Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Warto przeczytać

Jeśli na granicę dwóch ośrodków różniących się bezwzględnymi współczynnikami załamania pada światło pod pewnym kątem α od strony ośrodka o większym współczynniku załamania, możemy mieć do czynienia z trzema różnymi sytuacjami:

  1. zjawiskami: odbicia i załamania światła występującymi równocześnie, jeśli α < αIndeks dolny g (Rys. 1. – promień niebieski oznaczony numerem 1),

  2. zjawiskiem odbicia i specyficznym załamaniem światła – w którym kąt załamania jest równy 90Indeks górny o, a promień załamany „ślizga się” po granicy ośrodków – wtedy, gdy α = αIndeks dolny g (Rys. 1. – promień czerwony oznaczony numerem 2),

  3. tylko ze zjawiskiem odbicia światła, jeśli α > αIndeks dolny g (Rys. 1. – promień czarny oznaczony numerem 3).

W przypadku 3. cała energia padającego światła zostanie odbita do pierwszego ośrodka. Mówimy wówczas o zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia światła. Kąt αIndeks dolny g jest tak zwanym kątem granicznym, czyli maksymalnym kątem padania światła na granicę dwóch ośrodków, dla którego zachodzi zjawisko załamania.

RC7v8Hz7Q7tcL
Rys. 1. Jeśli kąt padania jest większy niż kąt graniczny αg, to wówczas mamy do czynienia jedynie z odbiciem światła (sytuacja oznaczona na rysunku numerem 3).
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia znalazło wiele zastosowań we współczesnym świecie. Wykorzystuje się je przede wszystkim w telekomunikacji do przesyłania informacji na znaczne odległości. Służą do tego światłowody, których budowa i zasada działania została omówiona w e‑materiale „Budowa i zasada działania światłowodu”. Wygląda to tak, że światło wprowadzone do światłowodu padając na granicę rdzenia i płaszcza (charakteryzującego się mniejszym współczynnikiem załamania) pod kątem większym niż kąt graniczny, ulega wyłącznie zjawisku odbicia. Następnie propaguje dalej, by ponownie trafić na granicę ośrodków i znowu ulec odbiciu. Sytuacja ta powtarza się wielokrotnie, a informacja przesyłana jest na znaczne odległości. Prezentuje to Rys. 2.

R1Opxej3kQynT
Rys. 2. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła umożliwia przesyłanie informacji w światłowodach.
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Dlaczego metoda ta zyskała tak ogromną popularność? Przede wszystkim przez to, że światłowody są dużo mniejsze, lżejsze i tańsze niż stosowane wcześniej przewody miedziane. Dodatkowo na przesyłaną informację nie mają wpływu zmiany temperatury czy oddziaływanie pola magnetycznego.

Identycznie jak w światłowodzie – promień rozchodzi się w wodzie. Aby to zaobserwować, można zrobić proste doświadczenie. W plastikowej butelce wypełnionej wodą robimy mały otwór. Woda zaczyna wyciekać, a struga ma charakterystyczny kształt paraboli. Następnie na ten strumień kierujemy wiązkę lasera (Rys. 3.).

RYG6n3PPX3X10
Rys. 3. Jeśli światło pada na granicę woda‑powietrze pod kątem większym niż αg, to w strużce wody można zaobserwować identyczne zachowanie promienia jak w przypadku światłowodu.
Źródło: Alberto Tufaile, Adriana P. B. Tufaile, dostępny w internecie: https://opg.optica.org/DirectPDFAccess/8F859CA8-6F83-4F31-9C514DBFAD019ED7_416846/ETOP-2019-11143_17.pdf [dostęp 2.01.2023], Materiał wykorzystany na podstawie art. 29 ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych (prawo cytatu).

Dlaczego światło „dopasowało” swój tor ruchu do strumienia wody? Odpowiedzią jest opisywane tutaj zjawisko. Strumień wody zachowuje się tak jak włókno światłowodowe. Gdy promień świetlny wprowadzony do wody pada na jej granicę z powietrzem pod kątem większym niż kąt graniczny, nie ulega załamaniu, a jedynie całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Tym samym światło nie wydostaje się poza strużkę wody. Na większą skalę sytuację tę można obserwować w czasie pokazów w warszawskim Multimedialnym Parku Fontann (Rys. 4.).

RC9mLtCCi4XSh
Rys. 4. To właśnie dzięki całkowitemu wewnętrznemu odbiciu światła w strumieniach wody możemy obserwować wspaniałe efekty wizualne w czasie pokazów – na przykład w warszawskim Multimedialnym Parku Fontann.
Źródło: Adrian Grycuk, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Warsaw_Multimedia_Fountain_Park_1.JPG [dostęp 17.11.2022], licencja: CC BY-SA 3.0.

Inną ważną dziedziną, w której zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła znalazło szereg zastosowań, jest medycyna. Tutaj trzeba powiedzieć przede wszystkim o możliwości zajrzenia do wnętrza organizmu bez wykonywania zabiegu chirurgicznego. Służy do tego urządzenie składające się z kilku scalonych ze sobą światłowodów. Zostało to wykorzystane przede wszystkim w endoskopiiendoskopiaendoskopii, która umożliwia wykonanie nieinwazyjnego badania, a także pobieranie wycinków i przeprowadzanie drobnych interwencji chirurgicznych (Rys. 5.).

R1GRz9mQhzGGY
Rys. 5. Endoskopia to badanie diagnostyczne polegające na wprowadzeniu do organizmu ludzkiego urządzenia – endoskopu – zbudowanego z trzech elementów: kamery, światłowodu oświetlającego jamę wnętrza ciała i kanału narzędziowego, pozwalającego na ewentualne wprowadzenie do organizmu narzędzi chirurgicznych.
Źródło: Linda Bartlett, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Endoscopy_nci-vol-1982-300.jpg [dostęp 17.11.2022].

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła znajduje zastosowanie również w lornetce w celu zwiększenia obszaru, który możemy obserwować (Rys. 6.). Jeśli przyjrzymy się dokładnie jej budowie, zobaczymy prostokątne, równoramienne pryzmaty, których celem jest zmiana kierunku biegu wiązki światła padającego. To właśnie dzięki temu, że światło padając na granicę szkło‑powietrze pod kątem większym od αIndeks dolny g, ulega zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia, straty energii w całym układzie są minimalne.

RkqrKlv7c1ljN
Rys. 6. Schemat budowy lornetki. Wyraźnie widoczne są dwa pryzmaty, w których światło ulega zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia.
Źródło: Antilived, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Binocularp.svg [dostęp 2.01.2023], licencja: CC BY-SA 3.0.

Jednym z najpopularniejszych i najbardziej znanych zastosowań omawianego zjawiska jest wykonywana w jubilerstwie obróbka kamieni. Polega ona na nadaniu szlifowanemu kamieniowi odpowiedniej formy i pokryciu go symetrycznymi płaszczyznami, tak by w jego wnętrzu zachodziło całkowite wewnętrzne odbicie, a około 80% promieni załamywało się. Dzięki temu możemy obserwować charakterystyczny blask brylantów (Rys. 7.).

R9c9RYqZkupRT
Rys. 7. Całkowite wewnętrzne odbicie światła jest wykorzystywane w jubilerstwie w czasie obróbki kamieni.
Źródło: dostępny w internecie: https://pixabay.com/photos/gems-jewellery-glass-ground-6902966/ [dostęp 17.11.2022].

Słowniczek

endoskopia
endoskopia

(ang. endoscopy) – ogólna nazwa zabiegów diagnostyczno‑leczniczych polegających na wprowadzeniu do organizmu aparatów umożliwiających przyjrzenie się poszczególnym narządom, narzędzi do pobrania materiału do badań bądź wykonywanie zabiegów. (z j. greckiego: endon - 'wewnątrz' oraz 'skopeo' - 'patrzę')