Warto przeczytać

Jeśli na granicę dwóch ośrodków różniących się bezwzględnymi współczynnikami załamania pada światło pod pewnym kątem $\alpha$ od strony ośrodka o większym współczynniku załamania, możemy mieć do czynienia z trzema różnymi sytuacjami:

1. zjawiskami: odbicia i załamania światła występującymi równocześnie, jeśli $\alpha$ < $\alpha$Indeks dolny g_g (Rys. 1. – promień niebieski oznaczony numerem 1),

2. zjawiskiem odbicia i specyficznym załamaniem światła – w którym kąt załamania jest równy 90Indeks górny o^o, a promień załamany „ślizga się” po granicy ośrodków – wtedy, gdy $\alpha$ = $\alpha$Indeks dolny g_g (Rys. 1. – promień czerwony oznaczony numerem 2),

3. tylko ze zjawiskiem odbicia światła, jeśli $\alpha$ > $\alpha$Indeks dolny g_g (Rys. 1. – promień czarny oznaczony numerem 3).

W przypadku 3. cała energia padającego światła zostanie odbita do pierwszego ośrodka. Mówimy wówczas o zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia światła. Kąt $\alpha$Indeks dolny g_g jest tak zwanym kątem granicznym, czyli maksymalnym kątem padania światła na granicę dwóch ośrodków, dla którego zachodzi zjawisko załamania.

RC7v8Hz7Q7tcL

Na białym tle narysowano czarną poziomą linię, tak oznaczono granicę dwóch ośrodków. Nad linią, po jej lewej stronie jest napis: mała litera n z indeksem dolnym 1, a pod linią jest napis: mała litera n z indeksem dolnym 2. Przez środek tej linii poprowadzono prostopadłą linię przerywaną, to oś normalna. Na granicę ośrodków padają trzy promienie świetlne: niebieski pod kątem alfa indeks dolny 1 podpisany cyfrą jeden; czerwony pod kątem alfa indeks dolny mała litera g podpisany cyfrą 2 i czarny pod kątem alfa indeks dolny 3 podpisany cyfrą 3. Część promienia 1, niebieskiego, ulega odbiciu pod kątem alfa indeks dolny 1 (mniejszym niż kąt graniczny alfa indeks dolny g), a część ulega załamaniu pod kątem beta indeks dolny 1. Promień 2, również ulega odbiciu pod kątem równym kątowi padania oraz równym kątowi granicznemu alfa g, promień załamany biegnie wzdłuż granicy ośrodków, a kąt załamania wynosi 90 stopni. Promień 3, czarny, odbija się od granicy ośrodków pod katem alfa indeks dolny 3 i nie załamuje się, kąt załamania jest równy 0.

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia znalazło wiele zastosowań we współczesnym świecie. Wykorzystuje się je przede wszystkim w telekomunikacji do przesyłania informacji na znaczne odległości. Służą do tego światłowody, których budowa i zasada działania została omówiona w e‑materiale „Budowa i zasada działania światłowodu”. Wygląda to tak, że światło wprowadzone do światłowodu padając na granicę rdzenia i płaszcza (charakteryzującego się mniejszym współczynnikiem załamania) pod kątem większym niż kąt graniczny, ulega wyłącznie zjawisku odbicia. Następnie propaguje dalej, by ponownie trafić na granicę ośrodków i znowu ulec odbiciu. Sytuacja ta powtarza się wielokrotnie, a informacja przesyłana jest na znaczne odległości. Prezentuje to Rys. 2.

R1Opxej3kQynT

Na ilustracji znajduje się układ trzech prostokątów poziomych ułożonych jeden pod drugim w kolejności: szary, biały, szary. Kolory oznaczają różne ośrodki. Ośrodek zewnętrzny, szary, zdefiniowano jako n z indeksem 2. Wewnętrzny, biały zdefiniowano jako n z indeksem 1, przy czym n 1 oznacza współczynnik załamania większy niż n 2. Z lewej strony narysowano odcinek obrazujący promień padający zakończony grotem na styku dolnej krawędzi prostokąta szarego i górnej krawędzi prostokąta białego. Promień ulega odbiciu i biegnie na górną krawędź dolnego szarego prostokąta. Tu również następuje odbicie promienia. Czyli promień pada na ośrodek gęściejszy pod pewnym kątem granicznym takim, że ulega on wielokrotnemu całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.

Dlaczego metoda ta zyskała tak ogromną popularność? Przede wszystkim przez to, że światłowody są dużo mniejsze, lżejsze i tańsze niż stosowane wcześniej przewody miedziane. Dodatkowo na przesyłaną informację nie mają wpływu zmiany temperatury czy oddziaływanie pola magnetycznego.

Identycznie jak w światłowodzie – promień rozchodzi się w wodzie. Aby to zaobserwować, można zrobić proste doświadczenie. W plastikowej butelce wypełnionej wodą robimy mały otwór. Woda zaczyna wyciekać, a struga ma charakterystyczny kształt paraboli. Następnie na ten strumień kierujemy wiązkę lasera (Rys. 3.).

RYG6n3PPX3X10

Na ilustracji na czarnym tle znajduje się fragment przezroczystej butelki napełnionej wodą. Z prawej strony widać wylatujący z butelki strumień wody zabarwiony na zielono. Po lewej stronie butelki widać rękę trzymającą włączony wskaźnik laserowy i wiązkę światła laserowego zielonego skierowaną w kierunku otworu w prawej ściance butelki. Woda w butelce jest równie nierównomiernie oświetlona światłem zielonym. W wyniku tego eksperymentu doświadczamy efektu charakteryzującego światłowody. Światło pada pod takim kątem, że strumień wody wydostający się z butelki i opadający swobodnie, również podświetla się na zielono.

Dlaczego światło „dopasowało” swój tor ruchu do strumienia wody? Odpowiedzią jest opisywane tutaj zjawisko. Strumień wody zachowuje się tak jak włókno światłowodowe. Gdy promień świetlny wprowadzony do wody pada na jej granicę z powietrzem pod kątem większym niż kąt graniczny, nie ulega załamaniu, a jedynie całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Tym samym światło nie wydostaje się poza strużkę wody. Na większą skalę sytuację tę można obserwować w czasie pokazów w warszawskim Multimedialnym Parku Fontann (Rys. 4.).

RC9mLtCCi4XSh

Zdjęcie poglądowe przedstawia przykład pokazu Multimedialnego Parku Fontann. W strumieniach wody odbija się różnokolorowe światło i tworzy spektakularne efekty wizualne. Tutaj na zdjęciu woda układa się i wzbija w górę w postaci pionowych i falistych kolorowych linii. Każda dysza z wodą jest podświetlona na odpowiedni kolor, co daje wspaniały efekt.

Inną ważną dziedziną, w której zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła znalazło szereg zastosowań, jest medycyna. Tutaj trzeba powiedzieć przede wszystkim o możliwości zajrzenia do wnętrza organizmu bez wykonywania zabiegu chirurgicznego. Służy do tego urządzenie składające się z kilku scalonych ze sobą światłowodów. Zostało to wykorzystane przede wszystkim w endoskopiiendoskopiaendoskopii, która umożliwia wykonanie nieinwazyjnego badania, a także pobieranie wycinków i przeprowadzanie drobnych interwencji chirurgicznych (Rys. 5.).

R1GRz9mQhzGGY

Zdjęcie poglądowe przedstawia lekarza trzymającego endoskop. Urządzenie szczegółowo opisane jest w treści i podpisie zdjęcia. Lekarz spogląda w okular umieszczony na końcu czarnej rurki. Z boku okularu wychodzi cieńszy czarny przewód z ruchomym srebrnym elementem. W ten element włożony jest kciuk lekarza, który manewrując ruchomym elementem może podjąć działanie w badanym obszarze, jednocześnie obserwując swoje poczynania poprzez okular.

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła znajduje zastosowanie również w lornetce w celu zwiększenia obszaru, który możemy obserwować (Rys. 6.). Jeśli przyjrzymy się dokładnie jej budowie, zobaczymy prostokątne, równoramienne pryzmaty, których celem jest zmiana kierunku biegu wiązki światła padającego. To właśnie dzięki temu, że światło padając na granicę szkło‑powietrze pod kątem większym od $\alpha$Indeks dolny g,_g, ulega zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia, straty energii w całym układzie są minimalne.

RkqrKlv7c1ljN

Na ilustracji znajduje się zestaw szarych elementów w postaci wielokątów, prostokątów i pierścieni po lewej stronie schematycznie przedstawiających profil lornetki, a po prawej zestaw czterech elementów o szarych ściankach (jeden z nich ma podpis: okular (wewnątrz układ soczewek w przekroju), a drugi ma podpis: obiektyw, również soczewka w przekroju) i białym wnętrzu. W każdym elemencie jest umieszczona fioletowa bryła podpisana: pryzmat Porro. Przez te fioletowe elementy biegnie czerwona linia łamana, oznaczająca bieg wiązki światła.

Jednym z najpopularniejszych i najbardziej znanych zastosowań omawianego zjawiska jest wykonywana w jubilerstwie obróbka kamieni. Polega ona na nadaniu szlifowanemu kamieniowi odpowiedniej formy i pokryciu go symetrycznymi płaszczyznami, tak by w jego wnętrzu zachodziło całkowite wewnętrzne odbicie, a około 80% promieni załamywało się. Dzięki temu możemy obserwować charakterystyczny blask brylantów (Rys. 7.).

R9c9RYqZkupRT

Rys. 7. Zdjęcie poglądowe przedstawia dwa oszlifowane diamenty czyli brylanty. Szlifowanie powierzchni kamienia w płaszczyzny geometryczne pozwala, poprzez wykorzystanie wewnętrznego odbicia światła, wydobyć szczególną urodę kamienia. Jeden brylant leży płaskim szlifem do dołu a drugi opiera się na wierzchołu, eksponując swoją powierzchnię w całej okazałości.

Słowniczek