اثرات نوری معمولی که هر فرد اغلب در زندگی روزمره با آن مواجه می شود، انعکاس و شکست است. در این مقاله، زمانی که هر دو اثر خود را در یک فرآیند نشان دهند، در مورد پدیده بازتاب کلی درونی صحبت خواهیم کرد.
بازتاب نور
قبل از در نظر گرفتن پدیده بازتاب کلی درونی نور، باید با اثرات بازتاب و شکست معمولی آشنا شوید. بیایید با اولی شروع کنیم. برای سادگی، ما فقط نور را در نظر می گیریم، اگرچه این پدیده ها مشخصه موجی با هر ماهیت هستند.
بازتاب به عنوان تغییر یک مسیر مستطیلی درک می شود که در طول آن پرتوی از نور به یک مسیر مستطیلی دیگر حرکت می کند، هنگامی که در مسیر خود با مانعی روبرو می شود. این اثر را می توان در هنگام اشاره یک نشانگر لیزری به سمت آینه مشاهده کرد. ظاهر تصاویر آسمان و درختان هنگام نگاه کردن به سطح آب نیز نتیجه انعکاس نور خورشید است.
قانون زیر برای بازتاب معتبر است: زوایافرود و انعکاس در یک صفحه و عمود بر سطح بازتابنده قرار دارند و با یکدیگر برابرند.
شکست نور
اثر انکسار شبیه انعکاس است، فقط در صورتی رخ می دهد که مانع در مسیر پرتو نور، محیط شفاف دیگری باشد. در این حالت بخشی از پرتو اولیه از سطح منعکس می شود و بخشی به محیط دوم می رود. این قسمت آخر پرتو شکست و زاویه ای که با عمود بر سطح مشترک ایجاد می کند زاویه شکست نامیده می شود. پرتو شکسته در همان صفحه ای قرار دارد که پرتو منعکس شده و فرودیده است.
نمونه های قوی انکسار شکستن یک مداد در یک لیوان آب یا عمق فریبنده یک دریاچه زمانی است که انسان به پایین به پایین آن نگاه می کند.
از نظر ریاضی، این پدیده با استفاده از قانون اسنل توصیف می شود. فرمول مربوطه به این صورت است:
1 گناه (θ1)=n2 گناه (θ 2).
در اینجا زوایای فرود و شکست به ترتیب با θ1 و θ2 نشان داده می شوند. مقادیر n1، n2 منعکس کننده سرعت نور در هر محیط هستند. آنها را ضریب شکست رسانه می نامند. هر چه n بزرگتر باشد، نور در یک ماده معین کندتر حرکت می کند. به عنوان مثال، سرعت نور در آب 25٪ کمتر از هوا است، بنابراین برای آن ضریب شکست 1.33 است (برای هوا 1 است).
پدیده بازتاب کلی درونی
قانون شکست نور منجر به یک می شودیک نتیجه جالب زمانی که پرتو از محیطی با n بزرگ منتشر می شود. بیایید با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم که در این مورد چه اتفاقی برای پرتو خواهد افتاد. بیایید فرمول اسنل را بنویسیم:
1 گناه (θ1)=n2 گناه (θ 2).
فرض می کنیم که n1>n2. در این مورد، برای اینکه برابری درست بماند، θ1 باید کمتر از θ2 باشد. این نتیجه گیری همیشه معتبر است، زیرا فقط زوایایی از 0o تا 90o در نظر گرفته می شود که در آن تابع سینوس دائماً در حال افزایش است. بنابراین، هنگامی که یک محیط نوری متراکم تر را برای یک محیط کم تراکم ترک می کنیم (n1>n2)، پرتو بیشتر از حالت عادی منحرف می شود.
حالا بیایید زاویه θ1 را افزایش دهیم. در نتیجه، لحظه ای فرا می رسد که θ2 برابر با ۹۰o خواهد بود. یک پدیده شگفت انگیز رخ می دهد: یک پرتو ساطع شده از یک محیط متراکم تر در آن باقی می ماند، یعنی برای آن، رابط بین دو ماده شفاف مات می شود.
زاویه بحرانی
زاویه θ1، که برای آن θ2=۹۰o، نامیده می شود برای این جفت رسانه مهم است. هر پرتویی که با زاویه ای بیشتر از زاویه بحرانی به سطح مشترک برخورد کند، به طور کامل در محیط اول منعکس می شود. برای زاویه بحرانی θc می توان عبارتی نوشت که مستقیماً از فرمول اسنل پیروی می کند:
sin (θc)=n2 / n1.
اگررسانه دوم هوا است، سپس این برابری به شکل ساده شده است:
sin (θc)=1 / n1.
برای مثال، زاویه بحرانی آب عبارت است از:
θc=arcsin (1/1، 33)=48, 75o.
اگر به ته استخر شیرجه بزنید و به بالا نگاه کنید، می توانید آسمان و ابرهایی را که روی آن می گذرند فقط بالای سر خود ببینید، در بقیه سطح آب فقط دیواره های استخر قابل مشاهده است..
از استدلال بالا، واضح است که بر خلاف انکسار، بازتاب کل یک پدیده برگشت پذیر نیست، تنها زمانی رخ می دهد که از یک محیط چگال تر به یک محیط کمتر چگال حرکت می کند، اما نه برعکس.
بازتاب کامل در طبیعت و فناوری
شاید رایج ترین اثر در طبیعت، که بدون بازتاب کامل غیرممکن است، رنگین کمان باشد. رنگ های رنگین کمان نتیجه پراکندگی نور سفید در قطرات باران است. با این حال، هنگامی که پرتوها از داخل این قطرات عبور می کنند، بازتاب داخلی یک یا دوگانه را تجربه می کنند. به همین دلیل است که رنگین کمان همیشه دو برابر به نظر می رسد.
پدیده بازتاب کلی داخلی در فناوری فیبر نوری استفاده می شود. به لطف فیبرهای نوری، امکان انتقال امواج الکترومغناطیسی بدون تلفات در فواصل طولانی وجود دارد.
