Całkowite wewnętrzne odbicie

W optyce promieniem świetlnym nazywamy bardzo wąską wiązkę światła. Każde źródło światła posiada tę własność, że wysyła promienie we wszystkich kierunkach i rozchodzą się one po liniach prostych. Można powiedzieć, że wszelkie zjawiska obserwowane w optyce i prawa, którym podlegają, są konsekwencją tych dwóch własności. Prędkość rozchodzenia się światła w różnych ośrodkach jest różna, ale największa jest w próżni i wynosi 300000 km na sekundę.

Prawo odbicia światła

Każdy z nas wie, że promienie świetlne, padając na jakąś powierzchnię rozgraniczającą dwa ośrodki, ulegają odbiciu (wyjątek stanowi ciało doskonale czarne, które całkowicie pochłania wszelkie promieniowanie, jakie do niego dociera). Powierzchnie odbijające światło nazywamy zwierciadłami. Po odbiciu od zwierciadła promień świetlny biegnie w zupełnie innym kierunku, jednak nie jest on przypadkowy, ale zależny od kąta, pod jakim padł na powierzchnię odbijającą. Kąt padania definiujemy jako kąt między promieniem padającym na powierzchnię a prostą prostopadłą do tej powierzchni (tzw. normalną) wystawioną w punkcie, gdzie pada promień świetlny na zwierciadło. Kąt odbicia światła jest kątem pomiędzy promieniem odbitym od zwierciadła a normalną do powierzchni zwierciadła w miejscu, z którego wychodzi promień odbity (jest to to samo miejsce, w którym promień pada na zwierciadło). Okazuje się, że zawsze kąt odbicia światła jest taki sam, jak padania, czyli kąt odbicia = kątowi padania. Jest to prawo odbicia światła. Ponadto, obydwa te kąty leżą w jednej płaszczyźnie.

Załamanie światła

Okazuje się, że światło padające na powierzchnię rozgraniczającą dwa ośrodki, tylko częściowo się od niej odbija, częściowo zaś przechodzi do drugiego ośrodka (mówimy, że ulega załamaniu). Podobnie, jak przy prawie odbicia światła, również i tutaj kąt, pod jakim załamie się promień świetlny, nie jest dowolny. Zmiany kąta padania światła powodują także zmiany kąta załamania. Jeżeli światło pada prostopadle do powierzchni, czyli kąt padania wynosi zero, zjawisko załamania nie występuje, czyli promień przechodzi do drugiego ośrodka bez zmiany kierunku. Kąt załamania światła definiujemy jako kąt, pomiędzy promieniem załamanym a normalną wystawioną w punkcie załamania światła. Prawo załamania światła mówi, że stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest wielkością stałą dla danych dwóch ośrodków, niezależnie od kąta padania promieni. Stała ta nosi nazwę współczynnika załamania ośrodka drugiego względem pierwszego (n), czyli:

sin(kąta padania) / sin(kąta załamania) = n. Oczywiście, obydwa te kąty leżą w jednej płaszczyźnie.

Przykład

Bardzo dobrą ilustracją załamania światła jest widok łyżeczki włożonej do szklanki z herbatą. Wydaje się, że część łyżeczki, która zanurzona jest w herbacie, nie stanowi całości z fragmentem niezanurzonym. Widać, jakby łyżeczka była przecięta w miejscu styku z powierzchnią herbaty, a obie jej części przesunięto równolegle względem siebie.

Kąty odbicia i załamania dla różnych ośrodków

Obserwując kąty padania i załamania światła dla różnych par ośrodków możemy stwierdzić, że w niektórych przypadkach kąt załamania jest większy od kąta padania, a w innych mniejszy. Zależy to od tego, czy światło przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego, który ma większy współczynnik załamania światła, do optycznie rzadszego (o mniejszym współczynniku załamania), czy na odwrót. Zawsze, kiedy światło przechodzi z ośrodka optycznie rzadszego do gęstszego, kąt załamania jest mniejszy od kąta padania (i odwrotnie).

Całkowite wewnętrzne odbicie

Jako przykład weźmy załamanie promienia świetlnego przy przejściu ze szkła do powietrza. Oczywiście w tym przypadku kąt załamania będzie większy niż padania. Jeśli będziemy zwiększać kąt padania, będzie rósł również kąt załamania (ale zawsze pozostanie większy od padania). Przy pewnej wartości kąta padania (nazywamy go kątem granicznym), promień padający załamie się pod kątem prostym, czyli 90 stopni, można zatem powiedzieć, że „ślizga się” po powierzchni granicznej. Jeśli zwiększymy kąt padania ponad wartość tego kąta granicznego, promień nie ulegnie załamaniu w ogóle, tylko się odbije. Mówimy, że zachodzi całkowite wewnętrzne odbicie światła. Pamiętajmy, że załamanie światła zachodzi tylko dla kątów padania mniejszych od kąta granicznego, dla danych dwóch ośrodków. Więcej na temat zjawisk optycznych i nie tylko, znajdziemy na stronie www.fizyka.uniedu.pl.

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia znalazło szerokie zastosowanie w technice. Między innymi wykorzystuje się je w szkiełkach odblaskowych (w których, otrzymujemy odwrócenie biegu promieni o 180 stopni), peryskopach (zmiana kierunku biegu promieni o 90 stopni) oraz światłowodach, czyli okrągłych przewodach o bardzo małym przekroju, dzięki którym można przesyłać światło na znaczne odległości, praktycznie bez strat energii. Na przykład najdłuższy światłowód na świecie (SEA-ME-WE 3) ma długość 39 tysięcy kilometrów i łączy zachodnią Europę, przez Bliski Wschód, z południowo-wschodnią Azją i Australią.