Полное внутреннее отражение

Вну́треннее отраже́ние — явление отражения электромагнитных волн от границы раздела двух прозрачных сред при условии, что волна падает из среды с бо́льшим показателем преломления.

Неполное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения меньше критического угла. В этом случае луч раздваивается на преломлённый и отражённый.

Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. К тому же, коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

Этот оптический феномен наблюдается для широкого спектра электромагнитного излучения включая и рентгеновский диапазон.

В рамках геометрической оптики объяснение явления тривиально: опираясь на закон Снелла и учитывая, что угол преломления не может превышать 90°, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего коэффициента преломления к большему коэффициенту, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.

$\theta _ {\rm c} = \arcsin \!\left (\frac {n_2} {n_1} \right)$

В соответствии с волновой теорией явления, электромагнитная волна всё же проникает во вторую среду — там распространяется так называемая «неоднородная волна», которая экспоненциально затухает и энергию с собой не уносит. Характерная глубина проникновения неоднородной волны во вторую среду порядка длины волны.

Полное внутреннее отражение света

Пример

Рассмотрим внутреннее отражение на примере двух монохроматических лучей, падающих на границу раздела двух сред. Лучи падают из зоны более плотной среды (обозначена более тёмным голубым цветом) с коэффициентом преломления $\!\,n_1$ на границу с менее плотной средой (обозначена светло-голубым цветом) с коэффициентом преломления$\!\,n_2$.

Красный луч падает под углом $\!\,\Phi _1<\!\,\!\,\alpha _c=\!\,\Theta _c$, то есть на границе сред он раздваивается — частично преломляется и частично отражается. Часть луча преломляется под углом $\!\,\Phi_2$.

Зелёный луч падает и полностью отражается $\!\,\Theta>\!\,\alpha _c=\!\,\Theta_c$.

Полное внутреннее отражение в природе и технике

Фата-моргана, эффекты миража, например иллюзия мокрой дороги при летней жаре. Здесь отражения возникают из-за полного отражения между слоями воздуха с разной температурой.

Яркий блеск многих природных кристаллов, а в особенности — огранённых драгоценных и полудрагоценных камней объясняется полным внутренним отражением, в результате которого каждый вошедший в кристалл луч образует большое количество достаточно ярких вышедших лучей, окрашенных в результате дисперсии.

Блеск алмазов, выделяющий их из прочих драгоценных камней, также определяется этим феноменом. Из-за высокого коэффициента преломления (n ≈ 2) алмаза оказывается большим и число внутренних отражений, которые претерпевает луч света с меньшими потерями энергии, по сравнению со стеклом и другими материалами с меньшим показателем преломления.

Полное внутреннее отражение звуковых волн в толще океана, связанное с изменениями свойств воды с глубиной, приводит к распространению некоторых, особенно сверхнизкочастотных звуков на тысячи километров.

Отражение рыбки из-под воды, в поверхности раздела вода-воздух.

Полное внутреннее отражение можно наблюдать, если смотреть из-под воды на поверхность: при определенных углах на границе раздела наблюдаеться не внешняя часть (то, что в воздухе), а видно зеркальное отражение объектов, которые находятся в воде.

Светоделительная призма

Непосредственно за первой граничной поверхностью, то есть на расстоянии максимум, равной длине волны света, вторая граничная поверхность имеет тот же коэффициент преломления n₁. Электромагнитная волна света проникает через полосу с коэффициентом преломления n₂ и попадает во вторую граничную поверхность с коэффициентом преломления n₁, но с меньшим значением энергии. Наблюдается раздвоение луча света, часть которого проникла в зону с коэффициентом преломления n₂. В конечном результате луч раздваивается : часть распространяется дальше в первоначальном направлении, в то время как другая часть отражается. Потеря интенсивности в среде n₂ проходит экспоненциально по формуле:

$I = I_0 \cdot \exp\!\left( -\frac{x}{\lambda }\right)$

Световод

Эффект полного внутреннего отражения использвуется в световодах. Осевая часть волокна создаётся из стекла с высоким показателем преломления и погружается в оптически менее плотную среду (пластиковая облочка волокна, специальная жидкость, воздух). Такие световоды используются для построения оптоволоконных кабелей

Отражение рентгеновских лучей

При рентгеновском излучении согласно общей формуле значений коэффициента преломления:

$\!\,n=1-\delta-i\beta$

вытекает, что вакуум — оптически более плотная среда, чем любое вещество. Значения коэффициента $\!\,\delta$ прохождении рентгеновских лучей лежат в области между < / 10 ^{− 6} и < / 10 ^{− 5} и зависят от квантовой энергии излучения, констант кристаллической решётки и плотности вещества.

При небольших углах падения, наблюдается эффект скольжения, преломления рентгеновских лучей с отражением под углом, равным углу падения (θ). Углы скольжения для «жёстких» рентгеновских лучей составляют доли градуса, для «мягких» — примерно 10-20 градусов.^[1][2]

Преломление рентгеновских лучей при скользящем падении было впервые сформулировано М. А. Кумаховым, разработавшим рентгеновское зеркало, и теоретически обосновано Артуром Комптоном в 1923 году.

Другие волновые явления

Основная статья: Преломление звука

Демонстрация преломления, а значит и эффекта полного внутреннего отражения возможна, например, для звуковых волн на поверхности и в толще жидкости при переходе между зонами различной вязкости или плотности.

Основная статья: Нейтронная оптика

Явления, сходные с эффектом полного внутреннего отражения электромагнитного излучения, наблюдаются для пучков медленных нейтронов.^[3]

Основная статья: Полное преломление

Если на поверхность раздела падает вертикально поляризованная волна под углом Брюстера, то будет наблюдаться эффект полного преломления - отраженная волна будет отсутствовать.

Примечания

1. ↑ http://dssplab.karelia.ru/sources/BOOK/glava1/01.html
2. ↑ http://www.issep.rssi.ru/pdf/0110_095.pdf
3. ↑ Нейтронная оптика — статья из Большой советской энциклопедии