Mateeria uurimine: Refraktsioon ja diffraktsioon

Refraktsioon on lainete kõverdumine kui need jõuavad laineid aeglasemalt levitavasse keskkonda. See nähtus on selgem valguse (ja teiste elektromagnetlainete korral) korral. Kõverdumissuund on selle laine külje suunas, mis esimesena aeglustub. Aeglustumisel vähenevad ka distantsid lainete vahel.
Lainete kiirust võib väljendada valemiga kiirus=lainete sagedus x lainepikkus. Lainetuse aeglustumise või kiirenemisega lüheneb või pikeneb lainepikkus aga mitte sagedus, mis sõltub lainetuse allikast. Kui kiirus langeb poole võrra, siis väheneb ka lainepikkus poole võrra.

Vähemalt helide puhul võib refraktsioon helisid tagasi alla painutada ja neid paremini kuuldavaks teha. Soojemas ja hõredamas õhus olev helilaine osa levib kiiremini kui jahedamas tihedamas õhus olev helilaine osa. Selline refraktsiooni vorm võib esineda varahommikul jahedal järvel, kui õhk on hakanud soojenema. Kuna kuuljani kostub otse tulnud helilained ja ülalt alla paindunud helid, siis võib ta kuulda nende liitumise tõttu palju kaugemaid helisid kui tavaliselt.

Valguslained kõverduvad sarnaselt helialinetega kaotades kiirusega proportsionaalselt palju lainepikkust kuid lainetuse sagedus säilib.

Refraktsiooniindeks ehk murdumisnäitaja n võrdub valguse kiirus vaakumis jagatud valguse kiirusega vastavas keskkonnas.

Näiteid murdumisnäitajatest.

Valguse murdumisnurka saab leida Snell'i seadusega (kalkulaator). Kui murdumisnäitaja n2 on näiteks 2 korda suurem õhu omast (1), siis liigub see tihedamas keskkonnas ~2 korda väiksema kõrvalekaldega illustratsioonil olevast katkendlikust joonest. Kui materjali murdumisnäitaja peaks olema 20 korda suurema murdumisnäitajaga (valgus 20 korda aeglasem), siis oleks kõrvalekalle sellest katkendjoonest ~20 korda väiksema nurgaga kui see oli enne keskkonda sisenemist. Mida aeglasemaks teeb keskkond valguse, seda otsemini (ristisuunas pinnaga) liigub valgus materjali sisse.

Diffraktsioon on lainete paindumine ümber väikeste takistuste või laienemine väikeste avauste läbimisel juhul kui "väike" on lainepikkusest väiksem.

Kui heli kõverdub väikest avaust läbides, siis võib kõlada avause juuresolijale nagu oleks see avaus heli allikas. Äikese puhul on lähedase löögi puhul lühemaid helisagedusi kuulda. Kaugema sähvatuse järel on kuulda madalama sagedusega kõminat, mis suudab takistustest kergemini mööda painduda. Lisaks diffraktsioonile põhjustab madalate lainepikkuste paremat levikut ka lühikeste lainepikkuste suhteliselt kiirem neeldumine õhku.
Kuna takistusest suurema lainepikkusega lained võivad taastuda sarnaselt ülalillustreeritud postist ümber minekuga, siis piirab selline lainete taastumine mikroskoopidega väikeste asjade nägemist. Mikroskoobiga ei näe objekte, mille lainepikkus on suurem objektist nagu näiteks valgusmikroskoobiga väikeste (alla 390 nanomeetriste) viiruste otsimisel. Kui lainepikkus on objektist suurem, siis võib lainetus pärast paari lainepikkusega distantsi läbimist taastuda selliseks nagu see oli enne väikesest objektist mõõdumist.

Diffraktsioon on ilmsem pikemate lainepikkuste korral, mistõttu võib näiteks madalaid helisagedusi ümber nurga selgemini kuulda.

Läbides peeneid pilusid levib valgus laiali. Mitmest pilust korraga läbi minnes püsib valgustatud ala üldine suurus kuid tekivad eredamad väikesed laigud.

Kitsama pilu läbimisel tekib laiem valgustatud ala ja laiema avause läbimisel ei liigu valgus nii laiali.

Näiteid avauste arvu mõjust valgustatud alade mustritele ja intentsiivsustele eeldusel, et kõik avaused on ühesuurused:

Lisapiludega tekib järjest intentsiivsemalt valgustatud ja väiksemaid alasid. Kuna valguse kõrvalekalle sõltub lainepikkusest, siis aitab selline pilude kasutamine eraldada eri lainepikkuseid.

Kalkulaator lainepikkusest ja avause mõõdust sõltuva kõrvalekalde arvutuseks. Kui avaus on sama suur lainepikkusega, siis kaldub laine augu läbimisel ~90 kraadi kõrvale. Nähtav valgus kalduks millimeetrise avause läbimisel kõrvale ~0,02 kraadi jagu. Mikromeetrisest avausest läbiks 390 nm lillakas valgus 23 kraadi all aga punane 750 nm valgus kalduks kõrvale 48 kraadi. Energilisem elektromagnetkiirgus kaldub avausi läbides vähem kõrvale, kui vähemenergilisem kiirgus.

Ainete tuvastamisel saab vaadelda nende lainepikkuseid, mis tekivad gaasi elektrilisel stimuleerimisel või aine UV kiirgusega ergastamisel. Kui neid meetodeid niisama kasutada, siis on kõik lainepikkused esialgu läbisegi kuid läbi pilude toimuva diffraktsiooniga saab neid eristada. Vähemenergiliste lainepikkustega valguslained kalduvad rohkem kõrvale ja nende lainepikkust saab arvutada juba sellega kui teab pilu laiust ja kaugust pilu järel olevast valgustatavast ekraanist (näiteks kasutades eelmist kalkulaatorit).