Hiệu ứng ánh sáng điển hình mà mọi người thường gặp trong cuộc sống hàng ngày là phản xạ và khúc xạ. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét trường hợp khi cả hai tác động đều biểu hiện trong cùng một quá trình, chúng ta sẽ nói về hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong.
Phản xạ ánh sáng
Trước khi xem xét hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong của ánh sáng, bạn nên làm quen với các tác động của phản xạ và khúc xạ thông thường. Hãy bắt đầu với cái đầu tiên. Để đơn giản, chúng tôi sẽ chỉ xem xét ánh sáng, mặc dù những hiện tượng này là đặc trưng của một làn sóng có bản chất bất kỳ.
Phản xạ được hiểu là sự thay đổi của một quỹ đạo tuyến tính, theo đó một tia sáng chuyển động sang một quỹ đạo tuyến tính khác, khi nó gặp chướng ngại vật trên đường đi. Hiệu ứng này có thể được quan sát khi hướng con trỏ laser vào gương. Hình ảnh bầu trời và cây cối khi nhìn xuống mặt nước cũng là kết quả của sự phản xạ ánh sáng mặt trời.
Luật sau đây có giá trị phản ánh: góctia tới và tia phản xạ nằm trong cùng một mặt phẳng cùng với phương vuông góc với mặt phản xạ và bằng nhau.
Khúc xạ ánh sáng
Hiệu ứng khúc xạ tương tự như phản xạ, chỉ xảy ra nếu vật cản trên đường truyền của chùm sáng là một phương tiện trong suốt khác. Trong trường hợp này, một phần của chùm tia ban đầu bị phản xạ từ bề mặt và một phần truyền vào môi trường thứ hai. Phần cuối cùng này được gọi là chùm khúc xạ, và góc mà nó tạo ra với phương vuông góc với mặt phân cách được gọi là góc khúc xạ. Chùm tia khúc xạ nằm trong cùng mặt phẳng với chùm tia phản xạ và chùm tia tới.
Những ví dụ mạnh mẽ về hiện tượng khúc xạ là gãy bút chì trong cốc nước hoặc độ sâu đánh lừa của hồ khi một người nhìn xuống đáy hồ.
Về mặt toán học, hiện tượng này được mô tả bằng định luật Snell. Công thức tương ứng có dạng như sau:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ2).
Ở đây góc tới và góc khúc xạ lần lượt được ký hiệu là θ1và θ2. Các đại lượng n1, n2phản ánh tốc độ ánh sáng trong mỗi môi trường. Chúng được gọi là chiết suất của phương tiện truyền thông. N càng lớn thì ánh sáng truyền đi trong một vật chất nhất định càng chậm. Ví dụ, trong nước, tốc độ ánh sáng nhỏ hơn 25% so với trong không khí, vì vậy chiết suất đối với nó là 1,33 (đối với không khí là 1).
Hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong
Định luật khúc xạ ánh sáng dẫn đến mộtmột kết quả thú vị khi tia truyền từ môi trường có n lớn. Chúng ta hãy xem xét chi tiết hơn điều gì sẽ xảy ra với chùm tia trong trường hợp này. Hãy viết ra công thức của Snell:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ2).
Chúng ta sẽ giả sử rằng n1>n2. Trong trường hợp này, để đẳng thức vẫn đúng, θ1phải nhỏ hơn θ2. Kết luận này luôn có giá trị vì chỉ xét các góc từ 0ođến 90o, trong đó hàm sin liên tục tăng. Do đó, khi để môi trường quang học dày đặc hơn cho môi trường quang học ít đặc hơn (n1>n2), chùm tia sẽ lệch nhiều hơn so với bình thường.
Bây giờ chúng ta hãy tăng góc θ1. Kết quả là, thời điểm sẽ đến khi θ2sẽ bằng 90o. Một hiện tượng đáng kinh ngạc xảy ra: một chùm tia phát ra từ một môi trường đậm đặc hơn sẽ vẫn ở trong đó, nghĩa là mặt phân cách giữa hai vật liệu trong suốt sẽ trở nên mờ đục.
Góc tới hạn
Góc θ1, mà θ2=90o, được gọi là quan trọng đối với cặp phương tiện được xem xét. Bất kỳ tia nào đập vào mặt phân cách ở một góc lớn hơn góc tới hạn sẽ bị phản xạ hoàn toàn vào môi trường thứ nhất. Đối với góc tới hạn θcngười ta có thể viết một biểu thức theo sau trực tiếp từ công thức của Snell:
sin (θc)=n2/ n1.
Nếumôi trường thứ hai là không khí, sau đó đẳng thức này được đơn giản hóa thành dạng:
sin (θc)=1 / n1.
Ví dụ, góc tới hạn của nước là:
θc=arcsin (1/1, 33)=48, 75o.
Nếu bạn lặn xuống đáy bể và nhìn lên, bạn có thể nhìn thấy bầu trời và những đám mây chạy ngang qua nó ngay trên đầu bạn, phần còn lại của mặt nước chỉ có thể nhìn thấy các bức tường của bể bơi.
Từ suy luận trên, rõ ràng rằng, không giống như hiện tượng khúc xạ, phản xạ toàn phần không phải là một hiện tượng thuận nghịch, nó chỉ xảy ra khi chuyển từ môi trường đặc hơn sang môi trường ít đặc hơn, chứ không phải ngược lại.
Sự phản ánh toàn diện trong tự nhiên và công nghệ
Có lẽ hiệu ứng phổ biến nhất trong tự nhiên, không thể xảy ra nếu không có phản xạ toàn phần, là cầu vồng. Màu sắc của cầu vồng là kết quả của sự phân tán ánh sáng trắng trong các giọt mưa. Tuy nhiên, khi các tia đi qua bên trong những giọt này, chúng gặp phản xạ bên trong đơn hoặc kép. Đó là lý do tại sao cầu vồng luôn xuất hiện kép.
Hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong được sử dụng trong công nghệ cáp quang. Nhờ các sợi quang học, có thể truyền sóng điện từ mà không bị suy hao trong khoảng cách xa.
