تأثيرات الإضاءة النموذجية التي يواجهها كل شخص غالبًا في الحياة اليومية هي الانعكاس والانكسار. في هذه المقالة ، سننظر في الحالة التي يظهر فيها كلا التأثيرين في نفس العملية ، وسنتحدث عن ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي.
انعكاس الضوء
قبل التفكير في ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي للضوء ، يجب أن تتعرف على تأثيرات الانعكاس والانكسار العادي. لنبدأ بالأول. من أجل التبسيط ، سننظر فقط في الضوء ، على الرغم من أن هذه الظواهر هي سمة لموجة من أي طبيعة.
يُفهم الانعكاس على أنه تغيير في مسار مستقيم واحد ، يتحرك على طوله شعاع من الضوء ، إلى مسار مستقيم آخر ، عندما يواجه عقبة في طريقه. يمكن ملاحظة هذا التأثير عند توجيه مؤشر ليزر إلى مرآة. كما أن ظهور صور السماء والأشجار عند النظر إلى سطح الماء هو نتيجة انعكاس ضوء الشمس.
القانون التالي صالح للانعكاس: الزوايايقع الوقوع والانعكاس في نفس المستوى جنبًا إلى جنب مع السطح العمودي على السطح العاكس ويتساوى كل منهما مع الآخر.
انكسار الضوء
تأثير الانكسار مشابه للانعكاس ، يحدث فقط إذا كان العائق في مسار شعاع الضوء هو وسيط شفاف آخر. في هذه الحالة ، ينعكس جزء من الحزمة الأولية على السطح ، ويمر جزء منها في الوسيط الثاني. يسمى هذا الجزء الأخير الشعاع المنكسر ، وتسمى الزاوية التي يصنعها مع العمود العمودي للواجهة بزاوية الانكسار. تقع الحزمة المنكسرة في نفس مستوى الحزمة المنعكسة والواقعة.
أمثلة قوية على الانكسار هي كسر قلم رصاص في كوب من الماء أو العمق المخادع لبحيرة عندما ينظر الشخص إلى قاعها.
رياضيا ، هذه الظاهرة موصوفة باستخدام قانون سنيل. تبدو الصيغة المقابلة كما يلي:
1 الخطيئة (θ1)=n2 الخطيئة (θ2).
هنا زاويتا السقوط والانكسار يرمز لهما θ1و θ2على التوالي. تعكس الكميات n1 ، n2سرعة الضوء في كل وسط. يطلق عليهم مؤشرات الانكسار للوسائط. كلما كانت n أكبر ، كلما كان انتقال الضوء أبطأ في مادة معينة. على سبيل المثال ، في الماء تكون سرعة الضوء 25٪ أقل من سرعة الهواء ، لذا فإن معامل الانكسار بالنسبة لها هو 1.33 (للهواء 1).
ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي
قانون انكسار الضوء يؤدي إلى واحدنتيجة مثيرة للاهتمام عندما ينتشر الشعاع من وسط كبير n. دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في ما سيحدث للحزمة في هذه الحالة. لنكتب صيغة سنيل:
1 الخطيئة (θ1)=n2 الخطيئة (θ2).
سنفترض أن n1>n2. في هذه الحالة ، لكي تظل المساواة صحيحة ، يجب أن تكون θ1أقل من θ2. هذا الاستنتاج صالح دائمًا ، حيث يتم النظر فقط في الزوايا من 0oإلى 90o، والتي تتزايد فيها وظيفة الجيب باستمرار. وبالتالي ، عند ترك وسيط بصري أكثر كثافة لواحد أقل كثافة (n1>n2) ، ينحرف الشعاع أكثر عن العادي.
الآن دعونا نزيد الزاوية θ1. نتيجة لذلك ، ستأتي اللحظة عندما يكون θ2مساويًا لـ 90o. تحدث ظاهرة مذهلة: شعاع منبعث من وسط أكثر كثافة سيبقى فيه ، أي لأن الواجهة بين مادتين شفافتين ستصبح غير شفافة.
زاوية حرجة
الزاوية θ1، والتي تسمى θ2=90oحاسمة بالنسبة لزوج من الوسائط. أي شعاع يصطدم بالواجهة بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة ينعكس تمامًا في الوسط الأول. للزاوية الحرجة θcيمكن للمرء كتابة تعبير يتبع مباشرة صيغة سنيل:
الخطيئة (θc)=n2/ n1.
إذاالوسيط الثاني هو الهواء ، فهذه المساواة مبسطة على الشكل:
الخطيئة (θc)=1 / n1.
على سبيل المثال ، الزاوية الحرجة للماء هي:
θc=arcsin (1/1، 33)=48، 75o.
إذا كنت تغوص في قاع البركة وتنظر لأعلى ، يمكنك أن ترى السماء والغيوم تجري عبرها فقط فوق رأسك ، وعلى بقية سطح الماء ستكون جدران المسبح فقط مرئية
من المنطق أعلاه ، من الواضح أنه على عكس الانكسار ، فإن الانعكاس الكلي ليس ظاهرة قابلة للعكس ، فهو يحدث فقط عند الانتقال من وسط أكثر كثافة إلى وسط أقل كثافة ، ولكن ليس العكس.
انعكاس كلي في الطبيعة والتكنولوجيا
ربما يكون التأثير الأكثر شيوعًا في الطبيعة ، والذي يكون مستحيلًا بدون انعكاس كامل ، هو قوس قزح. ألوان قوس قزح هي نتيجة تشتت الضوء الأبيض في قطرات المطر. ومع ذلك ، عندما تمر الأشعة داخل هذه القطرات ، فإنها تتعرض إما لانعكاس داخلي فردي أو مزدوج. هذا هو السبب في أن قوس قزح يظهر دائمًا مزدوجًا.
تُستخدم ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي في تقنية الألياف البصرية. بفضل الألياف الضوئية ، من الممكن نقل الموجات الكهرومغناطيسية دون خسارة لمسافات طويلة.
