بازتاب داخلی کلی یا Total Internal Reflection چیست؟

بازتاب داخلی کلی یا Total Internal Reflection پدیده‌ای در انتشار نور است که بر اساس آن هنگامی که زاویه تابش نور از زاویه بحرانی بیشتر باشد، نور به جای شکستن و عبور از مرز دو محیط، به داخل محیط اول بازتاب داده می‌شود. همان طور که می‌دانید، به دلیل تفاوت سرعت نور در دو محیط مختلف، هنگامی که پرتوهای نور از یک محط به محیط دیگر وارد می‌شوند، در مرز آن دو محیط دچار شکست می‌شوند. بسته به اینکه نور از محیط رقیق به محیط غلیظ‌ وارد شود یا برعکس، پرتوهای نور مسیرهای مختلفی را طی خواهند کرد. با گذر نور از محیط رقیق به محیط غلیظ، نور تمایل دارد به محور عمودی نزدیک‌تر شود. اما اگر نور از محیط غلیظ وارد محیط رقیق شود، در نقطه برخورد از محور عمودی دورتر می‌شود. همچنین در مطالب قبلی وبلاگ پریسماتک به بررسی مفهوم ضریب شکست نور پرداختیم. با محاسبه ضریب شکست یک ماده و بر اساس قانون اسنل می‌توان مسیر پرتوهای نور هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر را تعیین کرد. در این مطلب قصد داریم به بررسی مفهوم بازتاب داخلی کلی بپردازیم.

بازتاب داخلی کلی

یکی از آزمایش‌های جالب فیزیک این است که پرتو نوری را به ضلع بلندتر یک منشور متساوی‌الساقین بتابانیم، در این حالت پرتو نور به صورت قائم از مرز منشور وارد آن می‌شود و بدون شکست به مسیر حرکت خود ادامه می‌دهد. این پرتو نور در یک خط مستقیم حرکت می‌کند تا به مرز دوم برخورد کند. حال به جای اینکه پرتو نور از این مرز دوم نیز عبور کند، تمام پرتو نور از مرز دو محیط منعکس می‌شود و از ضلع روبه‌رو در منشور عبور می‌کند. در تصویر زیر نمایی از این مفهوم نشان داده شده است.

این پدیده برای بسیاری افراد جالب است و در حالی که منتظر خروج نور از وجه دوم منشور هستند، با تعجب متوجه می‌شوند که نور از وجه سوم منشور به بیرون می‌آید. اما دلیل این پدیده چیست و چرا نور به جای شکست از وجه دوم، به درون منشور بازتاب می‌شود؟

همان طور که در مقدمه نیز اشاره شد، به این پدیده بازتاب داخلی کلی یا TIR می‌گویند. اگر کل پرتو نور تابش شده در مرز دو محیط بازتاب یابد، می‌گوییم بازتاب داخلی کلی رخ داده است. برای درک مفهوم بازتاب داخلی کلی با یک آزمایش فکری شروع می‌کنیم. فرض کنید که یک پرتابگر اشعه لیزر به درون مخزن آب افتاده است و جهت آن رو به بالا به سمت مرز آب و هوا است. حال فرض کنید که جهت شلیک پرتوهای لیزر به آرامی تغییر می‌کند. ابتدا با زاویه پرتاب‌های کوچک شروع و سپس به مقادیر بزرگ و بزرگ‌تر می‌رسد. در این حالت انتظار دیدن چه نتایجی را دارید؟

اگر با مفهوم رفتار مرزی (boundary behavior) نور آشنا باشیم، قطعا می‌دانیم که همانند تصویر زیر باید انتظار دیدن هم پرتوهای شکست (refraction) و هم پرتوهای بازتاب (reflection) را داشته باشیم. در اکثر مواقع این پیش‌بینی درست است، اما گاهی هم اتفاق دیگری رخ می‌دهد. می‌توان مشاهده کرد که شدت نور بازتاب شده و شکسته شده یکسان باقی نمی‌مانند. در زوایای تابش نزدیک به صفر، بخش اعظم پرتو نور از مرز دو محیط‌ عبور می‌کند و بخش کمی از آن بازتاب می‌شود. اما هرچقدر زاویه تابش بزرگ و بزرگ‌تر می‌شود، می‌توان مشاهده کرد که بخش بیشتری از نور دچار بازتاب می‌شود و بخش کمتری از نور شکسته شده و از مرز محیط خارج می‌شود. به همین دلیل، هرچقدر زاویه تابش بزرگ‌تر می‌شود، شدت نور پرتوهای شکسته شده کمتر و شدت نور پرتوهای بازتاب شده بیشتر می‌شود.

در نهایت مشاهده می‌کنیم که با افزایش زاویه تابش، دیگر زاویه شکست با زاویه بازتاب برابر نخواهد بود. از آنجا که پرتو نور پس از شکست از محور عمودی دور می‌شود، پس زاویه شکست بزرگ‌تر از زاویه تابش می‌شود. چون زاویه تابش و زاویه بازتاب با هم برابر هستند، پس در این حالت زاویه شکست بزرگ‌تر از زاویه بازتاب نیز خواهد بود. با افزایش زاویه تابش، زاویه شکست تقریبا به زاویه ۹۰ درجه نزدیک می‌شود.

بیشترین مقدار ممکن برای زاویه شکست ۹۰ درجه است. به مقدار زاویه تابش نوری که به ازای آن زاویه شکست برابر با ۹۰ درجه باشد، زاویه بحرانی (critical angle) می‌گویند. زاویه بحرانی را می‌توان با دانستن ضریب شکست دو محیط به سادگی با استفاده از قانون اسنل محاسبه کرد. قانون اسنل به صورت زیر است:

پس اگر به عنوان مثال، مقادیر فرضی n_i = 1.33 و n_r = 1.000 و زاویه شکست ۹۰ درجه باشند، آن‌گاه زاویه برخورد برابر با ۴۸.۶ درجه به دست می‌آید. حال هر زاویه تابش که بزرگ‌تر از ۴۸.۶ درجه باشد، دیگر منجر به شکست نور نمی‌شود. در عوض، به ازای این زوایای تابش تمام پرتوهای نور به درون محیط اول بازتاب می‌شوند. به این پدیده بازتاب داخلی کلی می‌گویند.

دو شرط ضروری برای بازتاب داخلی کلی

بازتاب داخلی کلی یا TIR پدیده‌ای است که تمام انرژی پرتو نور تابانده شده از مرز به محیط مبدا نور بازتاب می‌شود. اما باید توجه کرد که بازتاب داخلی کلی فقط زمانی اتفاق می‌افتد که دو شرط زیر وجود داشته باشد:

• پرتو نور از محیط متراکم‌تر به محیط رقیق‌تر تابانده شود.
• زاویه تابش بزرگ‌تر از زاویه بحرانی باشد.

بنابراین، تا زمانی که نور از محیط با چگالی نوری بزرگ‌تر به محیط با چگالی نوری کمتر تابانده نشود، بازتاب داخلی کلی رخ نمی‌دهد. پرتو نوری که از هوا به درون آب منتشر می‌شود، دچار بازتاب داخلی کلی نمی‌شود. اما اگر همان پرتو از آب به هوا تابانده شود و زاویه تابش نیز بزرگتر از زاویه بحرانی باشد، قطعا بازتاب داخلی کلی رخ می‌دهد. دلیلی این امر این است که نور زمانی دچار بازتاب داخلی کلی می‌شود که زاویه شکست قبل از زاویه تابش به ۹۰ درجه برسد. تنها راه برای اینکه زاویه شکست بزرگ‌تر از زاویه تابش باشد این است که نور از محور عمود دور شود. چون پرتو نور تابشی تنها زمانی از محور عمود دور می‌شود که از محیط چگال‌تر به محیط رقیق‌تر تابانده شود، بنابراین این شرط برای بازتاب داخلی کلی ضروری است.

بر اساس شرط دوم، بازتاب داخلی کلی فقط در زوایای تابش بزرگ‌تر از زاویه بحرانی رخ می‌دهد. بنابراین اگر نور از آب به هوا تابانده شود، برای زوایای تابش بزرگ‌تر از ۴۸.۶ درجه بازتاب داخلی کلی اتفاق می‌افتد. این زاویه مخصوص مرز آب و هوا است. برای تعیین زاویه بحرانی باید به ماده دو محیط اطراف مرز دقت کرد. مثلا برای مرز شیشه و هوا، زاویه بحرانی برابر با ۴۱.۱ درجه است. همچنین زاویه بحرانی برای مرز الماس و هوا ۲۴.۴ درجه و برای الماس و آب ۳۳.۴ درجه است. در تصویر زیر در سمت چپ نمایی از تابش با زاویه بحرانی و در سمت راست بازتاب داخلی کلی نشان داده شده است.

لوله‌کشی نور و فیبرهای نوری

برای نمایش مفهوم بازتاب داخلی کلی از تصاویر مختلفی استفاده می‌شود. در برخی از این تصاویر، یک پرتو نور لیزر همانند تصویر زیر، به داخل لوله پلاستیکی پیچ‌دار تابانده می‌شود. پلاستیک به عنوان یک لوله نور عمل می‌کند و نور را از طریق پیچ‌ها هدایت می‌کند تا در نهایت از سمت دیگر آن خارج شود. هنگامی که نور وارد پلاستیک شود، در محیط متراکم‌تر قرار می‌گیرد. هر بار که نور به مرز پلاستیک-هوا برخورد می‌کند، زاویه تابش بیشتر از زاویه بحرانی است. در این هنگام دو شرط لازم برای TIR برآورده می‌شوند. تمام نور تابانده شده به مرز پلاستیک-هوا در داخل پلاستیک باقی می‌ماند و بازتاب داخلی کلی صورت می‌گیرد.

از این تصویر برای توضیح اصول کاری فیبرهای نوری (optical fibers) استفاده می‌شود. استفاده از یک رشته طولانی پلاستیک (یا مواد دیگر مانند شیشه) برای انتقال نور از یک سر محیط به سر دیگر، اساس استفاده امروزی از فیبرهای نوری است. فیبرهای نوری در سیستم‌های ارتباطی و جراحی‌های کوچک استفاده می‌شوند. به این دلیل که بازتاب داخلی کلی در داخل فیبرهارخ می‌دهد، هیچ انرژی تابشی به دلیل عبور نور از مرز از بین نمی‌رود و شدت سیگنال ثابت می‌ماند.

یکی دیگر از آزمایش‌های رایج فیزیک شامل استفاده از یک بطری بزرگ پر از آب و پرتو لیزر است. همانند تصویر زیر، کنار بطری سوراخ کوچکی وجود دارد که وقتی چوب پنبه از بالای بطری برداشته می‌شود، آب از کنار بطری به بیرون جاری می‌شود. سپس پرتو نور لیزر از طرف مقابل سوراخ، از طریق آب و به جریان در حال سقوط به داخل بطری تابانده می‌شود. نور لیزر از طریق سوراخ از بطری خارج می‌شود اما همچنان در آب است. هنگامی که جریان آب به عنوان یک پرتابه در امتداد یک مسیر سهموی به سمت زمین شروع به سقوط می‌کند، نور لیزر به دلیل بازتاب داخلی کلی در داخل آب به دام می‌‌افتد. نور با قرار گرفتن در محیط متراکم‌تر (آب) و رفتن به سمت مرزی با محیط کمتر متراکم (هوا) و قرار گرفتن در زوایای تابش بیشتر از زاویه بحرانی، هرگز از جریان آب خارج نمی‌شود. در واقع، جریان آب به عنوان یک فیبر نور عمل می‌کند تا پرتو لیزر را در طول مسیر خود هدایت کند.

اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:

کاربرد رفرکتومتر در صنایع غذایی

فلومتر جابجایی مثبت ـــ از صفر تا صد

کاربرد رفرکتومتر در صنعت نیشکر

هدایت الکتریکی یا کنداکتیویتی چیست؟

رفرکتومتر زاویه بحرانی

رفرکتومتر قهوه

گیج فشار یا پرشر گیج چیست؟

پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره های شرکت تماس بگیرید.

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی

انواع کنداکتیویتی مترها