Typické světelné efekty, se kterými se každý člověk často setkává v každodenním životě, jsou odraz a lom. V tomto článku se budeme zabývat případem, kdy se oba efekty projeví v rámci stejného procesu, budeme hovořit o fenoménu vnitřní totální reflexe.
Odraz světla
Před zvážením fenoménu vnitřního úplného odrazu světla byste se měli seznámit s účinky běžného odrazu a lomu. Začněme tím prvním. Pro jednoduchost budeme uvažovat pouze světlo, ačkoli tyto jevy jsou charakteristické pro vlnu jakékoli povahy.
Odraz je chápán jako změna jedné přímočaré trajektorie, po které se paprsek světla pohybuje, na jinou přímočarou trajektorii, když na své cestě narazí na překážku. Tento efekt lze pozorovat při namíření laserového ukazovátka na zrcadlo. Vzhled obrázků oblohy a stromů při pohledu na vodní hladinu je také výsledkem odrazu slunečního světla.
Pro odraz platí následující zákon: úhlydopad a odraz leží ve stejné rovině spolu s kolmicí k odraznému povrchu a jsou si navzájem rovny.
Lom světla
Účinek lomu je podobný odrazu, pouze k němu dochází, pokud je překážkou v dráze světelného paprsku jiné průhledné médium. V tomto případě se část počátečního paprsku odráží od povrchu a část prochází do druhého média. Tato poslední část se nazývá lomený paprsek a úhel, který svírá s kolmicí k rozhraní, se nazývá úhel lomu. Lomený paprsek leží ve stejné rovině jako odražený a dopadající paprsek.
Silnými příklady lomu světla jsou prasknutí tužky ve sklenici vody nebo klamná hloubka jezera, když se člověk podívá na jeho dno.
Matematicky je tento jev popsán pomocí Snellova zákona. Odpovídající vzorec vypadá takto:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Zde jsou úhly dopadu a lomu označeny jako θ1 a θ2. Množství n1, n2 odrážejí rychlost světla v každém médiu. Říká se jim indexy lomu médií. Čím větší n, tím pomaleji se světlo šíří v daném materiálu. Například ve vodě je rychlost světla o 25 % nižší než ve vzduchu, takže pro ni je index lomu 1,33 (pro vzduch je to 1).
Fenomén úplné vnitřní reflexe
Zákon lomu světla vede k jednomuzajímavý výsledek, když se paprsek šíří z prostředí s velkým n. Zvažme podrobněji, co se v tomto případě stane s paprskem. Pojďme si napsat Snellův vzorec:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Budeme předpokládat, že n1>n2. V tomto případě, aby rovnost zůstala pravdivá, musí být θ1 menší než θ2. Tento závěr je vždy platný, protože jsou uvažovány pouze úhly od 0o do 90o, ve kterých funkce sinus neustále roste. Když tedy ponecháte hustší optické médium pro méně husté (n1>n2), paprsek se více odchyluje od normálu.
Nyní zvětšíme úhel θ1. V důsledku toho nastane okamžik, kdy θ2 bude rovno 90o. Dochází k úžasnému jevu: paprsek emitovaný z hustšího média v něm zůstane, to znamená, že se rozhraní mezi dvěma průhlednými materiály stane neprůhledným.
Kritický úhel
Úhel θ1, pro který θ2=90o, se nazývá kritické pro uvažovanou dvojici médií. Jakýkoli paprsek, který dopadá na rozhraní pod úhlem větším, než je kritický úhel, se zcela odráží do prvního prostředí. Pro kritický úhel θc lze napsat výraz, který přímo vyplývá ze Snellova vzorce:
sin (θc)=n2 / n1.
Pokuddruhé médium je vzduch, pak je tato rovnost zjednodušena do tvaru:
sin (θc)=1 / n1.
Kritický úhel pro vodu je například:
θc=arcsin (1 / 1, 33)=48, 75o.
Pokud se ponoříte na dno bazénu a podíváte se nahoru, uvidíte oblohu a mraky běžící přes něj pouze nad vaší hlavou, na zbytku vodní hladiny budou vidět pouze stěny bazénu.
Z výše uvedené úvahy je zřejmé, že na rozdíl od lomu není totální odraz vratným jevem, dochází k němu pouze při přechodu z hustšího do méně hustého prostředí, nikoli však naopak.
Totální odraz v přírodě a technologii
Snad nejběžnějším jevem v přírodě, který není možný bez úplné reflexe, je duha. Barvy duhy jsou výsledkem rozptylu bílého světla v dešťových kapkách. Když však paprsky procházejí uvnitř těchto kapiček, dochází u nich k jednoduchému nebo dvojitému vnitřnímu odrazu. Proto se duha vždy jeví dvojitě.
Jev vnitřního úplného odrazu se používá v technologii optických vláken. Díky optickým vláknům je možné přenášet elektromagnetické vlny beze ztrát na velké vzdálenosti.
