بازتابش کلی داخلی

سعی کنید آزمایش زیر را در کلاس درس خود اجرا کنید: سعی کنید از یک منشور مثلثی متساوی الساقین به یک سنجاق یا هر شی ء دیگر نگاه کنید. سنجاق را پشت یک وجه منشور قرار داده و از وجه های دیگر مثلث به سنجاق نگاه کنید، در این وضعیت، مشاهده عجیبی خواهیم داشت.

به شکل سمت چپ زیر دقت کنید. پرتو نور به صورت عمود به وجه منشور تابیده می شود، این پرتو بدون شکست، مسیر خود را ادامه می دهد تا به مرز دوم برسد، در این مرز به جای عبور از این مرز، به نظر می رسد که کل نور از مرز بازتابیده می شود و از ضلع دیگر منشور مثلثی خارج می شود. این پدیده ی فیزیکی غیر منتظره شاید آن دسته از دانش آموزان را که منتظر پدیده ی شکست در مرز دوم بودند شگفت زده کند.

اگر به وجه دیگر منشور مثلثی نگاه کنید، پرتو نور را مشاهده خواهید نمود، چه اتفاقی می افتد؟ چرا نور از وجه دوم شکسته نمی شود؟

پدیده ی فوق به بازتاب کلی داخلی معروف است. بازتابش کلی داخلی عبارتست از بازتاب کل نور تابیده در مرز جداکننده ی دو محیط.

برای درک بهتر بازتابش کلی، از یک آزمایش فرضی بهره می جوییم. تصور کنید یک باریکه لیزر به داخل مخزن پر از آبی وارد شود و به سمت بالا، مرز آب – هوا حرکت می کند. آنگاه فرض کنید که زاویه ی تابش رفته رفته تغییر کند واندازه ی زاویه ی تابش به تدریج افزایش شود. مشاهده ی شما در این آزمایش چه خواهد بود؟ اگر به درستی رفتار مرزی را آموخته باشیم، انتظار داریم که پدیده ی بازتابش و شکست رخ دهد. این ها مشاهداتی است که غالباً روی می دهد، اما این ها تنها مشاهدات ما نمی باشد.

خواهیم دید که شدت پرتوهای بازتابش و شکست ثابت نمی ماند. برای زوایای تابش نزدیک صفر، بیشتر انرژی نورانی از مرز گذر کرده و مقدار اندکی از آن بازتاب می شود.با افزایش زاویه، از میزان شکست کم شده و به میزان بازتابش اضافه می شود.وقتی زاویه ی تابش بزرگتر شود، روشنایی کم شده و روشنایی پرتو بازتابش زیاد می شود. زوایای شکست و بازتاب با هم برابر نیستند؛

در عبور نور از محیط غلیظ به رقیق پرتو شکت از خط عمود دورتر می شود. در نتیجه زاویه شکست از زاویه تابش بزرگتر است. زاویه تابش آنقدر بزرگ می شود که بلاخره زاویه ی شکست 90 درجه می شود. این پدیده در شکل زیر مشخص است.

بیشترین زاویه ی شکست ممکن 90 درجه است. اگر زاویه ی شکست بیشتر از 90 درجه بود، پرتو شکست می بایستی به محیط تابش برود، که این امر غیر ممکن است. بنابراین برای زاویه ی شکست مقدار بیشینه ی 90 درجه وجود دارد که زاویه ی تابشی که این زاویه ی شکست را ایجاد می کند، به زاویه ی حد معروف است. با قانون اسنل، این زاویه ی قابل محاسبه است.

(_i=? , ?_r=90 , n_r=1 , n_i=1.33)  مقدار °48.6 =_c به دست خواهد آمد. اگر زاویه تابش بزرگتر از 6/48 درجه باشد، شکستی در مرز آب – هوا رخ می دهد. در عوض هنگامی که زاویه تابش بزگتر از 6/48 درجه (زاویه حد) باشد، تمام انرژِی که توسط پرتو تابش حمل می شود پس از رسیدن به مرز در آب می ماند و پرتو بازتاب می کند. این پدیده به بازتاب داخلی کلی معروف است.

دو شرط لازم برای رخداد بازتاب داخلی کلی

بازتاب کلی؛ پدیده ای است که در آن تمام پرتو فرودی به مرز، بازتاب یابد. این رویداد هنگامی رخ می دهد که دو شرط زیر برقرار باشد:

بازتاب داخلی تنها زمانی رخ می دهد که نور از محیطی با چگالی نوری بیشتر به محیطی با چگالی نوری کمتر برود. بازتاب داخلی برای پرتویی که بخواهد از آب به هوا برود اتفاق می افتد اما در حالت برعکس برای پرتویی که بخواهد از هوا به آب برود، روی نمی دهد. هنگامی که زوایه ی شکست 90درجه باشد، زاویه تابش همان زاویه حد می باشد که بازتاب کلی داخلی برای زوایای تابش بزرگتر از زاویه ی حد رخ می دهد.

بازتاب داخلی فقط برای زوایای بزرگ رخ می دهد، سؤال: چه اندازه بزرگ؟

پاسخ: برای زوایای بزرگتر از زاویه ی حد پدیده ی بازتاب کلی داخلی روی می دهد. همانطور که در بالا مشاهده کردید، زاویه ی حد برای مرز آب – هوا، 6/48 درجه بود. پس برای زوایای تابش بزرگتر 6/48 درجه، این پدیده اتفاق می افتد. مقدار 6/48 درجه فقط زاویه حد برای مرز آب – هوا می باشد. برای مرز شیشه – هوا، مقدار زاویه ی حد 1/41 درجه می باشد. برای مرز الماس – آب، زاویه حد 4/24 درجه می باشد. برای شرایط مرزی الماس – شیشه زاویه حد 4/33 درجه می باشد، پس زاویه حد برای محیط های مختلف ، متفاوت است.

در درس بعدی، در مورد محاسبه ی زاویه ی حد برای محیط های مختلف صحبت خواهیم کرد و اکنون تنها به این موضوع پرداخته ایم که بازتابش کلی داخلی فقط زمانی رخ می دهد که زاویه تابش برای ترکیبی از مواد معین باید بزرگتر از زاویه ی حد باشد.

اطلاعات خود را بیازمایید.

در شکل زیر، برای کدام یک از پرتوها، بازتاب کلی داخلی رخ می دهد.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه و تنظیم: نوربخش