Электромагниттік толқындардың әртүрлі орталарда таралуы шағылу және сыну заңдарына бағынады. Осы заңдардан белгілі бір шарттарда физикада жарықтың толық ішкі шағылыуы деп аталатын бір қызықты әсер шығады. Бұл әсердің не екенін егжей-тегжейлі қарастырайық.
Рефлексия және сыну
Жарықтың ішкі толық шағылуын тікелей қарастырмас бұрын, шағылу және сыну процестеріне түсініктеме беру керек.
Рефлексия интерфейспен кездескенде бір ортадағы жарық сәулесінің бағытының өзгеруі деп түсініледі. Мысалы, лазерлік көрсеткіштен жарық сәулесін айнаға бағыттасаңыз, сипатталған әсерді байқауға болады.
Сыну шағылысу сияқты жарық қозғалысы бағытының өзгеруі, бірақ біріншіде емес, екінші ортада. Бұл құбылыстың нәтижесі объектілердің және олардың контурларының бұрмалануы боладыкеңістіктік орналасуы. Қарындаштың немесе қаламның сынуы, егер оны бір стақан суға салғанда сыну жиі кездеседі.
Сыну мен шағылысу бір-бірімен байланысты. Олар әрдайым дерлік бірге болады: сәуленің энергиясының бір бөлігі шағылысады, ал екінші бөлігі сынады.
Екі құбылыс та Ферма принципінің нәтижесі. Оның айтуынша, жарық екі нүкте арасындағы жол бойымен таралады, бұл оған аз уақыт алады.
Шағылысу бір ортада, ал сыну екі ортада болатын әсер болғандықтан, соңғысы үшін екі ортаның да электромагниттік толқындар үшін мөлдір болуы маңызды.
Сыну көрсеткіші түсінігі
Сыну көрсеткіші қарастырылатын құбылыстарды математикалық сипаттау үшін маңызды шама болып табылады. Белгілі бір ортаның сыну көрсеткіші келесідей анықталады:
n=c/v.
Мұндағы c және v сәйкесінше вакуумдегі және заттағы жарық жылдамдығы. v мәні әрқашан c-дан кіші, сондықтан n көрсеткіші бірден үлкен болады. Өлшемсіз коэффициент n заттағы (ортадағы) жарықтың вакуумдегі жарықтан қаншалықты артта қалатынын көрсетеді. Бұл жылдамдықтар арасындағы айырмашылық сыну құбылысының пайда болуына әкеледі.
Материядағы жарық жылдамдығы соңғысының тығыздығына сәйкес келеді. Орта неғұрлым тығыз болса, онда жарықтың қозғалуы соғұрлым қиын болады. Мысалы, ауа үшін n=1,00029, яғни вакуум үшін дерлік, су үшін n=1,333.
Шағылысу, сыну және олардың заңдары
Жарықтың сынуы мен шағылуының негізгі заңдарын былай жазуға болады:
- Егер екі ортаның шекарасына жарық шоғының түсу нүктесіне нормальды қалпына келтірсеңіз, онда бұл норма түскен, шағылған және сынған сәулелермен бірге бір жазықтықта жатады.
- Егер түсу, шағылу және сыну бұрыштарын θ1, θ2 және θ деп белгілесек 3және 1-ші және 2-ші ортаның сыну көрсеткіштері n1 және n2 болса, келесі екі формула келесідей болады жарамды болуы:
- θ1=θ2;
көрсету үшін
- сыну үшін күнә(θ1)n1 =sin(θ3)n2.
Сынудың 2-ші заңының формуласын талдау
Жарықтың ішкі толық шағылысуы қашан болатынын түсіну үшін сыну заңын қарастыру керек, оны Снелл заңы деп те атайды (оны 17 ғасырдың басында ашқан голланд ғалымы). Формуланы қайта жазайық:
sin(θ1)n1 =sin(θ3) n2.
Сәулелік бұрыштың синусының нормальға және осы сәуле таралатын ортаның сыну көрсеткішіне көбейтіндісі тұрақты шама екенін көруге болады. Бұл дегеніміз, егер n1>n2 болса, теңдікті орындау үшін күнә қажет (θ1) )<sin(θ3). Яғни, тығызырақ ортадан тығыздығы азырақ ортаға өткенде (оптикалық дегенді білдіредітығыздығы), сәуле қалыптыдан ауытқиды (0o бұрыштар үшін синус функциясы артады 90o). Мұндай ауысу, мысалы, жарық шоғы су-ауа шекарасын кесіп өткенде орын алады.
Сыну құбылысы қайтымды, яғни азырақ тығыздан тығызыраққа ауысқанда (n1<n2) сәуле қалыптыға жақындайды (sin(θ1)>sin(θ3)).
Ішкі жалпы жарық шағылысы
Енді қызықты бөлікке көшейік. Жарық сәулесі тығызырақ ортадан өткен жағдайды қарастырайық, яғни n1>n2. Бұл жағдайда θ1<θ3. Енді біз θ1 түсу бұрышын біртіндеп арттырамыз. Сыну бұрышы θ3 де артады, бірақ ол θ1 мәнінен үлкен болғандықтан, ол 90 тең болады. o ертерек . θ3=90o физикалық тұрғыдан нені білдіреді? Бұл сәуленің барлық энергиясы, ол интерфейске тиген кезде, оның бойымен таралатынын білдіреді. Басқаша айтқанда, сыну сәулесі болмайды.
θ1 бұдан әрі ұлғайту бүкіл сәуленің бетінен бірінші ортаға қайта шағылуына әкеледі. Бұл жарықтың ішкі толық шағылу құбылысы (сыну мүлдем жоқ).
θ1, θ3=90o деп аталады бұл бұқаралық ақпарат құралдары үшін өте маңызды. Ол келесі формула бойынша есептеледі:
θc =arcsin(n2/n1).
Бұл теңдік сынудың 2-ші заңынан тікелей шығады.
Егер екі мөлдір ортада электромагниттік сәулеленудің таралуының v1және v2 жылдамдықтары белгілі болса, онда критикалық бұрыш келесі формула бойынша есептеледі:
θc =arcsin(v1/v2).
Ішкі толық шағылыстырудың негізгі шарты оның тығыздығы азырақ қоршалған оптикалық тығызырақ ортада ғана болатынын түсіну керек. Сонымен, белгілі бір бұрыштарда теңіз түбінен түсетін жарық су бетінен толығымен шағылысуы мүмкін, бірақ ауадан түсетін кез келген бұрышта сәуле әрқашан су бағанына еніп отырады.
Толық рефлексияның әсері қайда байқалады және қолданылады?
Ішкі толық шағылысу құбылысын қолданудың ең танымал мысалы талшықты оптика болып табылады. Идея мынада: жарық тасығыштардың бетінен 100% шағылысуының арқасында электромагниттік энергияны еркін ұзақ қашықтыққа жоғалтпай жіберуге болады. Оның ішкі бөлігі жасалған талшықты-оптикалық кабельдің жұмыс материалы перифериялық материалға қарағанда жоғары оптикалық тығыздыққа ие. Мұндай композиция түсу бұрыштарының кең ауқымы үшін толық шағылысу әсерін сәтті пайдалану үшін жеткілікті.
Жарқыраған алмаз беттері толық шағылысу нәтижесінің тамаша мысалы болып табылады. Алмаздың сыну көрсеткіші 2,43, сондықтан көптеген жарық сәулелері, асыл тасты соғу, тәжірибеШығу алдында бірнеше толық рефлексия.
Алмас үшін θc критикалық бұрышын анықтау мәселесі
Қарапайым есепті қарастырайық, мұнда берілген формулаларды қалай қолдану керектігін көрсетеміз. Алмазды ауадан суға салғанда, толық шағылудың критикалық бұрышы қаншалықты өзгеретінін есептеу керек.
Кестеде көрсетілген ортаның сыну көрсеткіштерінің мәндерін қарап, біз оларды жазамыз:
- ауа үшін: n1=1, 00029;
- су үшін: n2=1, 333;
- алмаз үшін: n3=2, 43.
Алмас-ауа жұбының сыни бұрышы:
θc1=arcsin(n1/n3)=arcsin(1, 00029/2, 43) ≈ 24, 31o.
Көріп отырғаныңыздай, бұл тасушы жұбының сыни бұрышы өте кішкентай, яғни гауһар тасты ауада қалыптыға 24, 31-ге жақынырақ болатын сәулелер ғана қалдыра алады o.
Судағы гауһар үшін біз мынаны аламыз:
θc2=arcsin(n2/n3)=arcsin(1, 333/2, 43) ≈ 33, 27o.
Критикалық бұрыштың ұлғаюы:
Δθc=θc2- θc1≈ 33, 27 o - 24, 31o=8, 96o.
Гуһар тастағы жарықтың толық шағылысуы үшін критикалық бұрыштың бұл шамалы ұлғаюы оның суда ауадағыдай дерлік жарқырауына әкеледі.
