Типичните светлинни ефекти, които всеки човек често среща в ежедневието, са отражение и пречупване. В тази статия ще разгледаме случая, когато и двата ефекта се проявят в рамките на един и същ процес, ще говорим за феномена на вътрешното пълно отражение.
Отражение на светлината
Преди да разгледате феномена на вътрешното пълно отражение на светлината, трябва да се запознаете с ефектите на обикновеното отражение и пречупване. Да започнем с първия. За простота ще разгледаме само светлината, въпреки че тези явления са характерни за вълна от всякакво естество.
Отражение се разбира като промяна на една праволинейна траектория, по която се движи лъч светлина, към друга праволинейна траектория, когато срещне препятствие по пътя си. Този ефект може да се наблюдава при насочване на лазерна показалка към огледало. Появата на изображения на небето и дърветата при гледане на водната повърхност също е резултат от отражението на слънчевата светлина.
Следният закон е валиден за отражение: ъглипадането и отражението лежат в една и съща равнина заедно с перпендикуляра на отразяващата повърхност и са равни една на друга.
Пречупване на светлината
Ефектът на пречупването е подобен на отражението, само ако препятствието по пътя на светлинния лъч е друга прозрачна среда. В този случай част от първоначалния лъч се отразява от повърхността, а част преминава във втората среда. Тази последна част се нарича пречупен лъч, а ъгълът, който прави с перпендикуляра на интерфейса, се нарича ъгъл на пречупване. Пречупеният лъч лежи в същата равнина като отразения и падащия лъч.
Силни примери за пречупване са счупването на молив в чаша с вода или измамната дълбочина на езерото, когато човек погледне надолу към дъното му.
Математически това явление се описва с помощта на закона на Снел. Съответната формула изглежда така:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Тук ъглите на падане и пречупване са обозначени като θ1 и θ2 съответно. Количествата n1, n2 отразяват скоростта на светлината във всяка среда. Те се наричат показатели на пречупване на медиите. Колкото по-голямо е n, толкова по-бавно се движи светлината в даден материал. Например, във вода скоростта на светлината е с 25% по-малка, отколкото във въздуха, така че за нея индексът на пречупване е 1,33 (за въздуха е 1).
Феноменът на пълно вътрешно отражение
Законът за пречупване на светлината води до едноинтересен резултат, когато лъчът се разпространява от среда с голямо n. Нека разгледаме по-подробно какво ще се случи с гредата в този случай. Нека напишем формулата на Снел:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Ще приемем, че n1>n2. В този случай, за да остане вярно равенството, θ1 трябва да бъде по-малко от θ2. Този извод винаги е валиден, тъй като се разглеждат само ъгли от 0o до 90o, в рамките на които синусовата функция непрекъснато нараства. По този начин, когато се оставя по-плътна оптична среда за по-малко плътна (n1>n2), лъчът се отклонява повече от нормалното.
Сега нека увеличим ъгъла θ1. В резултат на това ще дойде моментът, когато θ2 ще бъде равно на 90o. Възниква невероятно явление: лъч, излъчен от по-плътна среда, ще остане в него, тоест за него интерфейсът между два прозрачни материала ще стане непрозрачен.
Критичен ъгъл
Ъгълът θ1, за който θ2=90o, се нарича критично за разглежданата двойка медии. Всеки лъч, който удари интерфейса под ъгъл, по-голям от критичния, се отразява напълно в първата среда. За критичния ъгъл θc може да се напише израз, който директно следва от формулата на Снел:
sin (θc)=n2 / n1.
Аковтората среда е въздух, тогава това равенство се опростява до формата:
sin (θc)=1 / n1.
Например, критичният ъгъл за водата е:
θc=arcsin (1 / 1, 33)=48, 75o.
Ако се гмурнете до дъното на басейна и погледнете нагоре, можете да видите небето и облаците, които се движат по него само над собствената си глава, на останалата част от водната повърхност ще се виждат само стените на басейна.
От горните разсъждения става ясно, че за разлика от пречупването, пълното отражение не е обратимо явление, то възниква само при преминаване от по-плътна към по-малко плътна среда, но не и обратно.
Пълно отражение в природата и технологиите
Може би най-често срещаният ефект в природата, който е невъзможен без пълно отражение, е дъгата. Цветовете на дъгата са резултат от разпръскването на бяла светлина в дъждовни капки. Въпреки това, когато лъчите преминават вътре в тези капчици, те изпитват единично или двойно вътрешно отражение. Ето защо дъгата винаги изглежда двойна.
Феноменът на вътрешното пълно отражение се използва в оптичната технология. Благодарение на оптичните влакна е възможно да се предават електромагнитни вълни без загуба на дълги разстояния.
