Повне внутрішнє відбиття світла: опис, умови і закони

Аналіз формули для 2-го закону заломлення

Щоб зрозуміти, коли буде наступати повне внутрішнє відбиття світла, слід розглянути закон заломлення, який також носить назву закону Снелла (голландський вчений, який його відкрив на початку XVII століття). Запишемо ще раз формулу:

sin(θ1)*n1 = sin(θ3)*n2.

Видно, що добуток синуса кута променя до нормалі на показник заломлення того середовища, в якій цей промінь поширюється, є величиною незмінною. Це означає, що якщо n1>n2, то для виконання рівності необхідно, щоб sin(θ1)

Явище заломлення зворотній, тобто при переході з менш щільною в більш щільну (n1sin(θ3)).

Повне внутрішнє віддзеркалення світла

Тепер перейдемо до найцікавішого. Розглянемо ситуацію, коли світловий пучок переходить з більш щільною середовища, тобто n1>n2. У цьому випадку θ1<θ3. Тепер будемо поступово кут падіння θ1 збільшувати. Кут заломлення θ3 також буде рости, але так як він більше, ніж θ1, то він раніше стане рівним 90o. Що означає θ3 = 90o з фізичної точки зору? Це означає, що вся енергія променя, при попаданні на поверхню розділу, буде поширюватися вздовж неї. Іншими словами, заломлюючого променя не буде існувати.

Подальше збільшення θ1 призведе до того, що весь промінь буде відбиватися від поверхні назад у першу середу. Це і є явище повного внутрішнього відображення світла (заломлення відсутня повністю).

Кут θ1, при якому θ3 = 90o, називається критичним для даної пари середовищ. Обчислюється він за такою формулою:

θc = arcsin(n2/n1).

Ця рівність випливає безпосередньо з 2-го закону заломлення.

Якщо відомі швидкості v1 і v2 розповсюдження електромагнітного випромінювання в обох прозорих середовищах, тоді критичний кут розраховується за такою формулою:

θc = arcsin(v1/v2).

Слід розуміти, що головна умова повного внутрішнього відбиття полягає в тому, що воно існує тільки в оптично більш щільного середовища, оточеній менш щільною. Так, при певних кутах світло, що йде від морського дна, може повністю відбиватися від поверхні води, але при будь-якому куті падіння з повітря промінь завжди буде проникати в товщу води.