisté trajektorii, pak by se šířilo z bodu B do bodu A po téže trajektorii. Princip nezávislosti chodu světelných paprsků: paprsky, které vycházejí z jednoho zdroje světla se navzájem protínají, přitom se však neovlivňují a postupují prostředím nezávisle jeden na druhém. Fermatův princip: Světlo se v každém prostředí šíří po nejkratší dráze.
Odraz světla (reflexe)
V místě dopadu světla na rozhraní vztyčíme kolmici, kterou nazýváme kolmice dopadu. Úhel α, který svírá paprsek dopadajícího světla s kolmicí dopadu, je úhel dopadu; úhel α´, který svírá paprsek odraženého světla s kolmicí dopadu, je úhel odrazu. Tento zákon byl znám už Eukleidovi.
Odraz světla.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Pro odraz světla platí zákon odrazu: Velikost úhlu odrazu α´ se rovná velikosti úhlu dopadu α. Dopadající a odražený paprsek leží ve stejné rovině – v rovině dopadu. Úhel odrazu nezávisí na frekvenci světla. Pro daný úhel dopadu se světlo odráží pod stejným úhlem pro všechny frekvence. Při odrazu se také nemění rychlost světla, neboť celý děj probíhá v jednom prostředí. Podmínka α = α´ souvisí právě se stejnou rychlostí světla před odrazem i po odrazu. Při kolmém dopadu je dopadající paprsek sám kolmicí dopadu a splývá s odraženým paprskem. Platí tedy α = α´= 0°.
Lom světla (refrakce)
K lomu světla dochází na rozhraní dvou prostředí, proniká–li světlo z jednoho prostředí do prostředí druhého. Úhel dopadu označíme α, úhel β, který svírá lomený paprsek s kolmicí dopadu, je úhel lomu. Lom světla jako první popsal Klaudios Ptolemaios, který sestavil tabulku s úhly lomu při určitých úhlech dopadu světelného paprsku na rozhraní vzduchu a vody. Zcela obdobnou tabulku sestavil i Willebrord Snell o čtrnáct století později. V roce 1637 použil pro stejnou tabulku funkce sinus René Descartes a zveřejnil ji ve spise Dioptrika. Pravděpodobně ani jeden o práci druhého nevěděl. K objevu zákona lomu dospěl téměř i epler.
Willebrord Snell publikoval svůj vztah takto: Poměr sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu je pro danou dvojici prostředí stálá veličina, která je určena podílem rychlostí světla v obou prostředích. René Descartes teoreticky odvodil z korpuskulární teorie zákon lomu jako
Kde v1 je rychlost světla v prvním prostředí a v2 rychlost světla v druhém prostředí. Zákon v tomto tvaru byl přijat až po roce 1850, kdy Leon Foucault změřil rychlost světla ve vodě. Na základě Fermatova principu odvodil t zákon lomu kupodivu ve stejném tvaru, i když z počátku s Descartem vůbec nesouhlasil. Zákon lomu můžeme s pomocí vztahu pro index lomu přepsat do tvaru
Lom světla.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
A proč se vlastně světlo láme? Zdá se nepochopitelné, proč si světlo v druhém prostředí nezachovává svůj původní směr. Chování světla můžeme přirovnat k pochodující koloně vojáků, kteří narazili na hranici mezi rovinou a nepřístupným terénem. V obou prostředích musí jít kolona jinou rychlostí – v nepřístupném terénu musí zpomalit. Jestliže kolona nepůjde na rozhraní kolmo, ale pod určitým úhlem, pak vojáci v první řadě nedosáhnou této hranice současně, ale jeden po druhém. Každý voják, když se ocitne v nepřístupném terénu je nucen zpomalit a bude se tak za ostatními zpožďovat. Aby se tak nestalo, musí se část kolony, která už přešla hranici, natočit v tupém úhlu k ostatním. Stejným způsobem si lom světla můžete demonstrovat doma. Stačí si vzít stůl a pokrýt ho jen z poloviny ubrusem. Jestliže si vypůjčíme pár spojených koleček ze staré hračky a necháme je kutálet po nakloněném stole, pak na hranici ubrusu dojde ke změně směru pohybu.
Je–li n1 < n2 (v1 > v2), pak jde o přechod světla z prostředí opticky řidšího do opticky hustšího. Ze Snellova zákona vyplývá sin α > sin β a z vlastností funkce sinus také α > β. Úhel lomu β je menší než úhel dopadu α, říkáme, že nastal lom ke kolmici.
Je–li n1 > n2 (v1 < v2), pak jde o přechod světla z prostředí opticky hustšího do opticky řidšího. Ze Snellova zákona vyplývá sin α < sin β a z vlastností funkce sinus také α < β. Úhel lomu β je menší než úhel dopadu α, říkáme, že nastal lom od kolmice. Experimentálně bylo zjištěno, že při kolmém dopadu (α = 0°) se světlo neláme (β = 0°).
Vědcům se podařilo vyrobit materiál se záporným indexem lomu. Jestliže na takový materiál dopadne ze vzduchu paprsek světla, nelomí se jako u jiných materiálů. Průchod paprsku světla je zcena nezvyklý.
Lom světla v materiálu se záporným indexem lomu.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.Spojná čočka vyrobená z materiálu se záporným indexem lomu by paprsky rozptylovala a rozptylka by je zase spojovala do jednoho bodu. Jako speciální čočky se chovají i planparalelní (tenké) destičky vyrobené z tohoto materiálu (Veselagovy čočky).
Materiály se záporným indexem lomu se v přírodě nevyskytují, je potřeba je vyrobit uměle. Tyto tzv. fotonické krystaly mohou být složeny například z tenkých drátků a smyček uspořádaných do mřížky z dielektrického materiálu. Zatím se daří vyrábět materiály, které mají záporný index lomu v oblasti mikrovln, ale lze časem předpokládat i rozšíření do oblasti viditelného záření. Jeden vzorek má index lomu –0,3 v oblasti vlnové délky 1,5 μm. Tato obast se využívá k vláknové telekomunikaci. Jedná se o materiál tvořený malými zlatými pruty zasazenými v matici z dielektrického materiálu. Vzorek má zatím příliš velkou pohltivost. Předpokládá se, že tyto materiály se budou využívat v nových čočkách, anténách, světlovodech.
