Tipični svjetlosni efekti sa kojima se svaka osoba često susreće u svakodnevnom životu su refleksija i refrakcija. U ovom članku ćemo razmotriti slučaj kada se oba efekta ispolje unutar istog procesa, govorićemo o fenomenu unutrašnje totalne refleksije.
Odraz svjetlosti
Pre razmatranja fenomena unutrašnje totalne refleksije svetlosti, trebalo bi da se upoznate sa efektima obične refleksije i refrakcije. Počnimo s prvim. Radi jednostavnosti, razmotrićemo samo svetlost, iako su ove pojave karakteristične za talas bilo koje prirode.
Refleksija se podrazumijeva kao promjena jedne pravolinijske putanje, duž koje se zraka svjetlosti kreće, u drugu pravolinijsku putanju, kada na svom putu naiđe na prepreku. Ovaj efekat se može primetiti kada se laserski pokazivač usmeri na ogledalo. Pojava slika neba i drveća kada se gleda u površinu vode je takođe rezultat refleksije sunčeve svetlosti.
Za refleksiju vrijedi sljedeći zakon: ugloviupad i refleksija leže u istoj ravni zajedno sa okomitom na reflektujuću površinu i jednaki su jedno drugom.
Refrakcija svjetlosti
Efekat refrakcije je sličan refleksiji, samo što se dešava ako je prepreka na putu svetlosnog snopa drugi providni medij. U tom slučaju dio početnog snopa se odbija od površine, a dio prelazi u drugi medij. Ovaj posljednji dio naziva se prelomljeni snop, a ugao koji stvara sa okomitom na međuprostor naziva se ugao prelamanja. Prelomljeni snop leži u istoj ravni kao reflektovani i upadni snop.
Jaki primjeri prelamanja su lom olovke u čaši vode ili varljiva dubina jezera kada osoba pogleda dolje na njegovo dno.
Matematički, ovaj fenomen je opisan korištenjem Snelovog zakona. Odgovarajuća formula izgleda ovako:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Ovdje su uglovi upada i prelamanja označeni kao θ1 i θ2 respektivno. Količine n1, n2 odražavaju brzinu svjetlosti u svakom mediju. Oni se nazivaju indeksi prelamanja medija. Što je n veće, to se svjetlost sporije kreće u datom materijalu. Na primjer, u vodi je brzina svjetlosti 25% manja nego u zraku, pa je za nju indeks prelamanja 1,33 (za zrak je 1).
Fenomen totalne unutrašnje refleksije
Zakon prelamanja svjetlosti vodi do jednogzanimljiv rezultat kada se zraka širi iz sredine sa velikim n. Razmotrimo detaljnije šta će se dogoditi sa gredom u ovom slučaju. Hajde da napišemo Snellovu formulu:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Pretpostavićemo da je n1>n2. U ovom slučaju, da bi jednakost ostala istinita, θ1 mora biti manje od θ2. Ovaj zaključak vrijedi uvijek, jer se razmatraju samo uglovi 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 ugao θ1. Kao rezultat, doći će trenutak kada će θ2 biti jednako 90o. Događa se nevjerovatan fenomen: snop emitiran iz gušćeg medija ostat će u njemu, odnosno za njega će granica između dva prozirna materijala postati neprozirna.
Kritični ugao
Ugao θ1, za koji se θ2=90o, naziva se kritično za razmatrani par medija. Svaki zrak koji udari u interfejs pod uglom većim od kritičnog ugla se potpuno reflektuje u prvi medij. Za kritični ugao θc može se napisati izraz koji direktno 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 ugao 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 vaše glave, na ostatku vodene površine samo će se zidovi bazena vidjeti.
Iz gornjeg rezonovanja, jasno je da, za razliku od refrakcije, potpuna refleksija nije reverzibilna pojava, ona se javlja samo kada se prelazi iz gušćeg u manje gust medij, ali ne i obrnuto.
Totalni odraz u prirodi i tehnologiji
Možda najčešći efekat u prirodi, koji je nemoguć bez potpune refleksije, je duga. Dugine boje su rezultat disperzije bijele svjetlosti u kapima kiše. Međutim, kada zraci prođu unutar ovih kapljica, doživljavaju jednokratnu ili dvostruku unutrašnju refleksiju. Zato se duga uvijek pojavljuje dvostruko.
Fenomen unutrašnje totalne refleksije se koristi u tehnologiji optičkih vlakana. Zahvaljujući optičkim vlaknima, moguće je prenositi elektromagnetne talase bez gubitaka na velike udaljenosti.
