Tüüpilised valgusefektid, millega iga inimene igapäevaelus sageli kokku puutub, on peegeldus ja murdumine. Selles artiklis käsitleme juhtumit, kui mõlemad mõjud avalduvad sama protsessi käigus, räägime sisemise täieliku peegelduse nähtusest.
Valguse peegeldus
Enne valguse sisemise täieliku peegelduse fenomeni käsitlemist peaksite tutvuma tavalise peegelduse ja murdumise mõjuga. Alustame esimesest. Lihtsuse huvides võtame arvesse ainult valgust, kuigi need nähtused on iseloomulikud mis tahes laadi lainetele.
Peegeldust mõistetakse kui ühe sirgjoonelise trajektoori muutumist, mida mööda valguskiir liigub, teise sirgjoonelise trajektoori vastu, kui see kohtab teel takistust. Seda efekti võib täheldada laserkursori suunamisel peeglile. Taeva ja puude kujutised veepinnale vaadates on samuti päikesevalguse peegelduse tulemus.
Peegelduse jaoks kehtib järgmine seadus: nurgadlangemine ja peegeldus asuvad samal tasapinnal koos peegelduspinnaga risti ja on üksteisega võrdsed.
Valguse murdumine
Murdumine on sarnane peegeldusega, ainult see ilmneb siis, kui valguskiire teel olevaks takistuseks on mõni muu läbipaistev keskkond. Sel juhul peegeldub osa esialgsest kiirest pinn alt ja osa läheb teise keskkonda. Seda viimast osa nimetatakse murdunud kiireks ja nurka, mille see moodustab liidesega risti, nimetatakse murdumisnurgaks. Murdunud kiir asub peegeldunud ja langeva kiirega samal tasapinnal.
Tugevad näited murdumisest on pliiatsi purunemine veeklaasis või järve petlik sügavus, kui inimene vaatab selle põhja alla.
Matemaatiliselt kirjeldatakse seda nähtust Snelli seaduse abil. Vastav valem näeb välja selline:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Siin on langemis- ja murdumisnurgad tähistatud kui θ1 ja θ2. Suurused n1, n2 peegeldavad valguse kiirust igas keskkonnas. Neid nimetatakse meedia murdumisnäitajateks. Mida suurem n, seda aeglasem alt liigub valgus antud materjalis. Näiteks vees on valguse kiirus 25% väiksem kui õhus, seega on selle murdumisnäitaja 1,33 (õhu puhul on see 1).
Täieliku sisemise peegelduse nähtus
Valguse murdumise seadus viib ühenihuvitav tulemus, kui kiir levib suure n-ga keskkonnast. Mõelgem üksikasjalikum alt, mis sel juhul talaga juhtub. Kirjutame välja Snelli valemi:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Eeldame, et n1>n2. Sel juhul, et võrdus jääks tõeseks, peab θ1 olema väiksem kui θ2. See järeldus kehtib alati, kuna arvesse võetakse ainult nurki 0o kuni 90o, mille piires siinusfunktsioon pidev alt suureneb. Seega, kui jätta tihedam optiline kandja vähem tihedale (n1>n2), kaldub kiir normaalsest rohkem kõrvale.
Nüüd suurendame nurka θ1. Selle tulemusena saabub hetk, mil θ2 võrdub 90o. Toimub hämmastav nähtus: tihedamast keskkonnast väljuv kiir jääb sellesse, see tähendab, et kahe läbipaistva materjali liides muutub selle jaoks läbipaistmatuks.
Kriitiline nurk
Nurka θ1, mille puhul θ2=90o, nimetatakse vaadeldava meediapaari jaoks kriitiline. Iga kiir, mis tabab liidest kriitilisest nurgast suurema nurga all, peegeldub täielikult esimesse keskkonda. Kriitilise nurga θc jaoks võib kirjutada avaldise, mis tuleneb otseselt Snelli valemist:
sin (θc)=n2 / n1.
Kuiteine keskkond on õhk, siis on see võrdsus lihtsustatud kujul:
sin (θc)=1 / n1.
Näiteks vee kriitiline nurk on:
θc=arcsin (1/1, 33)=48, 75o.
Kui sukeldute basseini põhja ja vaatate üles, näete taevast ja üle selle jooksvaid pilvi ainult enda pea kohal, ülejäänud veepinnal on näha ainult basseini seinad.
Eelnevast arutlusest on selge, et erinev alt murdumisest ei ole täielik peegeldus pöörduv nähtus, see tekib ainult siis, kui liigutakse tihedamast keskkonnast vähemtihedasse, kuid mitte vastupidi.
Täielik peegeldus looduses ja tehnoloogias
Võib-olla looduses levinuim efekt, mis on võimatu ilma täieliku peegelduseta, on vikerkaar. Vikerkaare värvid on valge valguse hajumise tulemus vihmapiiskades. Kuid kui kiired läbivad nende tilkade seest, kogevad nad kas ühe- või kahekordset sisemist peegeldust. Seetõttu paistab vikerkaar alati kahekordne.
Fiiberoptilises tehnoloogias kasutatakse sisemise täieliku peegelduse nähtust. Tänu optilistele kiududele on võimalik elektromagnetlaineid kadudeta edastada pikkadel vahemaadel.
