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Lessico

sf. [sec. XVIII; dal latino medievale refractio-onis, da refractus, rifratto]. In fisica, fenomeno che si verifica quando un'onda di qualunque tipo propagandosi incontra la superficie di separazione di due mezzi diversi. Si ha in generale una variazione della direzione di propagazione dell'onda con diminuzione o aumento dell'angolo formato fra questa e la normale alla superficie di separazione nel punto di incidenza. Il fenomeno è dovuto alla variazione della velocità di propagazione dell'onda al passaggio da un mezzo a un altro ed è accompagnato dai fenomeni della riflessione e dell'assorbimento; uno dei tre fenomeni generalmente prevale sugli altri. Con accezioni specifiche: A) in astronomia, rifrazione atmosferica indica la deviazione dal cammino dei raggi luminosi che provengono da sorgenti celesti, all'interno dell'atmosfera. La deviazione, accostando la verticale del luogo, tende a innalzare le immagini degli astri rispetto all'orizzonte. Nulla per quelli situati nelle regioni circumzenitali, diviene di 1´ d'arco per gli astri a ∽45º di altezza, e di 36´ per gli astri appena all'orizzonte. Per effetto della rifrazione atmosferica, non solo i dischi del Sole e della Luna presentano uno schiacciamento di 1/5 al momento del loro sorgere e tramontare, ma essi compaiono già (o ancora) sull'orizzonte allorché, geometricamente, ne sono ancora (o già) al di sotto. B) Nelle telecomunicazioni, la rifrazione delle radioonde si verifica quando le radioonde incontrano lungo il loro percorso una variazione più o meno repentina delle costanti (costante dielettrica, permeabilità e resistività) del mezzo in cui si propagano. Ai fini delle radiocomunicazioni su onda corta, hanno grande importanza i fenomeni di rifrazione delle radioonde che si verificano negli strati superiori dell'atmosfera.

Fisica: generalità

Per caratterizzare la propagazione di un'onda è conveniente introdurre il concetto di raggio; esso è in ogni punto normale alla superficie d'onda e individua la direzione di propagazione dell'onda stessa. Tale concetto permette di semplificare le costruzioni geometriche necessarie per determinare le leggi della rifrazione. I fenomeni di rifrazione sono più comuni e ricchi di conseguenze e di applicazioni nel campo delle radiazioni ottiche, ma le leggi che li governano hanno carattere generale per ogni tipo di onda. Quando un raggio incontra la superficie di separazione di due mezzi diversi in generale dà luogo a due nuovi raggi di cui uno si propaga nel primo mezzo (raggio riflesso) e l'altro nel secondo (raggio rifratto). Il raggio rifratto si trova rispetto alla normale alla superficie di separazione dei due mezzi dalla stessa parte del prolungamento del raggio incidente, formando con essa un angolo r detto angolo di rifrazione; il raggio incidente, quello rifratto e la normale nel punto di incidenza alla superficie di separazione dei due mezzi giacciono in uno stesso piano; indicando con î l'angolo di incidenza, cioè l'angolo formato dal raggio incidente e dalla normale nel punto di incidenza , il seno dell'angolo di incidenza e il seno dell'angolo di rifrazione risultano legati dalla seguente relazione di proporzionalità:

dove v1 e v2 denotano rispettivamente le velocità di propagazione dell'onda nel primo e nel secondo mezzo. Le leggi della rifrazione si possono prevedere teoricamente facendo uso del principio di Huygens. Si consideri un'onda piana incidente sulla superficie Σ, supposta piana, di separazione di due mezzi materiali 1 e 2, in cui la perturbazione si propaghi rispettivamente con velocità v1 e v2. Superfici d'onda piane possono essere ottenute considerando una sorgente che perturbi un punto del mezzo a distanza molto grande da Σ: essa produce onde sferiche che vanno sempre più allargandosi, finché, in prossimità di Σ possono ritenersi piani paralleli. Le normali a tali piani costituiranno i raggi, anch'essi paralleli, della perturbazione; nella figura è riportata una sezione normale al piano dell'onda e alla superficie Σ di separazione dei due mezzi. In base al principio di Huygens ogni punto del mezzo colpito dalla perturbazione ondosa diventa a sua volta centro di perturbazione; tutti i punti del tratto AB di Σ diventano centri di onde sferiche secondarie che si propagano nel primo mezzo con velocità v1 e nel secondo con velocità v2. Se t0 è l'istante in cui il fronte d'onda AC incontra nel punto A la superficie Σ, l'intervallo di tempo che deve intercorrere perché il generico punto X dello stesso fronte d'onda pervenga in Y sarà , dove con XY si intende la lunghezza del segmento di estremi X e Y. In questo intervallo di tempo l'onda emessa da A all'istante t0 sarà una semisfera di raggio nel primo mezzo, e di raggio nel secondo mezzo. Nell'intervallo di tempo i punti del tratto AB avranno emesso tante onde sferiche elementari nel primo e nel secondo mezzo i cui inviluppi costituiscono le superfici d'onda; tali inviluppi sono due piani passanti per B e tangenti in H e K alle superfici d'onda sferiche emesse da A al tempo t0. I due triangoli AHB e ACB sono uguali, per cui risulteranno uguali gli angoli e si ricaverà la legge della riflessione î =î´. Dai triangoli rettangoli ACB e AKB si deduce: CB/AB=sin î, AK/AB=sin ȓ , e quindi sin î=CB/AK sin ȓ ; ma CB/AK=v1/v2 da cui sin î =v1/v2 sin ȓ . Il rapporto dipende soltanto dalle caratteristiche dei due mezzi ed è una costante che viene chiamata indice di rifrazione relativo del secondo mezzo rispetto al primo. Se il primo mezzo è il vuoto, l'indice di rifrazione viene detto assoluto e si indica normalmente con n. Indicando con n1 e n2 rispettivamente gli indici assoluti del primo e del secondo mezzo e con n21 l'indice relativo del secondo mezzo rispetto al primo si ha Quando un mezzo ha indice di rifrazione assoluto maggiore di quello di un altro mezzo, si dice che il primo mezzo è più rifrangente del secondo. Quando l'indice di rifrazione del primo mezzo è maggiore di quello dell'altro mezzo, l'angolo di rifrazione risulta maggiore dell'angolo di incidenza; quando questo assume il valore di 90º, l'angolo di incidenza relativo assume il valore l, detto angolo limite, tale che sin . Per angoli di incidenza superiori all'angolo limite si ha il fenomeno della riflessione totale, cioè il raggio incidente si riflette completamente nello stesso mezzo da cui proviene, in accordo con le leggi della riflessione e non si avrà raggio rifratto. Perché valgano le leggi della rifrazione bisogna che la superficie di separazione dei due mezzi abbia dimensioni molto maggiori della lunghezza d'onda dell'onda incidente.

Fisica: la rifrazione in acustica

La velocità di propagazione delle onde sonore può cambiare o per effetto di variazioni di temperatura o per variazioni del peso molecolare del gas in cui avviene la propagazione. Il primo effetto è quello che si verifica in pratica: andando verso le quote superiori dell'atmosfera la temperatura diminuisce, quindi diminuisce la velocità del suono per cui la direzione del raggio si incurva verso l'alto. Poiché la variazione di temperatura avviene con continuità al variare della quota, l'onda sonora si incurverà continuamente verso l'alto. Un fenomeno di rifrazione dello stesso tipo viene prodotto dal vento: generalmente ad altezze non troppo grandi il vento è più veloce in alto che al suolo, perciò le onde sonore che si propagano nello stesso senso del vento (sottovento) si incurvano verso il suolo, mentre le onde che si propagano in senso opposto al vento (sopravvento) si incurvano verso l'alto.

Fisica: la rifrazione in ottica

Le leggi della rifrazione in ottica sono note come leggi di Snellius-Cartesio; esse sono valide per raggi monocromatici, cioè costituiti da luce di un solo colore, e nel caso in cui il secondo mezzo sia isotropo. L'indice di rifrazione di una sostanza dipende dalla frequenza della luce incidente: varia quindi al variare del colore della luce. Questo fenomeno può essere osservato facendo passare attraverso un prisma di vetro un fascio di luce bianca e prende il nome di dispersione. La rifrazione trova larga utilizzazione in molti strumenti ottici e nelle loro parti costituenti come lenti, lamine, prismi.

Fisica: la doppia rifrazione o birifrangenza

La doppia rifrazione o birifrangenza, fenomeno scoperto nel 1669 da Erasmus Bartholin, consiste nello sdoppiamento di un raggio luminoso in due raggi rifratti (eventualmente sovrapposti) quando entra in un mezzo anisotropo, generalmente un cristallo. I due raggi e r´´ si propagano entro il mezzo in direzioni diverse, con velocità diverse e, se il mezzo è abbastanza spesso, emergono separati. I due raggi hanno la stessa intensità e sono completamente polarizzati in piani approssimativamente perpendicolari. Se la direzione del raggio incidente è parallela all'asse ottico del cristallo birifrangente, la doppia rifrazione, o birifrangenza, non si verifica. Dei due raggi in cui si scinde il fascio incidente, uno segue le leggi ordinarie della rifrazione e dicesi raggio ordinario, l'altro segue leggi più complesse e dicesi raggio straordinario. I cristalli che danno luogo a doppia rifrazione si dividono in monoassici, o uniassici, e in biassici secondo che abbiano uno o due assi ottici; l'asse ottico è un asse di massima simmetria cristallografica che individua una direzione lungo la quale non si ha doppia rifrazione. Ogni piano parallelo all'asse ottico viene detto sezione principale del cristallo. Sono uniassici i cristalli appartenenti ai sistemi trigonale, esagonale e tetragonale: in essi il raggio incidente si scinde in un raggio ordinario e in un raggio straordinario. L'indice di rifrazione n0 del raggio ordinario ha un valore costante, mentre quello del raggio straordinario varia, secondo la direzione, da n0 a un valore ns che può essere maggiore o minore di n0; l'indice di rifrazione ha valore ns quando la direzione di propagazione è perpendicolare all'asse ottico; n0 e ns vengono detti indici di rifrazione principali del cristallo; la differenza nsn0 è detta potere birifrangente o birifrangenza del cristallo; secondo che esso sia positivo o negativo si parla di sostanza otticamente attiva, come il quarzo, od otticamente negativa, come la calcite. Sono biassici i cristalli appartenenti ai sistemi rombico, monoclino e triclino: in essi nessuno dei due raggi rifratti segue le ordinarie leggi della rifrazione; si richiedono tre indici di rifrazione principali per descrivere completamente le loro proprietà ottiche. Gli indici di rifrazione dei raggi rifratti dipendono dalla direzione di propagazione della luce e assumono valori compresi nel campo delimitato dai tre indici principali. Il fenomeno della doppia rifrazione si spiega con il fatto che l'anisotropia cristallografica altera la superficie d'onda generata, in base al principio di Huygens, dai punti raggiunti dalla perturbazione luminosa; più precisamente, mentre nei corpi isotropi, secondo tale principio, si ammette che ogni punto illuminato sia una sorgente di onde elementari il cui inviluppo è una sfera, nei corpi anisotropi detto inviluppo non è una superficie sferica. Nei cristalli uniassici l'inviluppo delle onde elementari è l'insieme di una sfera (onda ordinaria) e di un ellissoide di rotazione (onda straordinaria). Nei cristalli biassici la superficie d'onda è una superficie del quarto ordine. Un semplice metodo per calcolare il comportamento di un cristallo nei confronti della birifrazione è la costruzione dell'ellissoide detto degli indici o di Fresnel, che si ottiene determinando per tre direzioni X, Y, Z, convenientemente orientate rispetto all'asse ottico, gli indici di rifrazione per i vettori luminosi (ossia ciascuno dei vettori campo elettrico dell'onda elettromagnetica) polarizzati rettilinearmente e diretti secondo quella direzione; i diversi indici di rifrazione risultano dati dalle lunghezze dei semiassi delle ellissi sezioni trasversali dell'ellissoide passanti per il centro. Nel caso dei cristalli uniassici l'ellissoide degli indici è di rotazione, con due assi uguali tra loro; nel caso dei cristalli biassici presenta tre assi disuguali. Con l'ellissoide degli indici si può determinare la direzione dei raggi rifratti ricorrendo a una costruzione geometrica ideata da Huygens. Fenomeni di doppia rifrazione possono essere ottenuti anche con corpi isotropi mediante particolari azioni esterne che ne determinino l'anisotropia. Si ha così la doppia rifrazione meccanica, che si ottiene, per esempio, per compressione di una lamina di vetro che, di conseguenza, presenta un comportamento analogo a un cristallo uniassico. Un effetto analogo si può determinare mediante un brusco raffreddamento del vetro per effetto di tensioni interne. Su tali fenomeni si basano metodi di determinazione della distribuzione di coazioni all'interno di materiali sollecitati (vedi fotoelasticimetria). Si ha pure doppia rifrazione elettrica, fenomeno di rifrazione creato, per esempio su liquidi come il nitrobenzolo, dall'azione di un campo elettrico (effetto elettroottico di Kerr, vedi cellula); il fenomeno è stato sfruttato per la modulazione della luce, in cinematografia sonora e in televisione. Si ha infine doppia rifrazione magnetica, insieme di effetti analoghi dovuti a un campo magnetico, fra i quali i più importanti sono l'effetto Faraday, l'effetto Voigt, l'effetto Cotton-Mouton, l'effetto Majorana.