Sisäinen heijastus

Sisäinen heijastus - ilmiö sähkömagneettisten tai ääniaaltojen heijastumisesta kahden median välisestä rajapinnasta edellyttäen, että aalto putoaa väliaineesta, jossa sen etenemisnopeus on pienempi ( valosäteiden tapauksessa tämä vastaa korkeampaa taitekerrointa ).

Epätäydellinen sisäinen heijastus - sisäinen heijastus edellyttäen, että tulokulma on pienempi kuin kriittinen kulma. Tässä tapauksessa säde jakautuu taittuneeksi ja heijastuneeksi. [yksi]

Sisäinen kokonaisheijastus on sisäistä heijastusta edellyttäen, että tulokulma ylittää tietyn kriittisen kulman. Tässä tapauksessa tuleva aalto heijastuu täysin ja heijastuskertoimen arvo ylittää sen korkeimmat arvot kiillotetuille pinnoille. Sisäisen kokonaisheijastuksen heijastuskerroin ei riipu aallonpituudesta .

Optiikassa tämä ilmiö havaitaan laajalla sähkömagneettisen säteilyn spektrillä , mukaan lukien röntgensädealue .

Geometrisessä optiikassa ilmiö selitetään Snellin lailla . Ottaen huomioon, että taitekulma ei voi ylittää 90°, saadaan, että tulokulmassa, jonka sini on suurempi kuin pienemmän taitekertoimen suhde suurempaan kertoimeen, sähkömagneettisen aallon tulisi heijastua kokonaan ensimmäiseen väliaineeseen.

\theta _{{{\rm {c}}}}=\arcsin \!\left({\frac {n_{2}}{n_{1}}}\oikea).

Kulma on pienin tulokulma, jossa sisäinen kokonaisheijastus tapahtuu. Sitä kutsutaan rajoittavaksi tai kriittiseksi kulmaksi. Käytetään myös nimeä " kokonaisheijastuskulma " [2] . $\theta _{{{\rm {c))))$

Ilmiön aaltoteorian mukaan sähkömagneettinen aalto kuitenkin tunkeutuu toiseen väliaineeseen - siellä etenee ns. "epätasainen aalto", joka vaimenee eksponentiaalisesti eikä kuljeta energiaa mukanaan. Epähomogeenisen aallon tyypillinen tunkeutumissyvyys toiseen väliaineeseen on aallonpituuden suuruusluokkaa.

Ensimmäisen kerran sisäisen kokonaisheijastuksen ilmiön kuvasi Johannes Kepler vuonna 1600 [2] .

Turhautunut sisäinen kokonaisheijastus on ilmiö, joka rikkoo sisäisen kokonaisheijastuksen, koska osa säteilystä imeytyy heijastavaan väliaineeseen [3] . Käytetään laajasti laboratoriokäytännöissä ja optisessa teollisuudessa [4] .

Esimerkki

Harkitse sisäistä heijastusta käyttämällä esimerkkiä kahdesta monokromaattisesta säteestä, jotka osuvat kahden median väliseen rajapintaan. Säteet putoavat tiheämmän väliaineen alueelta (merkitty tummemman sinisellä), jonka taitekerroin on vähemmän tiheän väliaineen (merkitty vaaleansinisellä) rajalle, jonka taitekerroin on . $n_{1}$ $n_{2}$

Punainen säde putoaa kulmassa , toisin sanoen median rajalla, se haarautuu - se taittuu osittain ja osittain heijastuu. Osa säteestä taittuu kulmassa . ${\displaystyle \Phi _{1}<\!\,\!\,\alpha _{c}=\!\,\Theta _{c))$ $\Phi _{2}$

Vihreä säde on tuleva ja täysin heijastunut . ${\displaystyle \Theta >\!\,\alpha _{c}=\!\,\Theta _{c))$

Täydellinen sisäinen heijastus luonnossa ja tekniikassa

Fata morgana , mirage - efektit , kuten illuusio märästä tiestä kesähelteellä. Tässä heijastukset johtuvat kokonaisheijastuksesta eri lämpötilojen ilmakerrosten välillä.

Monien luonnonkiteiden ja erityisesti fasetoitujen jalo- ja puolijalokivien kirkas loisto selittyy täydellisellä sisäisellä heijastuksella, jonka seurauksena jokainen kiteen tuleva säde muodostaa suuren joukon melko kirkkaita säteitä, jotka tulevat ulos värillisinä. dispersiosta .

Tämä ilmiö määrää myös timanttien loiston , joka erottaa ne muista jalokivistä. Timantin korkean taitekertoimen ( n ≈ 2 ) ansiosta myös valonsäteen läpikäymien sisäisten heijastusten määrä pienemmällä energiahäviöllä on suuri verrattuna lasiin ja muihin materiaaleihin, joilla on pienempi taitekerroin.

Totaalinen sisäinen heijastus voidaan havaita, jos katsot veden alta pintaan: rajapinnan tietyissä kulmissa ei havaita ulkoosaa (mitä on ilmassa), vaan siinä olevien esineiden peiliheijastusta. vesi näkyy.

Säteenhalkaisukuutio

Suoraan ensimmäisen rajapinnan takana eli valon aallonpituutta vastaavalla maksimietäisyydellä toisella rajapinnalla on sama taitekerroin n 1 . Sähkömagneettinen valon aalto tunkeutuu nauhan läpi, jonka taitekerroin on n 2 , ja saapuu toiselle rajapinnalle taitekertoimella n 1 mutta pienemmällä energia-arvolla. Havaitaan valonsäteen haarautuminen, josta osa tunkeutui vyöhykkeelle, jonka taitekerroin on n 2 . Lopputuloksena säde jakautuu kahtia: osa etenee edelleen alkuperäiseen suuntaan, kun taas toinen osa heijastuu. Intensiteettihäviö väliaineessa n 2 kulkee eksponentiaalisesti seuraavan kaavan mukaan:

I=I_{0}\cdot \exp \!\left(-{\frac {x}{\lambda }}\oikea).

Valoopas

Valokuiduissa käytetään sisäisen kokonaisheijastuksen vaikutusta . Kuidun aksiaalinen osa (ydin) on muodostettu lasista, jonka taitekerroin on suurempi kuin ympäröivällä verhouksella. Tällaisia valojohteita käytetään valokuitukaapeleiden rakentamiseen .

Röntgensäteiden heijastus

Röntgensäteilyllä taitekertoimen arvojen yleisen kaavan mukaan :

n=1-\delta -i\beta .

Tästä seuraa, että tyhjiö on optisesti tiheämpi väliaine kuin mikään aine. Röntgenläpäisykertoimen arvot ovat alueella ja välillä ja riippuvat säteilyn kvanttienergiasta, kidehilavakioista ja aineen tiheydestä . $\delta$ $</10^{{-6}}$ $</10^{{-5}}$

Pienillä tulokulmilla havaitaan liukumisen vaikutus, röntgensäteiden taittuminen ja heijastus kulmassa, joka on yhtä suuri kuin tulokulma (θ). "Kovien" röntgensäteiden laidunkulmat ovat asteen murto-osia, "pehmeiden" - noin 10-20 astetta. [5] [6]

Röntgensäteiden taittumisen laiduntamiseen ilmaisi ensin M. A. Kumakhov, joka kehitti röntgenpeilin , ja Arthur Compton perusti sen teoreettisesti vuonna 1923 .

Elastisten aaltojen heijastus kiinteässä kappaleessa

Koska pitkittäiset ja poikittaiset aallot ovat samanaikaisesti läsnä kiinteässä kappaleessa, heijastus kahden väliaineen rajalla kuvataan Snellin lailla kullekin aaltotyypille. Lain mukaan kriittisiä kulmia ei ole yksi, vaan kolme [7] :

Ensimmäinen kriittinen kulma: pituussuuntaisen aallon pienin tulokulma, jossa taittunut pitkittäisaalto ei tunkeudu toiseen väliaineeseen (pääaallon ilme).
Toinen kriittinen kulma: pituussuuntaisen aallon pienin tulokulma, jossa taittunut poikittaisaalto ei tunkeudu toiseen väliaineeseen ( Rayleighin pinta-aallon ilme ).
Kolmas kriittinen kulma: poikittaisen aallon pienin tulokulma, jossa ei vieläkään ole heijastunut pitkittäisaalto.

Muut aaltoilmiöt

Taittumisen ja siten kokonaissisäisen heijastuksen vaikutuksen osoittaminen on mahdollista esimerkiksi ääniaalloille nesteen pinnalla ja suurimmassa osassa eri viskositeetin tai tiheyden omaavien vyöhykkeiden välillä siirtymisen aikana.

Hitaiden neutronien säteillä havaitaan sähkömagneettisen säteilyn sisäisen kokonaisheijastuksen vaikutuksen kaltaisia ilmiöitä . [kahdeksan]

Jos pystysuunnassa polarisoitu aalto putoaa rajapinnalle Brewsterin kulmassa , havaitaan täydellisen taittumisen vaikutus - heijastunut aalto puuttuu.

Katso myös

Linkit

Opetuselokuva "Total sisäinen heijastus"

Muistiinpanot

↑ Quantum Boffin. Täydellinen sisäinen heijastus . youtube.com . youtube.com (13. tammikuuta 2012). Haettu 27. helmikuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 21. helmikuuta 2021.
↑ 1 2 Zolotarev V. M. Sisäinen kokonaisheijastus // Physical Encyclopedia / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M .: Great Russian Encyclopedia , 1994. - T. 4. - S. 27. - 704 s. - 40 000 kappaletta. - ISBN 5-85270-087-8 .
↑ Rikkoutunut sisäinen heijastus - artikkeli Physical Encyclopediasta
↑ Automaattinen Internet-järjestelmä lisääntymis- ja luonnollisten tieteellisten ja teknisten vaikutusten formalisoitujen kuvausten tietokantojen muodostamiseen :: Rikkoutunut täydellinen sisäinen ... . Käyttöpäivä: 29. lokakuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 4. maaliskuuta 2016. (määrätön)
↑ Arkistoitu kopio (linkki ei saatavilla) . Haettu 30. huhtikuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 19. lokakuuta 2007. (määrätön)
↑ http://www.issep.rssi.ru/pdf/0110_095.pdf (linkki, jota ei voi käyttää)
↑ Ultraäänitestauksen teoreettiset perusteet N. V. Meleshko
↑ Neutronioptiikka // Suuri Neuvostoliiton Encyclopedia : [30 nidettä] / ch. toim. A. M. Prokhorov . - 3. painos - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1969-1978.