Внутреннее отражение электромагнитных волн

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
(перенаправлено с «Полное внутреннее отражение»)
Перейти к: навигация, поиск

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

Виды внутреннеего отражения[править]

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

Этот оптический феномен наблюдается для лучей широкого спектра электромагнитного излучения включая и спектр Рентгеновских лучей.

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. $$ \theta _ {\rm c} ={ \href {//traditio.wiki/%D0%90%D1%80%D0%BA%D1%81%D0%B8%D0%BD%D1%83%D1%81}{ \texttip { \arcsin}{ Арксинус }}} \!\left (\frac {n_2} {n_1} \right) $$

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[править]

Пример

На примере двух монохроматических лучей обозначенных зелёным и красным цветами, падающих на границу раздела двух сред. Лучи проходят в зоне более плотной среды (обозначена более тёмным голубым цветом) с коэффициентом преломления \(\!\,n_1\), граничащей с менее плотной (обзначена светло-голубым цветом) средой с — \(\!\,n_2\).

Красный луч проходит: \(\!\,\Phi _1\), то есть он раздваивается, преломляется и отражается. Преломляется часть луча под углом: $$\!\,\Theta >\!\,\alpha _c=\!\,\Theta_c.$$

Зелёный луч падает и отражается:

$$\!\,\Theta>\!\,\alpha _c=\!\,\Theta_c.$$

Полное внутреннее отражение в природе и технике[править]

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

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 каменй 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.[1]

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.

Световод[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Световод
Рис.2. Прохождение лазерного луча в оптическом (акриловый прут из полиметилметакрилата (ПMMA)) световоде квадратного сечения при эффекте полного внутреннего отражения в оптической среде.[2]
Световод с оптическими прозрачными волокнами без защитных оболочек.

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 используються для построения оптоволоконных кабелей

Отражение рентгеновских лучей[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Рентгеновское излучение
Файл:Prelomlenie skolsashich X-lutshey.jpg
Рентгеновское зеркало (принцип работы)

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 \(\) и \(\) 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.[3][4]

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

Другие волновые явления[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Преломление звука
Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Нейтронная оптика

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.

Явления, сходные с эффектом полного внутреннего отражения электромагнитного излучения, наблюдаются для пучков медленных нейтронов.[5]

Неполное внутреннее отражение электромагнитных волн[править]

Светоделительная призма[править]

Схема.

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:

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

См. также[править]

Сноски[править]