Typowe efekty świetlne, z którymi każda osoba często spotyka się w życiu codziennym, to odbicie i załamanie światła. W tym artykule rozważymy przypadek, w którym oba efekty przejawiają się w tym samym procesie, porozmawiamy o zjawisku wewnętrznego odbicia całkowitego.
Odbicie światła
Zanim zajmiemy się zjawiskiem wewnętrznego całkowitego odbicia światła, należy zapoznać się ze skutkami zwykłego odbicia i załamania. Zacznijmy od pierwszego. Dla uproszczenia rozważymy tylko światło, chociaż te zjawiska są charakterystyczne dla fali o dowolnej naturze.
Odbicie rozumiane jest jako zmiana jednej trajektorii prostoliniowej, wzdłuż której porusza się promień światła, na inną trajektorię prostoliniową, gdy napotka na swojej drodze przeszkodę. Efekt ten można zaobserwować, kierując wskaźnik laserowy na lustro. Pojawienie się obrazów nieba i drzew podczas patrzenia na taflę wody jest również wynikiem odbicia światła słonecznego.
Do odbicia obowiązuje następujące prawo: kątypadanie i odbicie leżą w tej samej płaszczyźnie, co prostopadła do powierzchni odbijającej i są sobie równe.
Załamanie światła
Efekt załamania jest podobny do odbicia, występuje tylko wtedy, gdy przeszkodą na drodze wiązki światła jest inny przezroczysty ośrodek. W tym przypadku część wiązki początkowej odbija się od powierzchni, a część przechodzi do drugiego ośrodka. Ta ostatnia część nazywana jest wiązką załamaną, a kąt, jaki tworzy z prostopadłą do interfejsu, nazywany jest kątem załamania. Załamana wiązka leży w tej samej płaszczyźnie, co wiązka odbita i padająca.
Dobitne przykłady załamania światła to złamanie ołówka w szklance wody lub zwodnicza głębokość jeziora, gdy osoba patrzy w dół na jego dno.
Matematycznie zjawisko to opisano za pomocą prawa Snella. Odpowiednia formuła wygląda tak:
1 grzech (θ1)=n2 grzech (θ 2).
Tutaj kąty padania i załamania są oznaczone odpowiednio jako θ1 i θ2. Ilości n1, n2 odzwierciedlają prędkość światła w każdym medium. Nazywane są współczynnikami załamania mediów. Im większe n, tym wolniej światło porusza się w danym materiale. Na przykład w wodzie prędkość światła jest o 25% mniejsza niż w powietrzu, więc dla niej współczynnik załamania światła wynosi 1,33 (dla powietrza wynosi 1).
Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia
Prawo załamania światła prowadzi do jednegointeresujący wynik, gdy promień rozchodzi się z ośrodka o dużej liczbie n. Zastanówmy się bardziej szczegółowo, co stanie się w tym przypadku z belką. Napiszmy wzór Snella:
1 grzech (θ1)=n2 grzech (θ 2).
Założymy, że n1>n2. W tym przypadku, aby równość pozostała prawdziwa, θ1 musi być mniejsza niż θ2. Ten wniosek jest zawsze słuszny, ponieważ brane są pod uwagę tylko kąty od 0o do 90o, w których funkcja sinus stale rośnie. Tak więc, pozostawiając gęstszy ośrodek optyczny na rzecz mniej gęstego (n1>n2), wiązka odbiega bardziej od normalnego.
Teraz zwiększmy kąt θ1. W rezultacie nadejdzie moment, w którym θ2 będzie równe 90o. Zachodzi niesamowite zjawisko: pozostanie w nim wiązka wyemitowana z gęstszego ośrodka, to znaczy, że granica między dwoma przezroczystymi materiałami stanie się nieprzezroczysta.
Kąt krytyczny
Kąt θ1, dla którego θ2=90o jest nazywany krytyczne dla rozważanej pary mediów. Każdy promień, który uderza w interfejs pod kątem większym niż kąt krytyczny, jest całkowicie odbijany od pierwszego ośrodka. Dla kąta krytycznego θc można napisać wyrażenie, które wynika bezpośrednio ze wzoru Snella:
sin (θc)=n2 / n1.
Jeślidrugim medium jest powietrze, to ta równość jest uproszczona do postaci:
sin (θc)=1 / n1.
Na przykład, krytyczny kąt dla wody to:
θc=arcsin (1 / 1, 33)=48, 75o.
Jeśli zanurkujesz na dno basenu i spojrzysz w górę, zobaczysz niebo i chmury biegnące po nim tylko nad własną głową, na pozostałej powierzchni wody widoczne będą tylko ściany basenu.
Z powyższego rozumowania jasno wynika, że w przeciwieństwie do załamania, odbicie całkowite nie jest zjawiskiem odwracalnym, występuje tylko przy przechodzeniu z ośrodka gęstszego do mniej gęstego, ale nie odwrotnie.
Całkowite odbicie w naturze i technologii
Być może najczęstszym efektem w naturze, który jest niemożliwy bez całkowitej refleksji, jest tęcza. Kolory tęczy są wynikiem rozproszenia białego światła w kroplach deszczu. Jednak, gdy promienie przechodzą przez te kropelki, doświadczają pojedynczego lub podwójnego wewnętrznego odbicia. Dlatego tęcza zawsze wydaje się podwójna.
Zjawisko wewnętrznego całkowitego odbicia jest wykorzystywane w technologii światłowodowej. Dzięki światłowodom możliwe jest przesyłanie fal elektromagnetycznych bez strat na duże odległości.
