rifrazione

rifrazione

rifrazióne [Der. del lat. refractio -onis dal part. pass. refractus di refrangere (→ rifrangente)] [EMG] [MCC] La deviazione che il raggio di propagazione di un'onda (elettromagnetica, in partic. luminosa, o elastica, in partic. sonora, ecc.) subisce bruscamente nel passare da un mezzo trasparente, attraverso una discontinuità rifrangente di prima specie (una variazione dell'indice di r. che interviene in uno spessore piccolo rispetto alla lunghezza d'onda della radiazione), a un altro mezzo trasparente diverso (r. ordinaria), oppure subisce con continuità (r. continua: v. oltre) in un medesimo mezzo di cui vari gradualmente l'indice di r.; deriva il suo nome dal fatto che un suo aspetto (per l'esattezza, della predetta r. ordinaria) che colpì molto gli antichi è quello di dare luogo spesso a immagini spezzate di oggetti: per es., un bastone infisso in parte sul fondo di un bacino acqueo appare, per un osservatore che si trovi sopra la superficie dell'acqua, spezzato (lat. refractus) in quanto la parte subacquea appare non in linea con la parte nell'aria (v. fig.), a causa della deviazione subita dalle visuali ai vari punti del bastone nel passare dall'aria all'acqua. La deviazione dei raggi è l'unico aspetto del fenomeno che è preso in considerazione nell'ottica geometrica, mentre nell'ottica fisica si prendono in considerazione, oltre alla variazione della velocità di propagazione di fase che sta dietro quella deviazione, anche le variazioni dell'intensità, della fase e dello stato di polarizzazione che a quella s'accompagnano, complessivamente rappresentate dall'indice di r. complesso: per tutto ciò, v. riflessione e rifrazione della luce (è da osservare che le modalità riguardanti la r. della luce sono analoghe, cambiando quel che v'è da cambiare, sia per radiazioni elettromagnetiche non luminose, sia per radiazioni elastiche: v. onda: IV 253 a). ◆ [GFS] [ASF] R. atmosferica: (a) la deviazione che subiscono le visuali nell'atmosfera terrestre, a causa di gradienti dell'indice di rifrazione dovuti principalmente a gradienti termici; dà luogo a vistosi fenomeni particolari, come gli aloni, gli arcobaleni, i miraggi e la scintillazione delle stelle (v. ottica atmosferica: IV 355 e); (b) nell'astrofisica, l'incurvamento dei raggi provenienti da oggetti celesti, il cui effetto è di abbassare verso l'orizzonte i raggi, aumentando le distanze zenitali, e del quale va quindi tenuto conto nelle misurazioni astrometriche (v. ottica atmosferica: IV 356 c); (c) ancora nell'astrofisica, con signif. brachilogico specifico, la differenza tra la distanza zenitale vera di un astro e quella osservata (cioè influenzata dalla r. atmosferica), che è veramente notevole (dell'ordine di mezzo grado) per astri prossimi all'orizzonte (v. ottica atmosferica: IV 356 d). ◆ [GFS] [ASF] R. atmosferica normale: la r. atmosferica per i valori atmosferici normali di pressione (1 atm) e temperatura (0 °C): v. ottica atmosferica: IV 356 f e Tab. 10.1. ◆ [GFS] [ASF] R. atmosferica normale orizzontale: la r. atmosferica normale per visuali orizzontali, cioè, nel campo astronomico, per astri all'orizzonte: v. ottica atmosferica: IV 357 a. ◆ [CHF] R. atomica: per una sostanza semplice, cioè per un elemento chimico, il prodotto della r. specifica (v. oltre) per la massa atomica. ◆ [OTT] R. conica: particolare fenomeno di r. che si verifica in mezzi anisotropi, e specific. nel campo ottico, per onde luminose incidenti su lamine tagliate da cristalli trasparenti biassici. Precis., se s'invia su una lamina del genere (fig. 1), a facce piane e parallele, un pennello di luce, parallelamente a uno degli assi ottici del cristallo, dalla lamina emerge un fascio di raggi paralleli tra loro e al pennello incidente, a sezione anulare circolare, talché, se intercettati da uno schermo, a essi ortogonale, su questo si forma un anello luminoso; il diametro di quest'anello dipende dallo spessore della lamina ma non dalla distanza tra la lamina e lo schermo. Il fenomeno è dovuto alla birifrazione subita dai raggi nella lamina; previsto teoricamente da W.R. Hamilton, fu verificato sperimentalmente da H. Lloyd con una lamina tagliata da un cristallo di aragonite. Esso è indicato come r. conica interna per distinguerlo da un altro fenomeno simile, noto come r. conica esterna, che si ha quando il pennello incidente non è parallelo a uno degli assi ottici. In tal caso il pennello si apre in un fascio conico emergendo dalla lamina, cioè all'esterno di questa (fig. 2), e non all'interno come nel caso precedente; su uno schermo ortogonale all'asse del fascio emergente si forma un anello luminoso, il cui diametro dipende questa volta dalla distanza tra lo schermo e la lamina, e non dallo spessore di quest'ultima. ◆ [EMG] [MCC] R. continua: quella che si ha nella propagazione in un mezzo in cui l'indice di r. n varia con continuità, e in conseguenza della quale si ha l'inflessione dei raggi: v. riflessione e rifrazione della luce: V 12 a. Tale r. si può considerare la generalizzazione di ciò che accade nella zona di passaggio fra due mezzi la quale abbia uno spessore che non si possa considerare trascurabile rispetto alla lunghezza d'onda della radiazione (discontinuità rifrangente di seconda specie). Qualunque sia il modo di variare di n, è possibile ridursi allo schema geometrico della fig., in cui il mezzo è immaginato come una successione di straterelli, in ciascuno dei quali l'indice di r. è sensibilmente costante. Considerando il generico straterello, con indice di r. n, limitato dalle superfici rifrangenti b, con raggio di curvatura r+dr, e a, con raggio di curvatura r, l'applicazione della 2a legge della r. al raggio incidente in A su a e in B su b, e del teorema dei seni al triangolo OAB, porta a riconoscere che, con gli elementi geometrici indicati nella fig., è: (r+dr)(i+di)(n+dn)=rin=cost. Per lo straterello considerato è dunque invariante di r. il prodotto dell'angolo di incidenza, dell'indice di r. e del raggio di curvatura nella zona dove battono i raggi incidenti. Se nel modo di variare di n è riconoscibile una simmetria sferica, l'invariante di r. ha valore costante in tutto il mezzo; se inoltre il raggio di curvatura è costante ovunque, il che in partic. avviene se v'è simmetria piana, la relazione precedente si riduce alla 2a legge della r. ordinaria. Una volta determinato, con considerazioni adatte al caso che si considera, l'invariante di r. o il modo di variare di esso rispetto a opportuni elementi geometrici, la relazione data sopra fornisce, per integrazione, il valore degli angoli che caratterizzano la traiettoria dei raggi nel mezzo; questa traiettoria può, in opportune condizioni, essere tale da determinare un rinvio dei raggi verso il mezzo di provenienza, cioè tale da determinare qualcosa di simile a una riflessione totale. Il caso a simmetria sferica schematizzato nella fig., è bene esemplificato dalla r. che la luce degli astri subisce nell'atmosfera terrestre (r. atmosferica: v. sopra); in questo, come in ogni altro simile, la deviazione complessiva subita dai raggi nell'attraversare il mezzo (supposto di spessore finito), si ha integrando l'equazione data (per il caso atmosferico, v. ottica atmosferica: IV 356 e). ◆ [FNC] R. dei neutroni: v. ottica neutronica: IV 399 a. ◆ [EMG] [MCC] R. diffusa: (a) la diffusione dell'energia di una radiazione che incida su una superficie rifrangente che abbia irregolarità di forma di dimensioni non piccolissime rispetto alla lunghezza d'onda della radiazione incidente (elettromagnetica, elastica, ecc.), per cui, analogamente a quanto accade per la riflessione nel primo mezzo (riflessione diffusa), si hanno r. locali in tutte le possibili direzioni nel secondo mezzo; (b) la r., macroscopicamente disordinata, che si ha per una radiazione che penetri in un mezzo con disomogeneità dell'indice di r. aventi dimensioni non piccolissime rispetto alla lunghezza d'onda (è il caso, per es., di un fluido in cui siano disperse particelle: v. diffusione della luce: II 156 a); per distinguerla dalla precedente è detta r. diffusa di volume. ◆ [ACS] [MCC] R. di onde elastiche: fenomeno in virtù del quale onde elastiche subiscono una variazione più o meno importante della direzione di propagazione, dell'intensità e del tipo (longitudinali e trasversali, e per queste ultime dello stato di polarizzazione) attraversando la superficie che separa due mezzi in cui le onde medesime si propaghino con velocità diversa (r. per discontinuità) ovvero propagandosi in un mezzo in cui tale velocità non sia ovunque la medesima (r. continua). Le leggi che governano il fenomeno sono analoghe a quelle valevoli per la luce e per le onde elettromagnetiche in genere; per es., riferendosi alla r. per discontinuità, alla 2a legge di Snell-Cartesio corrisponde la seguente, analoga relazione: sini₁/v₁= sini₂/v₂, dove i₁ è l'angolo d'incidenza sulla superficie rifrangente, i₂ è l'angolo di r., mentre v₁ e v₂ sono le velocità di propagazione (di fase) delle onde (supposte armoniche) nei due mezzi separati dalla superficie rifrangente. La considerazione di fenomeni di r. ha particolare importanza in sismologia, per le onde sismiche, e in acustica, per i suoni. ◆ [EMG] R. di onde elettromagnetiche: fenomeno che si verifica alla superficie di separazione fra mezzi in cui la velocità di propagazione di onde elettromagnetiche sia diversa; le onde subiscono, se non incidono ortogonalmente, una variazione di traiettoria, di intensità e di polarizzazione, dipendente dalle costanti elettromagnetiche dei due mezzi (costante dielettrica, permeabilità magnetica e conduttività elettrica), che, insieme, determinano l'indice di r. (complesso) relativo di un mezzo rispetto all'altro. Il caso archetipico è quello delle onde luminose, al quale possono essere ricondotti quelli di onde radio, infrarosse, ultraviolette e (ma con qualche difficoltà) raggi X e gamma: v. riflessione e rifrazione della luce. ◆ [FSN] R. di particelle cariche: fenomeno, analogo alla r. ottica e governato da leggi formalmente analoghe, per cui la traiettoria di particelle cariche varia nel passare in zone di variazione di un campo elettrico e magnetico, cioè dove varia, vettorialmente, la loro velocità: v. ottica delle particelle: IV 372 e. ◆ [ELT] R. di radioonde: segue le leggi della r. di onde elettromagnetiche in genere (v. sopra); v'è peraltro da tener presente che i mezzi elettricamente conduttori si comportano nei riguardi delle radioonde come mezzi essenzialmente riflettenti e opachi (per es., la distanza di penetrazione nel rame di radioonde con frequenza di 30 kHz è dell'ordine di 2 mm, ed appena di 20 μm per onde di frequenza 300 MHz), per cui alla r. sono interessati i soli dielettrici. Questi si comportano come mezzi con perdite crescenti al crescere della frequenza delle onde; sono caratterizzati da un indice di r. complesso la cui parte reale (che determina la traiettoria delle onde) è sensibilmente pari alla radice quadrata della costante dielettrica relativa statica, salvo che nel campo delle microonde, in cui il rilassamento polare può introdurre una notevole diminuzione dell'indice di r. al crescere della frequenza; per i dielettrici aeriformi, poi, sensibili variazioni dell'indice di r. possono essere provocate dalla presenza di elettroni e ioni liberatisi a seguito di processi di ionizzazione, con il determinarsi di condizioni simili a quelle di un plasma. Importanti fenomeni di r. si hanno nella propagazione di radioonde nell'atmosfera terrestre, precis. nella ionosfera (r. ionosferica) e, per le onde di più breve lunghezza anche nella troposfera (r. troposferica): v. radiopropagazione. Inoltre, la r. di radioonde attraverso superfici rifrangenti opportunamente conformate o attraverso regioni con opportune caratteristiche elettromagnetiche viene tecnicamente sfruttata nelle antenne direttive a lente dielettrica e a lente metallica (v. ottica delle microonde: IV 370 e). ◆ [EMG] R. elettrica: locuz. con cui, per analogia con la r. di raggi luminosi, s'indica il fenomeno (detto anche r. dielettrica) in virtù del quale le linee di un campo elettrico subiscono una deviazione in corrispondenza alla superficie di separazione tra due dielettrici di natura diversa (v. dielettrico: II 123 a). Considerando una superficie piana s di separazione fra due dielettrici omogenei e isotropi, aventi costante dielettrica assoluta εl e ε₂ rispettiv., la legge della r. è εltanφ₂= ε₂tanφ₁ (v. fig. 1); in luogo delle costanti dielettriche assolute possono essere considerate le corrispondenti costanti dielettriche relative. Il rapporto εl/ε₂ è detto indice di r. elettrica del dielettrico 2 rispetto al dielettrico 1; a seconda che tale indice sia maggiore oppure minore dell'unità, le linee del campo elettrico nel secondo dielettrico s'accostano (fig. 1) oppure s'allontanano (fig. 2) dalla normale p a s. La relazione ora ricordata è formalmente analoga alla seconda legge della r. ottica, ma è peraltro da osservare che mentre nella legge della r. ottica gli angoli caratteristici compaiono come argomenti di seni, qui compaiono come argomenti di tangenti, il che porta a escludere nella r. elettrica la possibilità di un fenomeno analogo alla riflessione totale nella r. ottica. ◆ [EMG] R. magnetica: denomin. che, per analogia con la r. ordinaria di raggi luminosi, si dà alla deviazione subita dalle linee di un campo d'induzione magnetica nel passare da un mezzo magnetico all'altro. È formalmente analoga alla r. elettrica (v. sopra) e si tratta allo stesso modo, facendo corrispondere alle costanti dielettriche (assolute o relative) le permeabilità magnetiche (assolute o relative) dei due mezzi, μl e μ₂; vale lo schema geometrico della fig. data sopra per la r. elettrica e (se non si hanno correnti elettriche sulla superficie di separazione s) si ha μltanφ₂=μ₂tanφ₁ (v. magnetostatica nella materia: III 584 c). Al rapporto μl/μ₂ si dà il nome di indice di r. magnetica del mezzo 2 rispetto al mezzo 1; poco diverso dall'unità per mezzi dia- o paramagnetici, assume valori piuttosto piccoli (dell'ordine di 10-3 e anche meno) nel caso di un campo magnetico che penetri da un mezzo dia- o paramagnetico in un mezzo ferromagnetico (per es., al passaggio aria-ferro): in questo caso, linee del campo incidenti obliquamente sulla superficie del mezzo ferromagnetico si rifrangono in questo allontanandosi fortemente dalla normale alla superficie, tendendo cioè a procedere parallelamente alla superficie medesima. ◆ [EMG] R. molecolare, o molare: per una sostanza chim. definita, è il prodotto della r. specifica (v. oltre) per la massa molecolare. ◆ [OTT] R. regolare: quella che avviene nel passaggio tra due mezzi trasparenti (per la radiazione considerata) diversi, quando la zona di separazione ha una forma le cui irregolarità abbiano dimensioni molto piccole rispetto alla lunghezza d'onda della radiazione e parimenti piccolo in questo senso sia lo spessore della zona, per modo che questa possa essere assimilata lecitamente a una superficie geometrica (superficie rifrangente), di spessore nullo e di forma regolare (il piano tangente a un punto differisce per poco da un piano tangente in un punto poco distante); è regolata dalle seguenti due leggi della r. regolare: (a) il raggio incidente, quello rifratto e la normale alla superficie rifrangente nel punto d'incidenza giacciono nello stesso piano (piano d'incidenza); (b) è costante il rapporto n₁ tra il seno dell'angolo di r. (dalla normale al raggio rifratto, nel mezzo 2) e il seno dell'angolo d'incidenza (dalla normale al raggio incidente, nel mezzo 1), n₁=n₁/n₂=sinφ₂/sinφ₁ (legge di Snell-Cartesio), detto indice di r. del mezzo 2 relativ. al mezzo 1, essendo n₁, n₂ gli indici di r. assoluti (v. oltre) dei due mezzi. ◆ [EMG] R. specifica: per una data sostanza e per una radiazione di data frequenza, è la quantità k', detta anche rifrattività specifica o potere rifrangente specifico, definita dalla seguente formula di Lorentz-Lorenz: k'=(n2-1)/ [μ(n2+1)], dove n è l'indice di r. assoluto della sostanza per la radiazione considerata e μ è la massa volumica della sostanza; r. molecolare, o molare, è poi detto il prodotto di k' per la massa molecolare (per un elemento, massa atomica e quindi r. atomica). La relazione precedente consente di determinare k' a partire da μ e n, quest'ultimo dedotto da misurazioni rifrattometriche. D'altro canto, la teoria della polarizzazione dielettrica consente di dare per k' espressioni teoriche in termini delle frequenze di risonanza che caratterizzano l'interazione, a livello atomico e molecolare, tra la radiazione e la sostanza; da tali espressioni risulta, in partic., che la r. specifica, e di conseguenza quella molecolare, è una grandezza di tipo additivo e di tipo costitutivo, vale a dire che, per un composto, essa risulta pari alla somma delle r. specifiche (atomiche) dei vari costituenti, e questa è la parte additiva, più un termine (la cosiddetta r. equivalente) dipendente dal tipo di legame tra i costituenti. La relazione dianzi data è quindi molto importante per studi di strutturistica. Le misurazioni rifrattometriche occorrenti per l'applicazione di questa formula sono generalm. fatte con sostanze allo stato liquido, in quanto in tale stato esse riescono più facili; d'altro canto, i valori di k' non variano di molto (al massimo, di qualche unità per mille) tra fase liquida e fase vapore. Nella tab. sono riportate le r. atomiche relative ad alcuni elementi e ad alcuni legami per la luce gialla del sodio (589.3 nm); l'accordo tra valori calcolati e valori misurati è eccellente, salvo che per sostanze le cui molecole contengono doppi legami coniugati; tali sostanze sono dunque, per ciò che attiene alla r. molare, otticamente anomale. È da osservare che la r. molecolare ha le dimensioni di un volume; in effetti essa rappresenta, approssimativamente, il volume, in cm3, occupato dalle molecole contenute in una grammomolecola della sostanza in esame (rappresenterebbe esattamente tale volume se la misurazione di n potesse esser fatta con una radiazione di frequenza nulla). ◆ [ELT] R. troposferica: nella radiotecnica, quella che onde radio subiscono nella troposfera v. radiopropagazione: IV 719 d. ◆ [OTT] Angolo di r.: nella r. regolare, l'angolo che il raggio rifratto forma con la normale alla superficie rifrangente nel punto d'incidenza. ◆ [EMG] Doppia r., o birifrazione: il fenomeno per cui in certe sostanze (mezzi birifrangenti) un raggio incidente sulla superficie dà luogo nell'interno di norma a due raggi rifratti, uno dei quali segue le leggi della r. regolare (raggio ordinario) e l'altro no (raggio straordinario): v. riflessione e rifrazione della luce: V 12 b. ◆ [OTT] Indice di r.: (a) assoluto (di fase) di un mezzo: per una certa radiazione monocromatica, il rapporto n tra la velocità c della luce nel vuoto e la velocità v di fase di quella radiazione nel mezzo considerato: n=c/v; per mezzi dielettrici non ferro- né ferrimagnetici equivale alla radice quadrata della costante dielettrica relativa; varia con la frequenza (o lunghezza d'onda) della radiazione (fenomeno della dispersione); la tab. 1 ne dà il valore per alcuni mezzi; (b) assoluto di gruppo: per una certa radiazione non monocromatica, il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità di gruppo di quella radiazione nel mezzo considerato; coincide con l'indice di r. di fase soltanto se si tratta di una radiazione monocromatica; (c) indice di r. di un mezzo 1 rispetto a un mezzo 2: il rapporto tra la velocità v₂ di fase nel secondo mezzo (in cui si pensa che si propaghi una radiazione monocromatica rifratta) e quella v₁ nel primo mezzo (in cui si pensa che si propaghi la radiazione incidente), cioè n₁=v₂/v₁; per radiazioni elettromagnetiche è pari anche al rapporto tra l'indice di r. del primo mezzo e quello del secondo: n₁=v₂/v₁=n₁/n₂, nonché al rapporto tra i seni degli angoli di r. e d'incidenza (v. sopra: R. regolare); la tab. 2 dà il valore per alcune sostanze rispetto all'aria e per alcune lunghezze d'onda nello spettro visibile; (d) indice di r. complesso: la grandezza complessa, adimensionata, che dà conto non soltanto della velocità, e quindi della traiettoria, di una radiazione elettromagnetica monocromatica, ma anche dell'attenuazione della sua ampiezza: n=n-iβ, dove la parte reale n è l'indice di r. assoluto (di fase), di cui sopra e per il coefficiente dell'unità immaginaria i è α=(ω/c)β, con ω pulsazione della radiazione e α coefficiente lineico di assorbimento dell'ampiezza a, la quale ultima vale cioè, lungo la generica direzione x, a(x)=Aexp(-αx), con A valore di a per x=0; per radiazioni luminose, v. riflessione e rifrazione della luce: V 10 b; altri casi particolari: per un dielettrico a frequenze non ottiche, v. dielettrico: II 129 c; per un magnetoplasma freddo (formula di Appleton-Altar dell'indice complesso), v. magnetoionica, teoria: III 563 a; per un solido in generale (attraverso le relazioni di dispersione della costante dielettrica), v. solidi, proprietà ottiche dei: V 380 e; (e) indice di r. ordinario e straordinario: quelli da considerare nel fenomeno della birifrazione: v. riflessione e rifrazione della luce: V 12 d, e. ◆ [EMG] [MCC] Leggi della r. regolare: v. sopra: R. regolare. ◆ [GFS] Metodo sismico a r.: v. geofisica applicata: III 27 a.