Gli effetti luminosi tipici che ogni persona incontra spesso nella vita di tutti i giorni sono il riflesso e la rifrazione. In questo articolo considereremo il caso in cui entrambi gli effetti si manifestano all'interno dello stesso processo, parleremo del fenomeno della riflessione interna totale.
Riflessione della luce
Prima di considerare il fenomeno della riflessione interna totale della luce, dovresti familiarizzare con gli effetti della riflessione e rifrazione ordinaria. Cominciamo con il primo. Per semplicità considereremo solo la luce, sebbene questi fenomeni siano caratteristici di un'onda di qualsiasi natura.
La riflessione è intesa come un cambiamento di una traiettoria rettilinea, lungo la quale si muove un raggio di luce, ad un' altra traiettoria rettilinea, quando incontra un ostacolo sul suo cammino. Questo effetto può essere osservato quando si punta un puntatore laser su uno specchio. L'aspetto delle immagini del cielo e degli alberi quando si osserva la superficie dell'acqua è anche il risultato del riflesso della luce solare.
La seguente legge vale per la riflessione: angoliincidenza e riflessione giacciono sullo stesso piano insieme alla perpendicolare alla superficie riflettente e sono uguali tra loro.
Rifrazione della luce
L'effetto della rifrazione è simile alla riflessione, si verifica solo se l'ostacolo nel percorso del raggio di luce è un altro mezzo trasparente. In questo caso, parte del raggio iniziale viene riflessa dalla superficie e parte passa nel secondo mezzo. Quest'ultima parte è chiamata raggio rifratto e l'angolo che forma con la perpendicolare all'interfaccia è chiamato angolo di rifrazione. Il raggio rifratto giace sullo stesso piano del raggio riflesso e incidente.
Esempi forti di rifrazione sono la rottura di una matita in un bicchiere d'acqua o la profondità ingannevole di un lago quando una persona guarda il suo fondo.
Matematicamente, questo fenomeno è descritto usando la legge di Snell. La formula corrispondente si presenta così:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Qui gli angoli di incidenza e di rifrazione sono indicati rispettivamente come θ1 e θ2. Le quantità n1, n2 riflettono la velocità della luce in ogni mezzo. Sono chiamati gli indici di rifrazione dei media. Maggiore è n, più lenta viaggia la luce in un dato materiale. Ad esempio, nell'acqua la velocità della luce è del 25% inferiore rispetto all'aria, quindi per essa l'indice di rifrazione è 1,33 (per l'aria è 1).
Il fenomeno della riflessione interna totale
La legge di rifrazione della luce porta a unoun risultato interessante quando il raggio si propaga da un mezzo con n grande. Consideriamo più in dettaglio cosa accadrà alla trave in questo caso. Scriviamo la formula di Snell:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Assumeremo che n1>n2. In questo caso, affinché l'uguaglianza rimanga vera, θ1 deve essere minore di θ2. Questa conclusione è sempre valida, poiché si considerano solo gli angoli da 0o a 90o, all'interno dei quali la funzione seno è in costante aumento. Pertanto, quando si lascia un mezzo ottico più denso per uno meno denso (n1>n2), il raggio devia maggiormente dal normale.
Ora aumentiamo l'angolo θ1. Di conseguenza, verrà il momento in cui θ2 sarà uguale a 90o. Si verifica un fenomeno sorprendente: un raggio emesso da un mezzo più denso vi rimarrà, cioè l'interfaccia tra due materiali trasparenti diventerà opaca.
Angolo critico
L'angolo θ1, per il quale θ2=90o, è chiamato critico per la coppia di media considerata. Qualsiasi raggio che colpisce l'interfaccia con un angolo maggiore dell'angolo critico viene riflesso completamente nel primo mezzo. Per l'angolo critico θc si può scrivere un'espressione che segue direttamente dalla formula di Snell:
peccato (θc)=n2 / n1.
Seil secondo mezzo è l'aria, quindi questa uguaglianza è semplificata nella forma:
peccato (θc)=1 / n1.
Ad esempio, l'angolo critico per l'acqua è:
θc=arcsin (1 / 1, 33)=48, 75o.
Se ti immergi sul fondo della piscina e guardi in alto, puoi vedere il cielo e le nuvole che lo attraversano solo sopra la tua stessa testa, sul resto della superficie dell'acqua saranno visibili solo le pareti della piscina.
Da quanto sopra, è chiaro che, a differenza della rifrazione, la riflessione totale non è un fenomeno reversibile, si verifica solo quando si passa da un mezzo più denso a uno meno denso, ma non viceversa.
Riflessione totale nella natura e nella tecnologia
Forse l'effetto più comune in natura, impossibile senza una riflessione totale, è l'arcobaleno. I colori dell'arcobaleno sono il risultato della dispersione della luce bianca nelle gocce di pioggia. Tuttavia, quando i raggi passano all'interno di queste goccioline, subiscono una riflessione interna singola o doppia. Ecco perché l'arcobaleno appare sempre doppio.
Il fenomeno della riflessione totale interna è utilizzato nella tecnologia delle fibre ottiche. Grazie alle fibre ottiche è possibile trasmettere onde elettromagnetiche senza perdite su lunghe distanze.
