Całkowite odbicie wewnętrzne

Całkowite odbicie wewnętrzne to szczególny przypadek odbicia, zachodzący dla fal. Najbardziej znanym przykładem tego zjawiska, jest ten dotyczący światła. Występuje on na granicy ośrodków o zróżnicowanym współczynniku załamania. Zasada jego działania jest prosta - światło, które pada na granicę od strony ośrodka o większym współczynniku załamania, pod kątem o większej wartości niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka, ale ulega całkowitemu odbiciu. Zależność tą odkryto około 1840r., co ciekawe dokonała tego niezależnie od siebie dwójka naukowców – Jean-Daniel Colladon oraz Jacques Babinet. Wzory i teoretyczny opis zjawiska można znaleźć tutaj W tym artykule zajmiemy się natomiast praktycznym występowaniem tego zjawiska.

Całkowite odbicie wewnętrzne w światłowodach

Zjawisko całkowitego odbicia wewnętrznego jest wykorzystywane przede wszystkim w telekomunikacji i medycynie. Jednym z najbardziej praktycznych, współczesnych wynalazków, wykorzystujących omawiany przypadek odbicia są światłowody. Są one stworzone z giętkich, drobnych włókien wykonanych ze szkła kwarcowego lub plastiku. Przekazują one światło z jednego położenia do kolejnego, dzięki kilku odbiciom promienia świetlnego od wewnętrznych ścian. Promień ów porusza się obok skrętów włókna i jego załamań. W światłowodach światło skierowane jest do góry, ponieważ występujące kolejno odbicia cieplne powodują, że gdy promień świetlny będzie na wierzchołku to wydostaje się z niego.

W zakresie medycyny używa się ich głównie do produkcji endoskopów – aparatów medycznych służących do oglądania organów wewnętrznych człowieka w sposób nie wymagający przeprowadzenia operacji. Umożliwiają one dostęp do np. przewodu pokarmowego, żołądka czy płuc, a nawet dużych naczyń krwionośnych. Część włókien endoskopu używana jest aby oświetlić pole widzenia, pozostałe stosowane są do obserwacji. Po odbiciu światło powraca innym światłowodem. Aby uniknąć zniekształceń obrazu w endoskopach stosuje się włókna nieprzeplatane. Warto wiedzieć, że światłowody są stosowane nawet w lampach stomatologicznych, służących do oświetlenia trudno dostępnych obszarów w jamie ustnej.

Wspomnieliśmy również, że występują one w telekomunikacji. Jest tak dlatego, że światło ma szczególnie przydatną właściwość. Pomimo wielokrotnych odbić, potrafi przebyć bardzo duże odległości, nawet po drogach o falistej strukturze i to bez zmian w natężeniu. Światłowody, które pozwalają na takie „przemieszczanie” światła zastępują w przekazie informacji niegdyś stosowane przewody miedziane, które były dużo większe, cięższe i przede wszystkim bardzo kosztowne.
W praktyce oznacza to, że przy transferach znacznych ilości danych, połączeniach telefonicznych czy szeroko pojętej telekomunikacji dominować będą połączenia światłowodowe. Wartość światłowodów jest o tyle wysoka, że światło wskutek niewielkiej długości fali może być nośnikiem znacznej ilości informacji. Na dodatek, porównując je do prądu elektrycznego, nie jest ono czułe na temperaturę, czy przekształcenia pola magnetycznego. Stanowi również bezpieczny nośnik – znaki świetlne nie ulegają zaburzeniom i nie da się ich podsłuchiwać.

Całkowite odbicie wewnętrzne w innych zastosowaniach

Warto wiedzieć, że całkowite odbicie wewnętrzne występuje również naturalnie, w przyrodzie. Sierść niedźwiedzi polarnych dla światła jest przejrzysta. Następuje odbicie światła od nierównej powierzchni, przykrywającej wnętrze zagłębienia przy każdym z włosów. Łapią one jeszcze promieniowanie nadfioletowe, które potem przechodzi do skóry, podobnie jak w światłowodzie. Dzięki temu mają one charakterystyczny biały kolor. Skóra zwierzęcia pochłania natomiast każdy typ energii słonecznej i dlatego ma kolor czarny. Można powiedzieć, że niedźwiedź polarny jest jednocześnie biały i czarny, a na dodatek wciąż ciepły.

Omawianą właściwość fal świetlnych wykorzystuje się również w pryzmatach. Specjalnie wykonane pryzmaty prostokątne równoramienne są stosowane do zmiany biegu promienia w lornetce i refraktometrze. Z dobrodziejstw odbicia wewnętrznego korzystają również odblaski. Dotychczas stosowane były światła odblaskowe, których wadą jest, że posiadają niewielki limit kątów, w których wykonują swoją pracę. Aby wyeliminować tę niedoskonałość coraz częściej wykorzystuje się paseczki pomalowane farbą, która ma w sobie małe, szklane kuleczki. Ich odblask powstaje na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia wewnątrz kulek i dzięki temu tak łatwo dostrzegamy je w nocy, niezależnie od kąta padania światła.

Co ciekawe odbicie wewnętrzne całkowite stosowane jest również w jubilerstwie. Jest to bardzo użyteczne zjawisko przy doskonaleniu kamieni szlachetnych np. diamentów. Za kryterium, przy ich wygładzaniu do postaci brylantu, przyjmuje się aby całkowicie załamywało się w nim 80% promieni. Te, które padają od środka pod kątami większymi niż kąt graniczny ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, a potem, po załamaniu, wydostają się na zewnątrz. Dzięki temu możemy zaobserwować mieniący się odblask diamentu.