ดรรชนีหักเห

ดรรชนีหักเห  คือ อัตราส่วนที่ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าลดลงภายในวัสดุชนิดนั้น (เทียบกับความเร็วในสุญญากาศ) ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ <math>c</math> นั้นคงที่เสมอและมีค่าประมาณ 3×108 เมตรต่อวินาที ถ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่หนึ่งมีความเร็วเท่ากับ <math>v</math> ในตัวกลาง ให้ดรรชนีหักเหของตัวกลางที่ความถี่นั้นมีค่าเท่ากับ
<math>n =\frac{c}{v}</math>
ตัวเลขดรรชนีหักเหนั้นโดยทั่วไปมีค่ามากกว่าหนึ่ง โดยยิ่งวัสดุมีความหนาแน่นมากเท่าไหร่ แสงก็จะเดินทางได้ช้าลงเท่านั้น
แต่ในบางกรณี (เช่น สำหรับรังสีเอกซ์ หรือที่ความถี่ใกล้กับความถี่สั่นพ้องของวัสดุ) ดรรชนีหักเหอาจมีค่าน้อยกว่าหนึ่งได้ สถานการณ์นี้ไม่ได้ขัดกับทฤษฎีสัมพัทธภาพซึ่งกล่าวว่าสัญญาณไม่สามารถเดินทางได้เร็วกว่า <math>c</math> เนื่องจากความเร็วเฟส <math>v</math> นั้นเป็นคนละปริมาณกับความเร็วกลุ่ม ซึ่งเป็นปริมาณที่บ่งบองความเร็วที่สัญญาณเดินทาง
นิยามของความเร็วเฟสนั้นคือ อัตราเร็วที่สันคลื่นเดินทาง นั้นคือเป็นอัตราเร็วที่เฟสของคลื่นมีการเปลี่ยนแปลง ส่วนความเร็วกลุ่มนั้นเป็นอัตราเร็วที่ "รูปคลื่น" เดินทาง นั่นคือเป็นอัตราเร็วที่แอมพลิจูดของคลื่นเปลี่ยนแปลง ความเร็วกลุ่มเป็นปริมาณที่บอกถึงความเร็วที่คลื่นส่งสัญญาณและพลังงาน
บางครั้งเราเรียก "ดรรชนีหักเหของความเร็วกลุ่ม" ว่า "ดรรชนีกลุ่ม"  ซึ่งนิยามเป็น
<math>n_g=\frac{c}{v_g}</math>,
เมื่อ <math>v_g</math> คือความเร็วกลุ่ม ซึ่งเป็นคนละปริมาณกับ <math>n</math> ซึ่งนิยามเทียบกับความเร็วเฟสเสมอ
ในการอธิบายปรากฏการที่เกิดขึ้นระหว่างแสงกับวัสดุให้สมบูรณ์ บางครั้งจะสะดวกขึ้นถ้ามองดรรชนีหักเหเป็นจำนวนเชิงซ้อน <math>\tilde{n}</math> ซึ่งประกอบขึ้นจากส่วนจริง และส่วนจินตภาพ
<math>\tilde{n}=n-ik</math>
ในกรณีนี้ "n" คือดรรชนีหักเหในความหมายปกติ และ "k" คือ extinction coefficient ในวัสดุที่เป็นฉนวน เช่น แก้ว ค่า "k" เท่ากับศูนย์และแสงก็ไม่ถูกดูดซับในวัสดุจำพวกนี้ แต่ในโลหะ ค่าการดูดซับแสงในช่วงความยาวคลื่นสั้น (ช่วงที่ตามองเห็น) นั้นมีค่ามาก และการอธิบายดรรชนีหักเหให้สมบูรณ์จำเป็นต้องรวมส่วน "k" ด้วย ส่วนจริงและส่วนเสมือนของดรรชนีหักเหนั้นเกี่ยวข้องกันด้วยความสัมพันธ์ของ เครเมอร์-โครนิก  ตัวอย่างของการใช้ประโยชน์จากความสัมพันธ์นี้ได้แก่ การที่เราสามารถหาดรรชนีหักเหเชิงซ้อนของวัสดุได้สมบูรณ์โดยการวัดสเปคตรัมการดูดซับแสงเท่านั้น
เมื่อพิจารณาที่สเกลเล็ก ๆ การที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางช้าลงในวัสดุนั้น เกิดจากการที่สนามไฟฟ้าทำให้ประจุไฟฟ้าในอะตอมมีการเคลื่อนที่ (ส่วนใหญ่อิเล็กตรอนคือสิ่งที่เคลื่อนที่) การสั่นของประจุไฟฟ้าเองนั้นสร้างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นเอง โดยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้านี้มีความต่างเฟสกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตั้งต้นเล็กน้อย ผลรวมของคลื่นทั้งสองได้ออกมาเป็นคลื่นที่ความถี่เดิมแต่ความยาวคลื่นสั้นลง ซึ่งทำให้ความเร็วในการเดินทางลดลงนั่นเอง
ถ้าเรารู้ดรรชนีหักเหของวัสดุสองชนิดที่ความถี่หนึ่ง ๆ เราสามารถคำนวณมุมที่หักเหที่ผิวระหว่างตัวกลางสองชนิดนั้นได้ด้วยกฎของสแน็ล
การกระจายและการดูดกลืน.
ดรรชนีหักเหนั้นมีค่าขึ้นกับความถี่ (ยกเว้นในสุญญากาศ ซึ่งทุกความถี่เดินทางด้วยความเร็วเท่ากันเท่ากับ <math>c</math>) ปรากฏการณ์นี้รู้จักกันในชื่อการกระจาย ของแสง ซึ่งเป็นต้นเหตุให้ปริซึมแบ่งแสงขาวออกเป็นสีต่าง ๆ และเป็นเหตุผลที่รุ้งกินน้ำมีหลายสี ในช่วงคลื่นที่วัสดุไม่ดูดซับแสง ดรรชนีหักเหจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ ในขณะที่ใกล้ความยาวคลื่นที่แสงถูกดูดซับได้ ดรรชนีหักเหจะลดลงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น
สมการของเซลไมเออร์ (Sellmeier equation) ให้ผลค่อนข้างดีในการทำนายปรากฏการณ์การกระจาย และในตารางค่าดรรชนีหักเหนั้นมักบอกเป็นสัมประสิทธิ์เซลไมเออร์ แทนที่จะเป็นค่าดรรชนีหักเหจริง
แอนไอโซทรอปี.
ดรรชนีหักเหของตัวกลางบางชนิดนั้นมีค่าขึ้นกับโพลาไรเซชันและทิศทางการเคลื่อนที่ของแสงในตัวกลางนั้น คุณสมบัตินี้มีชื่อเรียกว่า การหักเหสองแนว (birefringence) หรือ แอนไอโซทรอปี (anisotropy) ในกรณีส่วนทั่วไป ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (dielectric constant) เป็นเทนเซอร์ระดับ 2 (เมทริกซ์ 3 คูณ 3) ซึ่งไม่สามารถอธิบายได้ด้วยดรรชนีหักเหเท่านั้น นอกจากเมื่อพิจารณาที่แสงที่มีโพลาไรเซชันบนแกนผลึกของวัสดุ
Nonlinearity.
สนามไฟฟ้าขนาดใหญ่ของแสงที่มีความเข้มสูง (เช่นแสงเลเซอร์) อาจทำให้ดรรชนีหักเหของตัวกลางเปลี่ยนแปลงได้เมื่อแสงนั้นเดินทางผ่าน ซึ่งทำให้เกิดปรากฏการณ์ nonlinear optics ขึ้น ถ้าดรรชนีหักเหแปรผันตามกำลังสองของขนาดของสนาม (แปรผันตรงกับความเข้มแสง) จะเรียกว่า Kerr effect และสามารถทำให้เกิดปรากฏการณ์ต่าง ๆ เช่น self-focusing และ self phase modulation
การประยุกต์ใช้.
ดรรชนีหักเหของสารละลายน้ำตาลสามารถใช้เป็นตัวบ่งบอกปริมาณน้ำตาลที่ละลายอยู่ได้ ดู