Повна внутрішня відбиття: Кут, де світло перестає виходити

Закон Снеллиуса и угол, при котором происходит преломление

Когда свет пересекает границу раздела двух прозрачных сред, закон Снеллиуса связывает углы с обеих сторон с двумя показателями преломления: n1·sin(θ1) = n2·sin(θ2). Переходя из более плотной среды (более n1, например, стекла или воды) в менее плотную (менее n2, например, воздух), луч преломления отклоняется от нормали, поэтому θ2 всегда больше θ1. По мере увеличения θ1, θ2 растет еще быстрее, и при определенном угле наклонения θ2 достигает ровно 90 градусов — луч преломления скользит вдоль границы раздела. Если сместить θ1 за эту точку, то не существует реального решения для θ2: свет не может преломляться, и весь он отражается обратно в более плотную среду. Этот порог называется критическим углом.

sin(theta_c) = n2 / n1     // n1 > n2, light going from dense to less-dense medium
theta_c = glass-to-air (n=1.5)   ~= 41.8 deg
theta_c = water-to-air (n=1.33)  ~= 48.6 deg
theta_c = diamond-to-air (n=2.42) ~= 24.4 deg

Загалом, а не частково — і це вся суть

Нижче критичної межі завжди існує межа між двома прозорими середовищами, яка виконує обидва завдання: частина світла відхиляється через рефракцію, а інша частина відбивається, у пропорціях, які визначаються рівняннями Френеля, що залежать від поляризації та кута. Що робить повну внутрішню відбиття (ПВ) особливим, так це те, що за межею критичної межі відбиття не є просто домінуючим — воно точно 100%, з нульовим трансляційним коефіцієнтом, за умови, що друге середовище справді без втрат і непрозоре. Ця ідеальна ефективність, без необхідності враховувати часткове витікання, робить ПВ корисним інструментом для інженерії, а не просто оптичним дива

Це означає, що світло, яке падає на межу між двома середовищами під певним кутом, відбивається назад у першому середовищі, а не проходить крізь нього. Це явище називається внутрішнім відбитком. Існує певний кут, відомий як критичний кут, при якому відбувається повне внутрішнє відбиття.

Розпад радіоактивних речовин

Навіть за нормального кута падіння світла на інтерфейс скла-повітря відбивається невелика частка – приблизно 4% для звичайного скла, згідно з формулою Френеля R = ((n1−n2)/(n1+n2))² при 0 градусах. Зі збільшенням кута падіння до критичного кута відбиття для обох поляризаційних компонентів розходяться і потім обидві криві різко піднімаються та зливаються в точно 100% прямо біля θ_c, де вони залишаються для всіх кутів за межами цього. Цей поступовий наближення, слідом за раптовим блокуванням до повного відбиття, є тим, що ви можете простежити у симуляції на цій сторінці.

Радіоактивний розпад

Оптичний волокно – це тонлий скляний або пластиковий ядро, оточене оболонкою з трохи нижчою показною відністю. Вхідне світло під кутом достатньої глибини зустрічається з межею ядра-оболонки, що призводить до ідеального відображення та повернення по довжині волокна на кілометри без значної втрати через стінки – залишене ослаблення справдігного волокна виникає від поглинання та розсіювання у склі, а не від несправжнього відображення. Цей трюк, повне внутрішнє відображення, що направляє світло вздовж зігнутого шляху замість лазера, який потребує прямої лінії видимості, лежить в основі всієї мережі Інтернет, ендоскопів і декоративних волоконних ламп.

Розклинання радіоактивності

Діамант має надзвичайно високий показник заломлення (приблизно 2,42), що відповідно до формули sin(θc) = n2/n1 дає невеликий критичний кут приблизно 24 градуси. Вирущальники діамантів навмисно використовують цю властивість: грановання діаманта має нахил так, щоб світло, що потрапляє зверху, зустрічало задні грані занадто далеко від критичного кута, відбивалося всередину багато разів і виходило згори, а не спускалося знизу чи з боків — утримуючи та спрямовуючи світло в блиск і вогняність, для яких відомий цей виріз. Якщо вирізати грані діаманта під неправильним кутом, світло витікає назад, роблячи камінь тупим незалежно від того, наскільки добре його полірують.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Total Internal Reflection і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.