Tipiski apgaismojuma efekti, ar kuriem ikviens cilvēks bieži saskaras ikdienā, ir atspīdums un refrakcija. Šajā rakstā mēs aplūkosim gadījumu, kad abi efekti izpaužas viena procesa ietvaros, mēs runāsim par iekšējās totālās refleksijas fenomenu.
Gaismas atspulgs
Pirms aplūkot gaismas iekšējās kopējās atstarošanas fenomenu, jums vajadzētu iepazīties ar parastās atstarošanas un laušanas ietekmi. Sāksim ar pirmo. Vienkāršības labad mēs apsvērsim tikai gaismu, lai gan šīs parādības ir raksturīgas jebkura veida vilnim.
Atspoguļošana tiek saprasta kā vienas taisnvirziena trajektorijas maiņa, pa kuru virzās gaismas stars, uz citu taisnvirziena trajektoriju, kad tas savā ceļā sastopas ar šķērsli. Šo efektu var novērot, vēršot lāzera rādītāju uz spoguli. Debesu un koku attēlu izskats, skatoties uz ūdens virsmu, ir arī saules gaismas atstarošanas rezultāts.
Atspoguļošanai ir spēkā šāds likums: leņķikritums un atstarojums atrodas vienā plaknē kopā ar perpendikulāru pret atstarojošo virsmu un ir vienādi viens ar otru.
Gaismas laušana
Laušanas efekts ir līdzīgs atstarojumam, tikai tas notiek, ja šķērslis gaismas stara ceļā ir cita caurspīdīga vide. Šajā gadījumā daļa no sākotnējā stara tiek atspoguļota no virsmas, un daļa pāriet otrajā vidē. Šo pēdējo daļu sauc par lauzto staru, un leņķi, ko tā veido ar perpendikulāru saskarnei, sauc par laušanas leņķi. Lauztais stars atrodas tajā pašā plaknē kā atstarotais un krītošais stars.
Spēcīgi refrakcijas piemēri ir zīmuļa saplūšana ūdens glāzē vai maldinošs ezera dziļums, kad cilvēks skatās uz tā dibenu.
Matemātiski šī parādība ir aprakstīta, izmantojot Snela likumu. Atbilstošā formula izskatās šādi:
1 sin (θ1)=n2 grēks (θ 2).
Šeit krišanas un laušanas leņķi ir attiecīgi apzīmēti kā θ1 un θ2. Lielumi n1, n2 atspoguļo gaismas ātrumu katrā vidē. Tos sauc par mediju refrakcijas rādītājiem. Jo lielāks n, jo lēnāk gaisma pārvietojas noteiktā materiālā. Piemēram, ūdenī gaismas ātrums ir par 25% mazāks nekā gaisā, tāpēc tam refrakcijas koeficients ir 1,33 (gaisam tas ir 1).
Totālas iekšējās refleksijas fenomens
Gaismas laušanas likums noved pie vienainteresants rezultāts, kad stars izplatās no vides ar lielu n. Ļaujiet mums sīkāk apsvērt, kas šajā gadījumā notiks ar staru. Izrakstīsim Snella formulu:
1 sin (θ1)=n2 grēks (θ 2).
Mēs pieņemsim, ka n1>n2. Šajā gadījumā, lai vienādība paliktu patiesa, θ1 ir jābūt mazākam par θ2. Šis secinājums vienmēr ir spēkā, jo tiek ņemti vērā tikai leņķi no 0o līdz 90o, kuru ietvaros sinusa funkcija nepārtraukti pieaug. Tādējādi, atstājot blīvāku optisko vidi mazāk blīvam (n1>n2), stars vairāk novirzās no parastā.
Tagad palielināsim leņķi θ1. Rezultātā pienāks brīdis, kad θ2 būs vienāds ar 90o. Notiek pārsteidzoša parādība: tajā paliks stars, kas izstarots no blīvākas vides, tas ir, tam saskarne starp diviem caurspīdīgiem materiāliem kļūs necaurredzama.
Kritiskais leņķis
Leņķis θ1, kuram θ2=90o, tiek saukts kritisks aplūkotajam mediju pārim. Jebkurš stars, kas saskaras ar saskarni leņķī, kas ir lielāks par kritisko leņķi, tiek pilnībā atspoguļots pirmajā vidē. Kritiskajam leņķim θc var uzrakstīt izteiksmi, kas tieši izriet no Snella formulas:
sin (θc)=n2 / n1.
Jaotrā vide ir gaiss, tad šī vienlīdzība tiek vienkāršota formā:
sin (θc)=1 / n1.
Piemēram, ūdens kritiskais leņķis ir:
θc=arcsin (1/1, 33)=48, 75o.
Ja ienirt baseina dibenā un paskatās uz augšu, debesis un mākoņus, kas skrien pāri, var redzēt tikai virs jūsu galvas, uz pārējās ūdens virsmas būs redzamas tikai baseina sienas.
No iepriekš minētā sprieduma ir skaidrs, ka atšķirībā no refrakcijas pilnīga atstarošana nav atgriezeniska parādība, tā notiek tikai pārejot no blīvāka uz mazāk blīvu vidi, bet ne otrādi.
Pilnīgs atspoguļojums dabā un tehnoloģijās
Iespējams, visizplatītākais efekts dabā, kas nav iespējams bez pilnīgas atspulgas, ir varavīksne. Varavīksnes krāsas ir b altas gaismas izkliedes rezultāts lietus pilēs. Tomēr, kad stari iekļūst šo pilienu iekšpusē, tie piedzīvo vai nu vienu, vai dubultu iekšējo atspīdumu. Tāpēc varavīksne vienmēr parādās dubultā.
Iekšējās kopējās atstarošanas fenomens tiek izmantots optiskās šķiedras tehnoloģijā. Pateicoties optiskajām šķiedrām, ir iespējams bez zudumiem pārraidīt elektromagnētiskos viļņus lielos attālumos.
