Sự lan truyền của sóng điện từ trong các phương tiện khác nhau tuân theo quy luật phản xạ và khúc xạ. Từ những định luật này, trong những điều kiện nhất định, một hiệu ứng thú vị xảy ra sau đó, mà trong vật lý học gọi là sự phản xạ toàn phần bên trong của ánh sáng. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn hiệu ứng này là gì.
Phản xạ và khúc xạ
Trước khi tiếp tục trực tiếp xem xét sự phản xạ toàn phần bên trong của ánh sáng, cần phải đưa ra lời giải thích về các quá trình phản xạ và khúc xạ.
Phản xạ được hiểu là sự thay đổi hướng của chùm sáng trong cùng một môi trường khi nó gặp mặt phân cách. Ví dụ: nếu bạn hướng chùm ánh sáng từ con trỏ laser vào gương, bạn có thể quan sát thấy hiệu ứng được mô tả.
Khúc xạ, giống như phản xạ, là sự thay đổi hướng chuyển động của ánh sáng, nhưng không phải trong môi trường thứ nhất, mà là trong môi trường thứ hai. Kết quả của hiện tượng này sẽ là sự biến dạng đường viền của các vật thể vàVị trí không gian. Một ví dụ phổ biến về hiện tượng khúc xạ là gãy bút chì hoặc bút nếu người đó được đặt trong cốc nước.
Khúc xạ và phản xạ có liên quan đến nhau. Chúng hầu như luôn hiện diện cùng nhau: một phần năng lượng của chùm tia bị phản xạ, và phần khác bị khúc xạ.
Cả hai hiện tượng đều là kết quả của nguyên lý Fermat. Anh ấy tuyên bố rằng ánh sáng đi dọc theo con đường giữa hai điểm khiến anh ấy mất ít thời gian nhất.
Vì phản xạ là một hiệu ứng xảy ra trong một môi trường và khúc xạ xảy ra trong hai môi trường, điều quan trọng đối với phương tiện sau là cả hai phương tiện đều trong suốt đối với sóng điện từ.
Khái niệm về chiết suất
Chiết suất là một đại lượng quan trọng để mô tả toán học của các hiện tượng đang xét. Chiết suất của một môi trường cụ thể được xác định như sau:
n=c / v.
Trong đó c và v lần lượt là tốc độ ánh sáng trong chân không và vật chất. Giá trị của v luôn nhỏ hơn c nên số mũ n sẽ lớn hơn một. Hệ số không thứ nguyên n cho biết ánh sáng trong một chất (môi trường) sẽ trễ hơn ánh sáng trong chân không bao nhiêu. Sự khác biệt giữa các tốc độ này dẫn đến sự xuất hiện của hiện tượng khúc xạ.
Tốc độ ánh sáng trong vật chất tương quan với mật độ của vật chất. Môi trường càng đặc, ánh sáng càng khó di chuyển trong nó. Ví dụ, đối với không khí n=1.00029, nghĩa là, gần giống như đối với chân không, đối với nước n=1.333.
Phản xạ, khúc xạ và định luật của chúng
Các định luật cơ bản của khúc xạ và phản xạ ánh sáng có thể được viết như sau:
- Nếu bạn khôi phục pháp tuyến đến điểm tia sáng tới ranh giới giữa hai phương tiện truyền thông, thì pháp tuyến này, cùng với tia tới, tia phản xạ và tia khúc xạ, sẽ nằm trong cùng một mặt phẳng.
- Nếu chúng ta chỉ định các góc tới, phản xạ và khúc xạ là θ1, θ2và θ3, và chiết suất của môi trường thứ nhất và thứ hai là n1và n2, thì hai công thức sau sẽ hợp lệ:
- để phản ánh θ1=θ2;
- đối với sin khúc xạ (θ1)n1=sin (θ3)n2.
Phân tích công thức của định luật khúc xạ thứ 2
Để hiểu khi nào xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong của ánh sáng, ta nên xem xét định luật khúc xạ, còn được gọi là định luật Snell (một nhà khoa học người Hà Lan đã phát hiện ra nó vào đầu thế kỷ 17). Hãy viết lại công thức:
sin (θ1)n1=sin (θ3)n2.
Có thể thấy rằng tích sin của góc chùm tia tới pháp tuyến và chiết suất của môi trường truyền chùm tia này là một giá trị không đổi. Điều này có nghĩa là nếu n1>n2, thì để hoàn thành đẳng thức, cần phải có sin (θ1) <sin (θ3). Đó là, khi chuyển từ môi trường dày đặc hơn sang môi trường ít đặc hơn (nghĩa làmật độ), chùm lệch khỏi pháp tuyến (hàm sin tăng đối với các góc từ 0ođến 90o). Ví dụ, một sự chuyển đổi như vậy xảy ra khi một chùm ánh sáng vượt qua ranh giới nước-không khí.
Hiện tượng khúc xạ là có thể đảo ngược, nghĩa là khi chuyển từ một nơi có mật độ kém hơn đến một điểm đặc hơn (n1<n2) chùm tia sẽ tiếp cận pháp tuyến (sin (θ1) >sin (θ3)).
Phản xạ ánh sáng toàn phần bên trong
Bây giờ chúng ta hãy đến với phần thú vị. Hãy xem xét tình huống khi chùm ánh sáng truyền từ một môi trường dày đặc hơn, tức là, n1>n2. Trong trường hợp này, θ1<θ3. Bây giờ chúng ta sẽ tăng dần góc tới θ1. Góc khúc xạ θ3cũng sẽ tăng lên, nhưng vì nó lớn hơn θ1nên nó sẽ bằng 90o sớm hơn. Θ3=90ocó nghĩa là gì theo quan điểm vật lý? Điều này có nghĩa là tất cả năng lượng của chùm tia, khi nó chạm vào mặt phân cách, sẽ truyền dọc theo nó. Nói cách khác, chùm khúc xạ sẽ không tồn tại.
Tăng thêm θ1sẽ khiến toàn bộ chùm tia bị phản xạ từ bề mặt trở lại môi trường đầu tiên. Đây là hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong của ánh sáng (hoàn toàn không có hiện tượng khúc xạ).
Góc θ1, tại đó θ3=90o, được gọi là rất quan trọng đối với cặp phương tiện này. Nó được tính theo công thức sau:
θc=arcsin (n2/ n1).
Đẳng thức này tuân theo trực tiếp định luật khúc xạ thứ 2.
Nếu biết các vận tốc v1và v2về sự lan truyền bức xạ điện từ trong cả hai môi trường trong suốt, thì góc tới hạn là được tính theo công thức sau:
θc=arcsin (v1/ v2).
Cần hiểu rằng điều kiện chính để phản xạ toàn phần bên trong là nó chỉ tồn tại trong môi trường quang học dày đặc hơn được bao quanh bởi môi trường ít đặc hơn. Vì vậy, ở một số góc độ nhất định, ánh sáng từ đáy biển có thể bị phản xạ hoàn toàn khỏi bề mặt nước, nhưng ở bất kỳ góc độ nào từ không khí, chùm tia sẽ luôn xuyên qua cột nước.
Hiệu ứng của phản xạ toàn phần được quan sát và áp dụng ở đâu?
Ví dụ nổi tiếng nhất về việc sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong là sợi quang. Ý tưởng là do sự phản xạ 100% ánh sáng từ bề mặt của phương tiện truyền thông, nó có thể truyền năng lượng điện từ trong khoảng cách xa tùy ý mà không bị suy hao. Vật liệu làm việc của cáp quang, từ đó phần bên trong của nó được tạo ra, có mật độ quang học cao hơn vật liệu ngoại vi. Bố cục như vậy là đủ để sử dụng thành công hiệu ứng phản xạ toàn phần cho nhiều góc tới.
Bề mặt kim cương lấp lánh là một ví dụ điển hình về kết quả của phản xạ toàn phần. Chiết suất của một viên kim cương là 2,43, rất nhiều tia sáng chiếu vào một viên đá quý, hãy trải nghiệmnhiều hình ảnh phản chiếu đầy đủ trước khi thoát ra.
Bài toán xác định góc tới hạn θc đối với kim cương
Hãy xem xét một vấn đề đơn giản, nơi chúng tôi sẽ chỉ ra cách sử dụng các công thức đã cho. Cần phải tính xem góc tới hạn của phản xạ toàn phần sẽ thay đổi bao nhiêu nếu đặt một viên kim cương từ không khí vào nước.
Sau khi xem xét các giá trị chiết suất của phương tiện được chỉ định trong bảng, chúng tôi viết chúng ra:
- cho không khí: n1=1, 00029;
- đối với nước: n2=1, 333;
- đối với kim cương: n3=2, 43.
Góc tới hạn của cặp kim cương-không khí là:
θc1=arcsin (n1/ n3)=arcsin (1 00029/2, 43) ≈ 24, 31o.
Như bạn có thể thấy, góc tới hạn đối với cặp phương tiện này là khá nhỏ, tức là chỉ những tia sáng đó mới có thể để viên kim cương bay vào không khí sẽ gần với bình thường hơn 24, 31o.
Đối với trường hợp của một viên kim cương trong nước, chúng tôi nhận được:
θc2=arcsin (n2/ n3)=arcsin (1, 333/2, 43) ≈ 33, 27o.
Việc tăng góc tới hạn là:
Δθc=θc2- θc1≈ 33, 27o- 24, 31o=8, 96o.
Sự gia tăng nhẹ góc tới hạn đối với sự phản xạ toàn phần của ánh sáng trong một viên kim cương khiến nó tỏa sáng trong nước gần giống như trong không khí.
