Typische Lichteffekte, denen jeder Mensch im Alltag oft begegnet, sind Reflexion und Brechung. In diesem Artikel betrachten wir den Fall, dass sich beide Effekte innerhalb desselben Prozesses manifestieren, wir sprechen über das Phänomen der internen Totalreflexion.
Lichtreflexion
Bevor Sie sich mit dem Phänomen der internen Totalreflexion von Licht befassen, sollten Sie sich mit den Auswirkungen der gewöhnlichen Reflexion und Brechung vertraut machen. Beginnen wir mit dem ersten. Der Einfachheit halber betrachten wir nur Licht, obwohl diese Phänomene für jede Art von Welle charakteristisch sind.
Reflexion wird als Wechsel von einer geradlinigen Bahn, entlang der sich ein Lichtstrahl bewegt, zu einer anderen geradlinigen Bahn verstanden, wenn er auf seinem Weg auf ein Hindernis trifft. Dieser Effekt kann beobachtet werden, wenn ein Laserpointer auf einen Spiegel gerichtet wird. Das Erscheinen von Bildern des Himmels und der Bäume beim Blick auf die Wasseroberfläche ist auch das Ergebnis der Reflexion des Sonnenlichts.
Für die Reflexion gilt folgendes Gesetz: WinkelEinfall und Reflexion liegen mit der Senkrechten zur spiegelnden Fläche in einer Ebene und sind einander gleich.
Lichtbrechung
Der Brechungseffekt ähnelt dem Reflexionseffekt, nur tritt er auf, wenn das Hindernis im Weg des Lichtstrahls ein anderes transparentes Medium ist. Dabei wird ein Teil des Ausgangsstrahls von der Oberfläche reflektiert und ein Teil gelangt in das zweite Medium. Dieser letzte Teil wird als gebrochener Strahl bezeichnet, und der Winkel, den er mit der Senkrechten zur Grenzfläche bildet, wird als Brechungswinkel bezeichnet. Der gebrochene Strahl liegt in der gleichen Ebene wie der reflektierte und der einfallende Strahl.
Starke Beispiele für Lichtbrechung sind der Bruch eines Bleistifts in einem Glas Wasser oder die trügerische Tiefe eines Sees, wenn eine Person auf seinen Grund hinunterschaut.
Mathematisch wird dieses Phänomen mit dem Snellschen Gesetz beschrieben. Die entsprechende Formel sieht so aus:
1 Sünde (θ1)=n2 Sünde (θ 2).
Hier werden Einfalls- und Brechungswinkel als θ1 bzw. θ2 bezeichnet. Die Größen n1, n2 geben die Lichtgeschwindigkeit in jedem Medium wieder. Sie werden die Brechungsindizes der Medien genannt. Je größer n, desto langsamer bewegt sich das Licht in einem bestimmten Material. Zum Beispiel ist die Lichtgeschwindigkeit in Wasser 25% geringer als in Luft, daher beträgt der Brechungsindex 1,33 (für Luft 1).
Das Phänomen der Totalreflexion
Das Gesetz der Lichtbrechung führt zu einemein interessantes Ergebnis, wenn sich der Strahl von einem Medium mit großem n ausbreitet. Betrachten wir genauer, was in diesem Fall mit dem Balken passiert. Schreiben wir die Formel von Snell auf:
1 Sünde (θ1)=n2 Sünde (θ 2).
Wir nehmen an, dass n1>n2. Damit die Gleichheit wahr bleibt, muss in diesem Fall θ1 kleiner als θ2 sein. Diese Schlussfolgerung gilt immer, da nur Winkel von 0o bis 90o betrachtet werden, innerhalb derer die Sinusfunktion stetig ansteigt. Wenn also ein dichteres optisches Medium durch ein weniger dichtes ersetzt wird (n1>n2), weicht der Strahl stärker von der Normalen ab.
Erhöhen wir nun den Winkel θ1. Als Ergebnis wird der Moment kommen, in dem θ2 gleich 90o sein wird. Es tritt ein erstaunliches Phänomen auf: Ein Strahl, der von einem dichteren Medium emittiert wird, bleibt darin, das heißt, die Grenzfläche zwischen zwei transparenten Materialien wird undurchsichtig.
Kritischer Winkel
Der Winkel θ1, für den θ2=90o genannt wird entscheidend für das betrachtete Medienpaar. Jeder Strahl, der unter einem Winkel größer als der Grenzwinkel auf die Grenzfläche trifft, wird vollständig in das erste Medium reflektiert. Für den kritischen Winkel θc kann man einen Ausdruck schreiben, der direkt aus der Snellschen Formel folgt:
sin (θc)=n2 / n1.
Wenndas zweite Medium Luft ist, dann vereinfacht sich diese Gleichheit zu der Form:
sin (θc)=1 / n1.
Zum Beispiel ist der kritische Winkel für Wasser:
θc=arcsin (1 / 1, 33)=48, 75o.
Wenn Sie auf den Grund des Beckens tauchen und nach oben schauen, können Sie den Himmel und die Wolken sehen, die darüber nur über Ihrem eigenen Kopf hinwegziehen, auf der restlichen Wasseroberfläche sind nur die Wände des Beckens sichtbar.
Aus der obigen Überlegung geht hervor, dass Totalreflexion im Gegensatz zur Lichtbrechung kein umkehrbares Phänomen ist, sondern nur beim Übergang von einem dichteren zu einem weniger dichten Medium auftritt, aber nicht umgekehrt.
Totalreflexion in Natur und Technik
Der vielleicht häufigste Effekt in der Natur, der ohne Totalreflexion nicht möglich ist, ist der Regenbogen. Die Farben des Regenbogens sind das Ergebnis der Streuung von weißem Licht in Regentropfen. Wenn die Strahlen jedoch in diese Tröpfchen eindringen, erfahren sie entweder eine einfache oder eine doppelte interne Reflexion. Deshalb erscheint der Regenbogen immer doppelt.
Das Phänomen der inneren Totalreflexion wird in der Glasfasertechnik genutzt. Dank Lichtwellenleiter ist es möglich, elektromagnetische Wellen verlustfrei über große Entfernungen zu übertragen.
