Vnitřní odraz

Vnitřní odraz - jev odrazu elektromagnetických nebo zvukových vln od rozhraní dvou prostředí za předpokladu, že vlna dopadá z prostředí, kde je rychlost jejího šíření nižší (u světelných paprsků to odpovídá vyššímu indexu lomu ).

Neúplný vnitřní odraz - vnitřní odraz za předpokladu, že úhel dopadu je menší než kritický úhel. V tomto případě se paprsek rozdělí na lomený a odražený. [jeden]

Úplný vnitřní odraz je vnitřní odraz za předpokladu, že úhel dopadu překročí určitý kritický úhel. V tomto případě se dopadající vlna zcela odráží a hodnota koeficientu odrazu překračuje své nejvyšší hodnoty pro leštěné povrchy. Koeficient odrazu pro celkový vnitřní odraz nezávisí na vlnové délce .

V optice je tento jev pozorován u širokého spektra elektromagnetického záření , včetně rentgenového rozsahu .

V geometrické optice je jev vysvětlen pomocí Snellova zákona . Uvážíme-li, že úhel lomu nemůže přesáhnout 90°, získáme, že při úhlu dopadu, jehož sinus je větší než poměr menšího indexu lomu k většímu indexu, by se elektromagnetická vlna měla zcela odrazit do prvního prostředí.

\theta _{{{\rm {c}}}}=\arcsin \!\left({\frac {n_{2}}{n_{1}}}\right).

Úhel je nejmenší úhel dopadu, při kterém dochází k úplnému vnitřnímu odrazu. Říká se mu omezující nebo kritický úhel. Používá se také název " úhel totálního odrazu " [2] . $\theta _{{{\rm {c))))$

V souladu s vlnovou teorií jevu elektromagnetické vlnění přesto proniká do druhého prostředí - šíří se tam tzv. „nerovnoměrná vlna“, která se exponenciálně rozpadá a nenese s sebou energii. Charakteristická hloubka průniku nehomogenní vlny do druhého prostředí je řádově vlnová délka.

Poprvé fenomén totálního vnitřního odrazu popsal Johannes Kepler v roce 1600 [2] .

Frustrovaný totální vnitřní odraz je jev porušení totálního vnitřního odrazu v důsledku absorpce části záření odrážejícím prostředím [3] . Široce používané v laboratorní praxi a optickém průmyslu [4] .

Příklad

Uvažujme vnitřní odraz na příkladu dvou monochromatických paprsků dopadajících na rozhraní mezi dvěma médii. Paprsky dopadají ze zóny hustšího prostředí (označené tmavší modří) s indexem lomu k hranici s méně hustým prostředím (označené světle modře) s indexem lomu . $n_{1}$ $n_{2}$

Červený paprsek dopadá pod úhlem , tj. na hranici média se rozdvojuje - částečně se láme a částečně odráží. Část paprsku se láme pod úhlem . ${\displaystyle \Phi _{1}<\!\,\!\,\alpha _{c}=\!\,\Theta _{c))$ $\Phi _{2}$

Zelený paprsek dopadá a zcela se odráží . ${\displaystyle \Theta >\!\,\alpha _{c}=\!\,\Theta _{c))$

Totální vnitřní odraz v přírodě a technologii

Fata morgana , fata morgána , jako je iluze mokré vozovky v letních vedrech. Zde vznikají odrazy v důsledku totálního odrazu mezi vrstvami vzduchu s různými teplotami.

Jasný lesk mnoha přírodních krystalů , a zejména fasetovaných drahokamů a polodrahokamů, je vysvětlen úplným vnitřním odrazem, v důsledku čehož každý paprsek vstupující do krystalu vytváří velké množství dosti jasných paprsků, které vycházejí a jsou následně zbarveny. rozptylu .

Brilantnost diamantů , která je odlišuje od ostatních drahých kamenů, je také určena tímto jevem. Vzhledem k vysokému indexu lomu ( n ≈ 2 ) diamantu je počet vnitřních odrazů, které paprsek světla podstoupí s menší ztrátou energie, také velký ve srovnání se sklem a jinými materiály s nižším indexem lomu.

Úplný vnitřní odraz lze pozorovat, když se podíváte zpod vody na povrch: pod určitými úhly na rozhraní není pozorována vnější část (to, co je ve vzduchu), ale zrcadlový odraz předmětů, které jsou ve voda je vidět.

Krychle na dělení paprsku

Přímo za první hraniční plochou, tedy v maximální vzdálenosti rovné vlnové délce světla , má druhá hraniční plocha stejný index lomu n 1 . Elektromagnetická vlna světla proniká pásem s indexem lomu n 2 a vstupuje na druhou hraniční plochu s indexem lomu n 1 , ale s nižší energetickou hodnotou. Je pozorována bifurkace světelného paprsku , jehož část pronikla do zóny s indexem lomu n 2 . Konečným výsledkem je paprsek rozdělený na dvě části: část se šíří dále v původním směru, zatímco druhá část se odráží. Ztráta intenzity v prostředí n 2 probíhá exponenciálně podle vzorce:

I=I_{0}\cdot \exp \!\left(-{\frac {x}{\lambda }}\vpravo).

Světlovod

V optických vláknech se využívá efekt úplného vnitřního odrazu . Axiální část vlákna (jádro) je tvořena sklem s vyšším indexem lomu než okolní plášť. Takové světlovody se používají ke stavbě kabelů z optických vláken .

Odraz rentgenového záření

S rentgenovým zářením podle obecného vzorce pro hodnoty indexu lomu:

n=1-\delta -i\beta .

Z toho vyplývá, že vakuum je opticky hustší prostředí než jakákoli látka. Hodnoty koeficientu prostupu rentgenového záření leží v oblasti mezi a závisí na kvantové energii záření, konstantách krystalové mřížky a hustotě látky. $\delta$ $</10^{{-6}}$ $</10^{{-5}}$

Při malých úhlech dopadu je pozorován efekt skluzu, lomu rentgenového záření s odrazem pod úhlem rovným úhlu dopadu (θ). Úhly pastvy pro "tvrdé" rentgenové záření jsou zlomky stupně, pro "měkké" - asi 10-20 stupňů. [5] [6]

Lom rentgenového záření při dopadu na pastvu poprvé formuloval M. A. Kumakhov, který vyvinul rentgenové zrcadlo , a teoreticky doložil Arthur Compton v roce 1923 .

Odraz elastických vln v pevném tělese

Vzhledem k tomu , že v pevném tělese jsou současně přítomny podélné a příčné vlny, odraz na hranici dvou prostředí popisuje Snellův zákon pro každý z typů vln. V souladu se zákonem neexistuje jeden, ale tři kritické úhly [7] :

První kritický úhel: nejmenší úhel dopadu podélné vlny, při kterém lomená podélná vlna nepronikne do druhého prostředí (vzhled hlavní vlny).
Druhý kritický úhel: nejmenší úhel dopadu podélné vlny, při kterém lomená příčná vlna nepronikne druhým prostředím (vzhled Rayleighovy povrchové vlny ).
Třetí kritický úhel: nejmenší úhel dopadu příčné vlny, při kterém ještě není odražená podélná vlna.

Jiné vlnové jevy

Demonstrace lomu a tím i vlivu totálního vnitřního odrazu je možná například pro zvukové vlny na povrchu a v objemu kapaliny při přechodu mezi zónami různé viskozity nebo hustoty.

U svazků pomalých neutronů jsou pozorovány jevy podobné efektu úplného vnitřního odrazu elektromagnetického záření . [osm]

Pokud vertikálně polarizovaná vlna dopadne na rozhraní pod Brewsterovým úhlem , pak bude pozorován efekt úplného lomu - odražená vlna nebude chybět.

Viz také

Odkazy

Vzdělávací film "Totální vnitřní reflexe"

Poznámky

↑ Quantum Boffin. Totální vnitřní reflexe . youtube.com . youtube.com (13. ledna 2012). Získáno 27. února 2021. Archivováno z originálu dne 21. února 2021.
↑ 1 2 Zolotarev V. M. Totální vnitřní reflexe // Fyzikální encyklopedie / Ch. vyd. A. M. Prochorov . - M .: Velká ruská encyklopedie , 1994. - T. 4. - S. 27. - 704 s. - 40 000 výtisků. - ISBN 5-85270-087-8 .
↑ Zlomený totální vnitřní odraz – článek z Fyzické encyklopedie
↑ Automatizovaný internetový systém pro tvorbu databází reprodukčních a formalizovaných popisů přírodovědných a vědeckotechnických efektů :: Porušeno kompletní interní ... . Datum přístupu: 29. října 2012. Archivováno z originálu 4. března 2016. (neurčitý)
↑ Archivovaná kopie (odkaz není dostupný) . Získáno 30. dubna 2008. Archivováno z originálu 19. října 2007. (neurčitý)
↑ http://www.issep.rssi.ru/pdf/0110_095.pdf (nepřístupný odkaz)
↑ Teoretické základy ultrazvukového testování N. V. Meleshko
↑ Neutronová optika // Velká sovětská encyklopedie : [ve 30 svazcích] / kap. vyd. A. M. Prochorov . - 3. vyd. - M .: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.