Inre reflektion

Intern reflektion  - fenomenet med reflektion av elektromagnetiska eller ljudvågor från gränssnittet mellan två medier, förutsatt att vågen faller från ett medium där dess utbredningshastighet är lägre (när det gäller ljusstrålar motsvarar detta ett högre brytningsindex ).

Ofullständig intern reflektion  - intern reflektion förutsatt att infallsvinkeln är mindre än den kritiska vinkeln. I detta fall delas strålen i bryts och reflekteras. [ett]

Total intern reflektion  är inre reflektion förutsatt att infallsvinkeln överstiger en viss kritisk vinkel. I det här fallet reflekteras den infallande vågen helt, och värdet på reflektionskoefficienten överstiger dess högsta värden för polerade ytor. Reflektionskoefficienten för total intern reflektion beror inte på våglängden .

Inom optiken observeras detta fenomen för ett brett spektrum av elektromagnetisk strålning , inklusive röntgenområdet .

Inom geometrisk optik förklaras fenomenet i termer av Snells lag . Med tanke på att brytningsvinkeln inte kan överstiga 90°, får vi att vid en infallsvinkel vars sinus är större än förhållandet mellan det mindre brytningsindexet och det större indexet, bör den elektromagnetiska vågen reflekteras fullständigt in i det första mediet.

Vinkeln är den minsta infallsvinkel vid vilken total inre reflektion sker. Det kallas den begränsande eller kritiska vinkeln. Namnet " vinkel för total reflektion " [2] används också .

I enlighet med vågteorin för fenomenet tränger den elektromagnetiska vågen ändå in i det andra mediet - den så kallade "icke-likformiga vågen" fortplantar sig där, som sönderfaller exponentiellt och inte bär energi med sig. Det karakteristiska penetreringsdjupet för en inhomogen våg in i det andra mediet är i storleksordningen av våglängden.

För första gången beskrevs fenomenet total inre reflektion av Johannes Kepler 1600 [2] .

Frustrerad total intern reflektion  är fenomenet att den totala inre reflektionen kränks på grund av absorptionen av en del av strålningen av det reflekterande mediet [3] . Används i stor utsträckning i laboratorieverksamhet och den optiska industrin [4] .

Exempel

Överväg inre reflektion med exemplet med två monokromatiska strålar som faller in på gränssnittet mellan två medier. Strålar faller från en zon av ett tätare medium (indikerat i mörkare blått) med ett brytningsindex till gränsen med ett mindre tätt medium (indikerat i ljusblått) med ett brytningsindex .

Den röda strålen faller i en vinkel , det vill säga vid mediets gräns, den delar sig - den bryts delvis och delvis reflekteras. En del av strålen bryts i en vinkel .

Den gröna strålen är infallande och helt reflekterad .

Total intern reflektion i natur och teknik

Fata morgana , hägringeffekter , som illusionen av en blöt väg i sommarvärmen. Här uppstår reflektioner på grund av total reflektion mellan luftlager med olika temperaturer.

Den ljusa briljansen hos många naturliga kristaller , och i synnerhet facetterade ädelstenar och halvädelstenar, förklaras av total inre reflektion, som ett resultat av vilken varje stråle som kommer in i kristallen bildar ett stort antal ganska ljusa strålar som kommer ut, färgade som ett resultat av spridning .

Diamanternas briljans , som skiljer dem från andra ädelstenar, bestäms också av detta fenomen. På grund av diamantens höga brytningsindex ( n ≈ 2 ) är antalet inre reflektioner som en ljusstråle genomgår med mindre energiförlust också stort jämfört med glas och andra material med lägre brytningsindex.

Total intern reflektion kan observeras om du tittar från under vattnet till ytan: i vissa vinklar vid gränssnittet är det inte den yttre delen (det som finns i luften) som observeras, utan den spegelvända reflektionen av föremål som finns i vattnet syns.

Stråldelande kub

Direkt bakom den första gränsytan, det vill säga vid ett maximalt avstånd lika med ljusets våglängd , har den andra gränsytan samma brytningsindex n 1 . En elektromagnetisk ljusvåg tränger igenom en remsa med ett brytningsindex n 2 och går in i den andra gränsytan med ett brytningsindex n 1 men med ett lägre energivärde. En bifurkation av ljusstrålen observeras , varav en del trängde in i zonen med ett brytningsindex n 2 . Slutresultatet är en stråle som delas i två delar: en del fortplantar sig vidare i den ursprungliga riktningen, medan den andra delen reflekteras. Förlusten av intensitet i mediet n 2 passerar exponentiellt enligt formeln:

Ljusguide

Effekten av total intern reflektion används i optiska fibrer . Den axiella delen av fibern (kärnan) är gjord av glas med ett högre brytningsindex än den omgivande beklädnaden. Sådana ljusledare används för att bygga fiberoptiska kablar .

Reflektion av röntgenstrålar

Med röntgenstrålning, enligt den allmänna formeln för värdena för brytningsindex:

Det följer att vakuum är ett optiskt tätare medium än något ämne. Värdena på röntgentransmissionskoefficienten ligger i området mellan och och beror på strålningens kvantenergi, kristallgittrets konstanter och ämnets densitet .

Vid små infallsvinklar observeras effekten av glidning, brytning av röntgenstrålar med reflektion i en vinkel lika med infallsvinkeln (θ). Betesvinklarna för "hårda" röntgenstrålar är bråkdelar av en grad, för "mjuka" - cirka 10-20 grader. [5] [6]

Brytningen av röntgenstrålar i betesincidensen formulerades först av M. A. Kumakhov, som utvecklade röntgenspegeln , och underbyggdes teoretiskt av Arthur Compton 1923 .

Reflektion av elastiska vågor i en solid kropp

Eftersom longitudinella och tvärgående vågor finns samtidigt i en solid kropp, beskrivs reflektion vid gränsen mellan två medier av Snells lag för var och en av vågtyperna. I enlighet med lagen finns det inte en, utan tre kritiska vinklar [7] :

• Första kritiska vinkeln: den minsta infallsvinkeln för en longitudinell våg vid vilken den brutna longitudinella vågen inte kommer att tränga in i det andra mediet (huvudvågens utseende).
• Andra kritiska vinkeln: den minsta infallsvinkeln för en longitudinell våg vid vilken en bruten tvärvåg inte kommer att penetrera det andra mediet (utseendet av en Rayleigh-ytvåg ).
• Tredje kritiska vinkeln: den minsta infallsvinkeln för en tvärvåg där det fortfarande inte finns någon reflekterad longitudinell våg.

Andra vågfenomen

Demonstration av brytning, och därmed effekten av total inre reflektion, är möjlig, till exempel, för ljudvågor på ytan och i huvuddelen av en vätska under övergången mellan zoner med olika viskositet eller densitet.

Fenomen som liknar effekten av total intern reflektion av elektromagnetisk strålning observeras för strålar av långsamma neutroner . [åtta]

Om en vertikalt polariserad våg faller på gränssnittet vid Brewster-vinkeln , kommer effekten av fullständig brytning att observeras  - den reflekterade vågen kommer att vara frånvarande.

Se även

• Snell fönster
• Gås-Henchen effekt

Länkar

• Pedagogisk film "Total intern reflektion"

Anteckningar

1. ↑ Quantum Boffin. Total intern  reflektion . youtube.com . youtube.com (13 januari 2012). Hämtad 27 februari 2021. Arkiverad från originalet 21 februari 2021.
2. ↑ 1 2 Zolotarev V. M. Total intern reflektion // Physical Encyclopedia / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M .: Great Russian Encyclopedia , 1994. - T. 4. - S. 27. - 704 sid. - 40 000 exemplar.  - ISBN 5-85270-087-8 .
3. ↑ Bruten total intern reflektion - artikel från Physical Encyclopedia
4. ↑ Automatiserat internetsystem för bildandet av databaser med reproduktiva och formaliserade beskrivningar av naturvetenskapliga och vetenskapliga och tekniska effekter :: Överträdde fullständig intern ... . Datum för åtkomst: 29 oktober 2012. Arkiverad från originalet den 4 mars 2016. (obestämd)
5. ↑ Arkiverad kopia (länk ej tillgänglig) . Hämtad 30 april 2008. Arkiverad från originalet 19 oktober 2007. (obestämd) 
6. ↑ http://www.issep.rssi.ru/pdf/0110_095.pdf  (otillgänglig länk)
7. ↑ Teoretiska grunder för ultraljudstestning N. V. Meleshko
8. ↑ Neutronoptik // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 volymer]  / kap. ed. A. M. Prokhorov . - 3:e uppl. - M .  : Soviet Encyclopedia, 1969-1978.