Τα τυπικά εφέ φωτισμού που κάθε άτομο συναντά συχνά στην καθημερινή ζωή είναι η ανάκλαση και η διάθλαση. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε την περίπτωση που και τα δύο αποτελέσματα εκδηλώνονται μέσα στην ίδια διαδικασία, θα μιλήσουμε για το φαινόμενο της εσωτερικής ολικής ανάκλασης.
Αντανάκλαση φωτός
Πριν εξετάσετε το φαινόμενο της εσωτερικής ολικής ανάκλασης του φωτός, θα πρέπει να εξοικειωθείτε με τα αποτελέσματα της συνηθισμένης ανάκλασης και διάθλασης. Ας ξεκινήσουμε με το πρώτο. Για απλότητα, θα εξετάσουμε μόνο το φως, αν και αυτά τα φαινόμενα είναι χαρακτηριστικά ενός κύματος οποιασδήποτε φύσης.
Ανάκλαση νοείται ως η αλλαγή μιας ευθύγραμμης τροχιάς, κατά μήκος της οποίας κινείται μια ακτίνα φωτός, σε μια άλλη ευθύγραμμη τροχιά, όταν συναντά ένα εμπόδιο στο δρόμο της. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί όταν στρέφετε έναν δείκτη λέιζερ σε έναν καθρέφτη. Η εμφάνιση εικόνων του ουρανού και των δέντρων όταν κοιτάμε την επιφάνεια του νερού είναι επίσης αποτέλεσμα της αντανάκλασης του ηλιακού φωτός.
Ο ακόλουθος νόμος ισχύει για την ανάκλαση: γωνίεςη πρόσπτωση και η ανάκλαση βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο μαζί με την κάθετη στην ανακλώσα επιφάνεια και είναι ίσες μεταξύ τους.
Διάθλαση φωτός
Η επίδραση της διάθλασης είναι παρόμοια με την ανάκλαση, μόνο που συμβαίνει εάν το εμπόδιο στην πορεία της δέσμης φωτός είναι ένα άλλο διαφανές μέσο. Σε αυτή την περίπτωση, μέρος της αρχικής δέσμης ανακλάται από την επιφάνεια και μέρος περνά στο δεύτερο μέσο. Αυτό το τελευταίο τμήμα ονομάζεται διαθλασμένη δέσμη και η γωνία που δημιουργεί με την κάθετη στη διεπιφάνεια ονομάζεται γωνία διάθλασης. Η διαθλασμένη δέσμη βρίσκεται στο ίδιο επίπεδο με την ανακλώμενη και την προσπίπτουσα δέσμη.
Ισχυρά παραδείγματα διάθλασης είναι το σπάσιμο ενός μολυβιού σε ένα ποτήρι νερό ή το παραπλανητικό βάθος μιας λίμνης όταν ένα άτομο κοιτάζει κάτω τον πυθμένα της.
Μαθηματικά, αυτό το φαινόμενο περιγράφεται χρησιμοποιώντας το νόμο του Snell. Ο αντίστοιχος τύπος μοιάζει με αυτό:
1 αμαρτία (θ1)=n2 αμαρτία (θ 2).
Εδώ οι γωνίες πρόσπτωσης και διάθλασης συμβολίζονται ως θ1 και θ2 αντίστοιχα. Οι ποσότητες n1, n2 αντανακλούν την ταχύτητα του φωτός σε κάθε μέσο. Ονομάζονται δείκτες διάθλασης των μέσων. Όσο μεγαλύτερο το n, τόσο πιο αργά ταξιδεύει το φως σε ένα δεδομένο υλικό. Για παράδειγμα, στο νερό η ταχύτητα του φωτός είναι 25% μικρότερη από ό,τι στον αέρα, επομένως για αυτό ο δείκτης διάθλασης είναι 1,33 (για τον αέρα είναι 1).
Το φαινόμενο της συνολικής εσωτερικής αντανάκλασης
Ο νόμος της διάθλασης του φωτός οδηγεί σε έναένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα όταν η ακτίνα διαδίδεται από ένα μέσο με μεγάλο n. Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα τι θα συμβεί με τη δοκό σε αυτή την περίπτωση. Ας γράψουμε τον τύπο του Snell:
1 αμαρτία (θ1)=n2 αμαρτία (θ 2).
Θα υποθέσουμε ότι n1>n2. Σε αυτήν την περίπτωση, για να παραμείνει αληθής η ισότητα, το θ1 πρέπει να είναι μικρότερο από το θ2. Αυτό το συμπέρασμα ισχύει πάντα, αφού λαμβάνονται υπόψη μόνο γωνίες από 0o έως 90o, εντός των οποίων η ημιτονοειδής συνάρτηση αυξάνεται συνεχώς. Έτσι, όταν αφήνουμε ένα πυκνότερο οπτικό μέσο για ένα λιγότερο πυκνό (n1>n2), η δέσμη αποκλίνει περισσότερο από το κανονικό.
Τώρα ας αυξήσουμε τη γωνία θ1. Ως αποτέλεσμα, θα έρθει η στιγμή που το θ2 θα ισούται με 90o. Συμβαίνει ένα εκπληκτικό φαινόμενο: μια δέσμη που εκπέμπεται από ένα πιο πυκνό μέσο θα παραμείνει σε αυτό, δηλαδή, γι' αυτό η διεπαφή μεταξύ δύο διαφανών υλικών θα γίνει αδιαφανής.
Κρίσιμη γωνία
Η γωνία θ1, για την οποία θ2=90o, ονομάζεται κρίσιμο για το εξεταζόμενο ζεύγος μέσων. Οποιαδήποτε ακτίνα που χτυπά τη διεπαφή σε γωνία μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία ανακλάται πλήρως στο πρώτο μέσο. Για την κρίσιμη γωνία θc μπορεί κανείς να γράψει μια έκφραση που προκύπτει άμεσα από τον τύπο του Snell:
sin (θc)=n2 / n1.
Αντο δεύτερο μέσο είναι ο αέρας, τότε αυτή η ισότητα απλοποιείται στη μορφή:
sin (θc)=1 / n1.
Για παράδειγμα, η κρίσιμη γωνία για το νερό είναι:
θc=τόξο (1 / 1, 33)=48, 75o.
Αν βουτήξετε στον πυθμένα της πισίνας και κοιτάξετε ψηλά, μπορείτε να δείτε τον ουρανό και τα σύννεφα να τρέχουν πάνω της μόνο πάνω από το κεφάλι σας, στην υπόλοιπη επιφάνεια του νερού θα είναι ορατά μόνο τα τοιχώματα της πισίνας.
Από τον παραπάνω συλλογισμό, είναι σαφές ότι, σε αντίθεση με τη διάθλαση, η ολική ανάκλαση δεν είναι αναστρέψιμο φαινόμενο, συμβαίνει μόνο όταν μετακινείται από ένα πυκνότερο σε ένα λιγότερο πυκνό μέσο, αλλά όχι το αντίστροφο.
Ολική αντανάκλαση στη φύση και την τεχνολογία
Ίσως το πιο κοινό αποτέλεσμα στη φύση, που είναι αδύνατο χωρίς πλήρη αντανάκλαση, είναι το ουράνιο τόξο. Τα χρώματα του ουράνιου τόξου είναι το αποτέλεσμα της διασποράς του λευκού φωτός στις σταγόνες της βροχής. Ωστόσο, όταν οι ακτίνες περνούν μέσα σε αυτά τα σταγονίδια, βιώνουν είτε απλή είτε διπλή εσωτερική ανάκλαση. Γι' αυτό το ουράνιο τόξο εμφανίζεται πάντα διπλό.
Το φαινόμενο της εσωτερικής ολικής ανάκλασης χρησιμοποιείται στην τεχνολογία οπτικών ινών. Χάρη στις οπτικές ίνες, είναι δυνατή η μετάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων χωρίς απώλειες σε μεγάλες αποστάσεις.
