Tipična svetlobna učinka, s katerimi se vsak človek pogosto sreča v vsakdanjem življenju, sta odsev in lom. V tem članku bomo obravnavali primer, ko se oba učinka manifestirata znotraj istega procesa, govorili bomo o fenomenu notranjega totalnega odseva.
Odsev svetlobe
Preden razmislite o fenomenu notranjega popolnega odboja svetlobe, se morate seznaniti z učinki običajnega odboja in loma. Začnimo s prvim. Zaradi preprostosti bomo upoštevali samo svetlobo, čeprav so ti pojavi značilni za val katere koli narave.
Odsev se razume kot sprememba ene premočrtne poti, po kateri se giblje svetlobni žarek, v drugo premočrtno pot, ko na svoji poti naleti na oviro. Ta učinek je mogoče opaziti, ko laserski kazalec usmerite v ogledalo. Videz podob neba in dreves ob pogledu na vodno gladino je tudi posledica odseva sončne svetlobe.
Za odboj velja naslednji zakon: kotivpad in odboj ležita v isti ravnini skupaj s pravokotnico na odbojno površino in sta med seboj enaka.
lom svetlobe
Učinek loma je podoben odboju, le da se pojavi, če je ovira na poti svetlobnega snopa drug prozoren medij. V tem primeru se del začetnega žarka odbije od površine, del pa preide v drugi medij. Ta zadnji del se imenuje lomljeni žarek, kot, ki ga naredi s pravokotno na vmesnik, pa se imenuje lomni kot. Lomljeni žarek leži v isti ravnini kot odbit in vpadni žarek.
Močni primeri loma so zlom svinčnika v kozarcu vode ali zavajajoča globina jezera, ko človek pogleda navzdol na njegovo dno.
Matematično je ta pojav opisan s Snellovim zakonom. Ustrezna formula izgleda takole:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Tukaj sta vpadna in lomna kota označena kot θ1 oziroma θ2. Količine n1, n2 odražajo hitrost svetlobe v vsakem mediju. Imenujejo se lomni indeksi medijev. Večji kot je n, počasneje potuje svetloba v danem materialu. Na primer, v vodi je svetlobna hitrost 25 % manjša kot v zraku, zato je zanjo lomni količnik 1,33 (za zrak je 1).
Fenomen popolne notranje refleksije
Zakon loma svetlobe vodi do enegazanimiv rezultat, ko se žarek širi iz medija z velikim n. Poglejmo podrobneje, kaj se bo v tem primeru zgodilo z žarkom. Zapišimo Snellovo formulo:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Predpostavili bomo, da je n1>n2. V tem primeru, da enakost ostane resnična, mora biti θ1 manjše od θ2. Ta sklep je vedno veljaven, saj se upoštevajo samo koti od 0o do 90o, znotraj katerih se sinusna funkcija nenehno povečuje. Tako, ko zapustimo gostejši optični medij za manj gostega (n1>n2), žarek bolj odstopa od normale.
Zdaj povečajmo kot θ1. Posledično bo prišel trenutek, ko bo θ2 enako 90o. Pojavi se neverjeten pojav: v njem bo ostal žarek, ki se oddaja iz gostejšega medija, to pomeni, da bo vmesnik med dvema prozornima materialoma postal neprozoren.
Kritični kot
Kot θ1, za katerega se imenuje θ2=90o kritično za obravnavani par medijev. Vsak žarek, ki udari v vmesnik pod kotom, večjim od kritičnega, se popolnoma odbije v prvi medij. Za kritični kot θc lahko napišemo izraz, ki neposredno sledi iz Snellove formule:
sin (θc)=n2 / n1.
Čedrugi medij je zrak, potem je ta enakost poenostavljena na obliko:
sin (θc)=1 / n1.
Na primer, kritični kot za vodo je:
θc=arcsin (1 / 1, 33)=48, 75o.
Če se potopite na dno bazena in pogledate navzgor, lahko vidite nebo in oblake, ki tečejo po njem le nad vašo glavo, na preostali vodni površini bodo vidne le stene bazena.
Iz zgornjega sklepanja je jasno, da za razliko od loma popolni odboj ni reverzibilen pojav, se pojavi le pri prehodu iz gostejšega v manj gosti medij, ne pa obratno.
Popolna refleksija v naravi in tehnologiji
Morda je najpogostejši učinek v naravi, ki je nemogoč brez popolnega odseva, mavrica. Barve mavrice so posledica disperzije bele svetlobe v dežnih kapljicah. Ko pa žarki preidejo v te kapljice, doživijo enojni ali dvojni notranji odboj. Zato je mavrica vedno videti dvojna.
Fenomen notranjega popolnega odboja se uporablja v tehnologiji optičnih vlaken. Zahvaljujoč optičnim vlaknom je mogoče brez izgub prenašati elektromagnetne valove na dolge razdalje.
