Типовими світловими ефектами, з якими кожна людина стикається часто в побуті, є відбиття і заломлення. У цій статті розглянемо випадок, коли обидва ефекту проявляють себе в рамках одного процесу, мова піде про явище повного внутрішнього відбиття.
Відображення світла
Перед тим як розглядати явище повного внутрішнього відображення світла, слід познайомитися з ефектами звичайного відображення і заломлення. Почнемо з першого з них. Для простоти будемо розглядати тільки світло, хоча ці явища характерні для хвилі будь-якої природи.
Під відображенням розуміють зміну однієї прямолінійної траєкторії, вздовж якої рухається промінь світла, на іншу прямолінійну траєкторію, коли він зустрічає на своєму шляху перешкоду. Цей ефект можна спостерігати, якщо направити лазерну указку на дзеркало. Поява зображень неба і дерев при погляді на водну поверхню – це теж результат відображення сонячного світла.
Для відображення справедливий наступний закон: кути падіння і відбиття лежать в одній площині разом з перпендикуляром до відбиваючої поверхні і є рівними один одному.
Заломлення світла
Ефект заломлення подібний відображенню, тільки він виникає, якщо перешкода на шляху світлового променя являє собою іншу прозору середу. У цьому разі частина початкового променя відбивається від поверхні, а частина проходить в другу середу. Ця остання частина називається заломленим променем, а кут, який він утворює з перпендикуляром до поверхні розділу середовищ, носить назву кута заломлення. Переломлений промінь лежить в тій же площині, що відбитий і падає.
Яскравими прикладами заломлення можна назвати злам олівця в склянці з водою або оманлива глибина озера, коли людина дивиться згори на його дно.
Математично це явище описують за допомогою закону Снелла. Відповідна формула виглядає так:
n1 * sin (θ1) = n2 * sin (θ2).
Тут кути падіння і заломлення позначені як θ1 і θ2 відповідно. Величини n1, n2 відображають швидкість руху світла в кожній середовищі. Вони називаються показниками заломлення середовищ. Чим більше n, тим повільніше рухається світ у даному матеріалі. Приміром, у воді швидкість світла на 25% менше, ніж в повітрі, тому для нього показник заломлення дорівнює 1,33 (для повітря він дорівнює 1).
Явище повного внутрішнього відбиття
Закон заломлення світла призводить до одного цікавого результату, коли промінь поширюється із середовища з великою n. Розглянемо докладніше, що при цьому буде відбуватися з променем. Випишемо формулу Снелла:
n1 * sin (θ1) = n2* sin (θ2).
Будемо вважати, що n1>n2. В такому випадку, щоб рівність залишалося вірним, θ1 повинен бути менше, ніж θ2. Цей висновок справедливий завжди, оскільки розглядаються тільки кути від 0o до 90o, в межах яких функція синуса постійно зростає. Таким чином, при виході з більш щільної оптичного середовища в менш щільну (n1>n2) промінь сильніше відхиляється від нормалі.
Тепер будемо збільшувати кут θ1. В результаті настане момент, коли θ2 буде дорівнює 90o. Виникає дивне явище: випущений з більш щільною середовища промінь в ній і залишиться, тобто для нього межа розділу двох прозорих матеріалів стане непрозорою.
Критичний кут
Кут θ1, для якого θ2 = 90o, прийнято називати критичним для розглянутої пари середовищ. Будь-який промінь, падаючий на поверхню розділу під кутом, більшим ніж критичний, відображається повністю в першу середу. Для критичного кута θc можна записати вираз, яке безпосередньо випливає з формули Снелла:
sin (θc) = n2 / n1.
Якщо другий середовищем є повітря, то це рівність спрощується до вигляду:
sin (θc) = 1 / n1.
Наприклад, критичний кут для води становить:
θc = arcsin (1 / 1,33) = 48,75 o.
Якщо пірнути на дно басейну і подивитися вгору, то можна побачити небо і біжать по ньому хмари тільки над власною головою, на решті поверхні води будуть видні лише стінки басейну.
З наведених міркувань ясно, що, на відміну від заломлення, повне відображення не є оборотним явищем, воно відбувається лише при переході з більш щільною в менш щільну середу, але не навпаки.
Повне відображення в природі і техніці
Мабуть, найпоширенішим в природі ефектом, який неможливий без повного відображення, є веселка. Кольори веселки – це результат дисперсії білого світла в дощових краплях. Однак коли промені проходять всередині цих крапель, то вони відчувають або одноразове або дворазове внутрішнє відбиття. Саме тому веселка завжди з’являється подвійний.
Явище повного внутрішнього відбиття застосовують у оптоволоконної техніки. Завдяки оптичним волокнам вдається передавати без втрат електромагнітні хвилі на великі відстані.
