Reflexión interna

Reflexión interna - el fenómeno de reflexión de ondas electromagnéticas o sonoras desde la interfaz entre dos medios, siempre que la onda caiga desde un medio donde su velocidad de propagación sea menor (en el caso de los rayos de luz, esto corresponde a un índice de refracción más alto ).

Reflexión interna incompleta : reflexión interna siempre que el ángulo de incidencia sea menor que el ángulo crítico. En este caso, el haz se divide en refractado y reflejado. [una]

La reflexión interna total es reflexión interna siempre que el ángulo de incidencia supere un cierto ángulo crítico. En este caso, la onda incidente se refleja completamente y el valor del coeficiente de reflexión supera sus valores más altos para superficies pulidas. El coeficiente de reflexión para la reflexión interna total no depende de la longitud de onda .

En óptica, este fenómeno se observa para un amplio espectro de radiación electromagnética , incluido el rango de rayos X.

En óptica geométrica , el fenómeno se explica en términos de la ley de Snell . Considerando que el ángulo de refracción no puede exceder los 90°, se obtiene que en un ángulo de incidencia cuyo seno sea mayor que la relación entre el índice de refracción menor y el índice mayor, la onda electromagnética debe reflejarse completamente en el primer medio.

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

El ángulo es el ángulo de incidencia más pequeño en el que se produce la reflexión interna total. Se llama ángulo límite o crítico . También se utiliza el nombre " ángulo de reflexión total " [2] . $\ theta _ {{{\ rm {c}}}}$

De acuerdo con la teoría ondulatoria del fenómeno, la onda electromagnética, sin embargo, penetra en el segundo medio: allí se propaga la llamada "onda no uniforme", que decae exponencialmente y no lleva consigo energía. La profundidad característica de penetración de una onda no homogénea en el segundo medio es del orden de la longitud de onda.

Por primera vez, el fenómeno de la reflexión interna total fue descrito por Johannes Kepler en 1600 [2] .

La reflexión interna total frustrada es el fenómeno de violación de la reflexión interna total debido a la absorción de parte de la radiación por el medio reflectante [3] . Ampliamente utilizado en la práctica de laboratorio y la industria óptica [4] .

Ejemplo

Considere la reflexión interna utilizando el ejemplo de dos rayos monocromáticos que inciden en la interfaz entre dos medios. Los rayos caen desde una zona de un medio más denso (indicado en azul más oscuro) con un índice de refracción al límite con un medio menos denso (indicado en azul claro) con un índice de refracción . $n_{1}$ $n_{2}$

El haz rojo cae en ángulo , es decir, en el límite de los medios, se bifurca, se refracta parcialmente y se refleja parcialmente. Parte del haz se refracta en un ángulo . ${\displaystyle \Phi _{1}<\!\,\!\,\alpha _{c}=\!\,\Theta _{c))$ $\Phi _{2}$

El rayo verde es incidente y completamente reflejado . ${\displaystyle \Theta >\!\,\alpha _{c}=\!\,\Theta _{c))$

Reflexión interna total en la naturaleza y la tecnología

Fata morgana , efectos de espejismo , como la ilusión de una carretera mojada en el calor del verano. Aquí surgen reflexiones debido a la reflexión total entre capas de aire con diferentes temperaturas.

El brillo intenso de muchos cristales naturales , y en particular de las piedras preciosas y semipreciosas facetadas , se explica por la reflexión interna total, como resultado de lo cual cada rayo que entra en el cristal forma una gran cantidad de rayos bastante brillantes que salen, coloreados como resultado. de dispersión .

El brillo de los diamantes , que los distingue de otras piedras preciosas, también está determinado por este fenómeno. Debido al alto índice de refracción ( n ≈ 2 ) del diamante, el número de reflexiones internas que sufre un haz de luz con menos pérdida de energía también es grande en comparación con el vidrio y otros materiales con un índice de refracción más bajo.

La reflexión interna total se puede observar si se mira desde debajo del agua hacia la superficie: en ciertos ángulos en la interfaz, no es la parte exterior (lo que está en el aire) lo que se observa, sino la reflexión especular de los objetos que están en el agua es visible.

Cubo divisor de haz

Directamente detrás de la primera superficie límite, es decir, a una distancia máxima igual a la longitud de onda de la luz , la segunda superficie límite tiene el mismo índice de refracción n 1 . Una onda electromagnética de luz penetra a través de una tira con un índice de refracción n 2 y entra en la segunda superficie límite con un índice de refracción n 1 pero con un valor de energía más bajo. Se observa una bifurcación del haz de luz , parte del cual penetra en la zona de índice de refracción n 2 . El resultado final es un haz dividido en dos: una parte se propaga más en la dirección original, mientras que la otra parte se refleja. La pérdida de intensidad en el medio n 2 pasa exponencialmente según la fórmula:

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

Guía de luz

El efecto de reflexión interna total se utiliza en fibras ópticas . La parte axial de la fibra (núcleo) está formada por vidrio con un índice de refracción más alto que el revestimiento circundante. Estas guías de luz se utilizan para construir cables de fibra óptica .

Reflejo de rayos X

Con radiación de rayos X, según la fórmula general para los valores del índice de refracción:

n=1-\delta-i\beta.

De ello se deduce que el vacío es un medio ópticamente más denso que cualquier sustancia. Los valores del coeficiente de transmisión de rayos X se encuentran en la región entre y y dependen de la energía cuántica de la radiación, las constantes de la red cristalina y la densidad de la sustancia. $\delta$ $</10^{{-6}}$ $</10^{{-5}}$

En pequeños ángulos de incidencia, se observa el efecto de deslizamiento, refracción de rayos X con reflexión en un ángulo igual al ángulo de incidencia (θ). Los ángulos rasantes para los rayos X "duros" son fracciones de grado, para los "suaves" - alrededor de 10-20 grados. [5] [6]

La refracción de los rayos X en incidencia rasante fue formulada por primera vez por M. A. Kumakhov, quien desarrolló el espejo de rayos X , y fundamentada teóricamente por Arthur Compton en 1923 .

Reflexión de ondas elásticas en un cuerpo sólido

Dado que las ondas longitudinales y transversales están presentes simultáneamente en un cuerpo sólido, la ley de Snell describe la reflexión en el límite de dos medios para cada uno de los tipos de ondas. De acuerdo con la ley, no hay uno, sino tres ángulos críticos [7] :

Primer ángulo crítico: el ángulo de incidencia más pequeño de una onda longitudinal en el que la onda longitudinal refractada no penetrará en el segundo medio (la aparición de la onda de cabeza).
Segundo ángulo crítico: el ángulo de incidencia más pequeño de una onda longitudinal en el que una onda transversal refractada no penetrará en el segundo medio (la aparición de una onda de superficie de Rayleigh ).
Tercer ángulo crítico: el ángulo de incidencia más pequeño de una onda transversal en el que todavía no hay una onda longitudinal reflejada.

Otros fenómenos ondulatorios

La demostración de la refracción y, por lo tanto, del efecto de la reflexión interna total es posible, por ejemplo, para ondas de sonido en la superficie y en la mayor parte de un líquido durante la transición entre zonas de diferente viscosidad o densidad.

Se observan fenómenos similares al efecto de la reflexión interna total de la radiación electromagnética para haces de neutrones lentos . [ocho]

Si una onda polarizada verticalmente cae sobre la interfaz en el ángulo de Brewster , entonces se observará el efecto de la refracción completa : la onda reflejada estará ausente.

Véase también

Enlaces

Película educativa "Reflexión interna total"

Notas

↑ Boffin cuántico. Reflexión Interna Total . youtube.com . youtube.com (13 de enero de 2012). Consultado el 27 de febrero de 2021. Archivado desde el original el 21 de febrero de 2021.
↑ 1 2 Zolotarev V. M. Reflexión interna total // Enciclopedia física / Cap. edición A. M. Projorov . - M .: Gran Enciclopedia Rusa , 1994. - T. 4. - S. 27. - 704 p. - 40.000 copias. - ISBN 5-85270-087-8 .
↑ Reflexión interna total rota - artículo de la Enciclopedia física
↑ Sistema automatizado de Internet para la formación de bases de datos de descripciones reproductivas y formalizadas de efectos científicos y técnicos naturales y científicos :: Violado interno completo ... . Fecha de acceso: 29 de octubre de 2012. Archivado desde el original el 4 de marzo de 2016. (indefinido)
↑ Copia archivada (enlace no disponible) . Consultado el 30 de abril de 2008. Archivado desde el original el 19 de octubre de 2007. (indefinido)
↑ http://www.issep.rssi.ru/pdf/0110_095.pdf (enlace inaccesible)
↑ Fundamentos teóricos de las pruebas ultrasónicas N. V. Meleshko
↑ Óptica de neutrones // Gran enciclopedia soviética : [en 30 volúmenes] / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M. : Enciclopedia soviética, 1969-1978.