§ 49. Преломление света. Физический смысл показателя преломления

Переход светового луча сквозь границу раздела двух прозрачных материалов всегда подчиняется строгому правилу преломления. Указанная закономерность соединяет направление падающего и преломлённого лучей при помощи неизменного коэффициента, который характеризует оптическую плотность второго материала по сравнению с первым. Исторически данный закон был установлен экспериментально голландским исследователем Виллебрордом Снеллиусом в начале семнадцатого столетия. Учёный провёл серию точных измерений углов и записал результаты в трактате по оптике, который был найден в его бумагах после смерти. Его труд заложил математический фундамент для дальнейшего изучения оптических явлений в природе. Самый простой опыт по преломлению каждый ставил дома: на рис. 1 карандаш, опущенный в стакан с водой, кажется переломленным у самой поверхности, потому что лучи от его подводной части меняют направление на границе воды и воздуха.

Попытки теоретически обосновать наблюдаемое отклонение лучей начались значительно позже. Исаак Ньютон предложил объяснение, опираясь на корпускулярную модель света. Согласно его рассуждениям, на световые частицы в приграничном слое действуют притягивающие силы, ускоряющие их движение при входе в плотный материал. Из этой логики следует, что скорость световых частиц должна возрастать в оптически более плотной среде. Совсем иная картина была нарисована Христианом Гюйгенсом, рассматривавшим свет как волновой процесс. Его модель предсказывала прямо противоположный эффект: движение волнового фронта должно замедляться.

Долгие десятилетия теоретический спор оставался нерешённым, пока в середине девятнадцатого века не были проведены точные измерения. Французский физик Леон Фуко в тысяча восемьсот пятидесятом году поставил эксперимент, позволивший сравнить скорости распространения света в воздухе и в воде. Результаты измерений однозначно показали, что световые волны в водной среде движутся медленнее, составляя лишь три четверти от их скорости в воздушном пространстве. Этот факт разрушил корпускулярные предсказания Ньютона и утвердил волновую природу света. Экспериментальные данные полностью совпали с теорией Гюйгенса.

На основании подтверждённых экспериментальных данных учёные смогли установить прямую связь между геометрией преломления и физикой волнового движения.