Tipični svjetlosni efekti s kojima se svaka osoba često susreće u svakodnevnom životu su refleksija i lom. U ovom članku ćemo razmotriti slučaj kada se oba učinka manifestiraju unutar istog procesa, govorit ćemo o fenomenu unutarnje totalne refleksije.
Odraz svjetlosti
Prije razmatranja fenomena unutarnje totalne refleksije svjetlosti, trebali biste se upoznati s učincima obične refleksije i loma. Počnimo s prvim. Radi jednostavnosti, razmotrit ćemo samo svjetlost, iako su ove pojave karakteristične za val bilo koje prirode.
Odraz se shvaća kao promjena jedne pravocrtne putanje, duž koje se zraka svjetlosti kreće, u drugu pravocrtnu putanju, kada na svom putu naiđe na prepreku. Ovaj efekt se može primijetiti kada se laserski pokazivač usmjeri prema zrcalu. Pojava slika neba i drveća pri pogledu na površinu vode također je rezultat refleksije sunčeve svjetlosti.
Za refleksiju vrijedi sljedeći zakon: kutoviupad i refleksija leže u istoj ravnini zajedno s okomitom na reflektirajuću površinu i jednaki su jedno drugom.
Refrakcija svjetlosti
Efekt loma sličan je refleksiji, samo što se javlja ako je prepreka na putu svjetlosnog snopa drugi prozirni medij. U tom se slučaju dio početne zrake reflektira od površine, a dio prelazi u drugi medij. Ovaj zadnji dio naziva se lomljena zraka, a kut koji stvara s okomicom na sučelje naziva se kut loma. Prelomljena zraka leži u istoj ravnini kao reflektirana i upadna zraka.
Jaki primjeri loma su lom olovke u čaši vode ili varljiva dubina jezera kada osoba pogleda dolje na njegovo dno.
Matematički, ovaj fenomen je opisan korištenjem Snellovog zakona. Odgovarajuća formula izgleda ovako:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Ovdje su kutovi upada i loma označeni kao θ1 i θ2. Količine n1, n2 odražavaju brzinu svjetlosti u svakom mediju. Nazivaju se indeksi loma medija. Što je n veći, to je svjetlost sporije putuje u danom materijalu. Na primjer, u vodi je brzina svjetlosti 25% manja nego u zraku, pa je za nju indeks loma 1,33 (za zrak je 1).
Fenomen totalne unutarnje refleksije
Zakon loma svjetlosti vodi do jednogzanimljiv rezultat kada se zraka širi iz medija s velikim n. Razmotrimo detaljnije što će se dogoditi sa gredom u ovom slučaju. Napišimo Snellovu formulu:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Pretpostavit ćemo da je n1>n2. U ovom slučaju, da bi jednakost ostala istinita, θ1 mora biti manje od θ2. Ovaj zaključak vrijedi uvijek, budući da se razmatraju samo kutovi od 0o do 90o unutar kojih se sinusna funkcija stalno povećava. Dakle, kada se ostavi gušći optički medij za manje gust (n1>n2), snop više odstupa od normale.
Sada povećajmo kut θ1. Kao rezultat toga, doći će trenutak kada će θ2 biti jednako 90o. Događa se nevjerojatan fenomen: snop emitiran iz gušćeg medija ostat će u njemu, odnosno za njega će sučelje između dva prozirna materijala postati neprozirno.
Kritični kut
Ugao θ1, za koji se θ2=90o, naziva se kritično za razmatrani par medija. Svaka zraka koja udari u sučelje pod kutom većim od kritičnog u potpunosti se reflektira u prvi medij. Za kritični kut θc može se napisati izraz koji izravno slijedi iz Snellove formule:
sin (θc)=n2 / n1.
Akodrugi medij je zrak, tada se ova jednakost pojednostavljuje na oblik:
sin (θc)=1 / n1.
Na primjer, kritični kut za vodu je:
θc=arcsin (1 / 1, 33)=48, 75o.
Ako zaronite na dno bazena i pogledate gore, možete vidjeti nebo i oblake koji prolaze po njemu samo iznad vlastite glave, na ostatku vodene površine bit će vidljivi samo zidovi bazena.
Iz gornjeg obrazloženja jasno je da, za razliku od refrakcije, potpuna refleksija nije reverzibilna pojava, ona se javlja samo pri prelasku iz gušćeg u manje gustoće medija, ali ne i obrnuto.
Totalni odraz u prirodi i tehnologiji
Možda najčešći učinak u prirodi, koji je nemoguć bez potpune refleksije, je duga. Dugine boje su rezultat raspršivanja bijele svjetlosti u kišnim kapima. Međutim, kada zrake prolaze unutar ovih kapljica, one doživljavaju jednostruku ili dvostruku unutarnju refleksiju. Zato se duga uvijek pojavljuje dvostruko.
Fenomen interne totalne refleksije koristi se u tehnologiji optičkih vlakana. Zahvaljujući optičkim vlaknima, moguće je prenijeti elektromagnetske valove bez gubitaka na velike udaljenosti.
