Tyypillisiä valotehosteita, joita jokainen ihminen kohtaa usein jokapäiväisessä elämässä, ovat heijastus ja taittuminen. Tässä artikkelissa tarkastellaan tapausta, jossa molemmat vaikutukset ilmenevät samassa prosessissa, puhumme sisäisen kokonaisheijastuksen ilmiöstä.
Valon heijastus
Ennen kuin harkitset valon sisäisen kokonaisheijastuksen ilmiötä, sinun tulee tutustua tavallisen heijastuksen ja taittumisen vaikutuksiin. Aloitetaan ensimmäisestä. Yksinkertaisuuden vuoksi tarkastelemme vain valoa, vaikka nämä ilmiöt ovat luonteenomaisia minkä tahansa luonteen aallolle.
Heijastus ymmärretään yhden suoraviivaisen liikeradan muutoksena, jota pitkin valonsäde liikkuu, toiselle suoraviivaiselle liikeradalle, kun se kohtaa matkallaan esteen. Tämä vaikutus voidaan havaita osoittamalla laserosoitin peiliin. Taivaan ja puiden kuvien esiintyminen veden pintaa katsottaessa on myös seurausta auringonvalon heijastuksesta.
Seuraava laki pätee heijastukseen: kulmattulo ja heijastus ovat samassa tasossa heijastuspinnan kanssa kohtisuorassa ja ovat keskenään yhtä suuret.
Valon taittuminen
Taittumisen vaikutus on samanlainen kuin heijastus, vain se tapahtuu, jos valonsäteen tiellä oleva este on toinen läpinäkyvä väliaine. Tässä tapauksessa osa alkuperäisestä säteestä heijastuu pinn alta ja osa siirtyy toiseen väliaineeseen. Tätä viimeistä osaa kutsutaan taittuneeksi säteeksi, ja kulmaa, jonka se muodostaa kohtisuorassa rajapinnan kanssa, kutsutaan taitekulmaksi. Taittunut säde on samassa tasossa heijastuneen ja tulevan säteen kanssa.
Vahvia esimerkkejä taittumisesta ovat lyijykynän katkeaminen vesilasiin tai järven petollinen syvyys, kun ihminen katsoo alas sen pohjaan.
Matemaattisesti tätä ilmiötä kuvataan Snellin lain avulla. Vastaava kaava näyttää tältä:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ) 2).
Tässä tulo- ja taitekulmat on merkitty θ1 ja θ2, vastaavasti. Suuret n1, n2 heijastavat valon nopeutta kussakin väliaineessa. Niitä kutsutaan median taitekertoimiksi. Mitä suurempi n, sitä hitaammin valo kulkee tietyssä materiaalissa. Esimerkiksi vedessä valon nopeus on 25 % pienempi kuin ilmassa, joten sen taitekerroin on 1,33 (ilmalla 1).
Sisäisen kokonaisheijastuksen ilmiö
Valon taittumislaki johtaa yhteenmielenkiintoinen tulos, kun säde etenee väliaineesta, jolla on suuri n. Tarkastellaanpa yksityiskohtaisemmin, mitä palkille tapahtuu tässä tapauksessa. Kirjoitetaan Snellin kaava:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ) 2).
Oletetaan, että n1>n2. Tässä tapauksessa, jotta yhtäläisyys pysyisi tosi, θ1 on oltava pienempi kuin θ2. Tämä johtopäätös on aina pätevä, koska huomioidaan vain kulmat 0o - 90o, joiden sisällä sinifunktio kasvaa jatkuvasti. Siten, kun jätetään tiheämpi optinen väliaine vähemmän tiheälle (n1>n2), säde poikkeaa enemmän normaalista.
Lisää nyt kulmaa θ1. Tämän seurauksena tulee hetki, jolloin θ2 on yhtä suuri kuin 90o. Tapahtuu hämmästyttävä ilmiö: tiheämästä väliaineesta lähtevä säde jää siihen, eli sille kahden läpinäkyvän materiaalin välinen rajapinta muuttuu läpinäkymättömäksi.
Kriittinen kulma
Kulmaa θ1, jolle θ2=90o, kutsutaan kriittinen mediaparille. Jokainen säde, joka osuu rajapintaan kriittistä kulmaa suuremmassa kulmassa, heijastuu kokonaan ensimmäiseen väliaineeseen. Kriittiselle kulmille θc voidaan kirjoittaa lauseke, joka seuraa suoraan Snellin kaavasta:
sin (θc)=n2 / n1.
Jostoinen väliaine on ilma, niin tämä yhtälö yksinkertaistetaan muotoon:
sin (θc)=1 / n1.
Esimerkiksi veden kriittinen kulma on:
θc=arcsin (1/1, 33)=48, 75o.
Jos sukeltat altaan pohjalle ja katsot ylös, näet taivaan ja sen yli kulkevat pilvet vain oman pään yläpuolella, muualla veden pinnalla vain altaan seinät näkyvät.
Yllä olevasta päättelystä on selvää, että toisin kuin taittuminen, kokonaisheijastus ei ole palautuva ilmiö, se tapahtuu vain siirryttäessä tiheämmästä väliaineesta vähemmän tiheään, mutta ei päinvastoin.
Täydellinen heijastus luonnossa ja tekniikassa
Ehkä yleisin luonnonilmiö, joka on mahdotonta ilman täydellistä heijastusta, on sateenkaari. Sateenkaaren värit ovat seurausta valkoisen valon hajoamisesta sadepisaroissa. Kuitenkin, kun säteet kulkevat näiden pisaroiden sisällä, ne kokevat joko yhden tai kaksinkertaisen sisäisen heijastuksen. Siksi sateenkaari näyttää aina kaksinkertaiselta.
Sisäisen kokonaisheijastuksen ilmiötä käytetään valokuitutekniikassa. Optisten kuitujen ansiosta on mahdollista siirtää sähkömagneettisia a altoja ilman häviötä pitkiä matkoja.
