Phản xạ toàn phần

ĐỀ MỤC
II.1. Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang hơn
II.2. Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang kém hơn
II.3. Sự phản xạ toàn phần
II.4. Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần
II.5. Một số hiện tượng bắt gặp liên quan 

NỘI DUNG

II.1. Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang hơn
Khi n₁ < n₂ thì i > r: tia khúc xạ lại gần pháp tuyến và môi trường (2) chiết quang hơn môi trường (1).

Khi góc tới i tăng dần thì góc khúc xạ r cũng tăng dần nhưng luôn luôn nhỏ hơn i. Góc i có thể lấy các giá trị từ 0⁰ tới 90^0.

Đối với tia S₁I vuông góc với mặt phân cách: một phần của tia sáng bị phản xạ trở lại, phần còn lại đi qua mặt phân cách không đổi phương.

Đối với tia S₂I: một phần của tia sáng phản xạ trở lại theo đường IS₂’, phần còn lại khúc xạ theo đường IR₂.

Đối với tia S₃I có góc tới đạt giá trị lớn nhất bằng 90⁰: không còn có tia phản xạ, chỉ còn tia khúc xạ có góc khúc đạt một giá trị giá trị lớn nhất là r_gh gọi là góc khúc xạ giới hạn được tính như sau:

Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng: n₁sin90⁰ = n₂sinr_gh

_{Suy ra:} sinr_{gh =} n_1/n₂

Như vậy, trong trường hợp ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất nhỏ hơn sang môi trường có chiết suất lớn hơn thì luôn luôn có tia khúc xạ trong môi trường thứ hai.

Ta có thể quan sát qua thí nghiệm sau khi chiếu tia sáng từ không khí sang khối bán trụ:

II.2 Sự truyền ánh sáng vào môi chiết quang kém hơn (n₁ > n₂)

Khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn n₁ > n₂ thì i < r ( tia khúc xạ đi lệch xa pháp tuyến hơn). Ví dụ: ánh sáng truyền từ thủy tinh ra không khí, nước sang không khí, từ thuỷ tinh sang không khí, từ thuỷ tinh sáng nước, ….Khi góc tới tăng thì góc khúc xạ tăng. Theo định luật bảo toàn năng lượng thì năng lượng của tia tới được phân bố cho tia phản xạ và tia khúc xạ. Nên khi góc tới càng tăng thì cường độ của tia phản xạ càng tăng và cường độ của tia sáng khúc xạ càng giảm. Khi góc khúc xạ đạt đến giá trị cực đại 90⁰, tức là cường độ của tia sáng khúc xạ giảm đến không thì góc tới đạt giá trị i_gh gọi là góc tới giới hạn thỏa mãn định luật khúc xạ .

Khi góc tới lớn hơn góc tới giới hạn i_gh, ánh sáng không đi vào môi trường thứ hai, toàn bộ ánh sáng sẽ bị phản xạ và cường độ của tia phản xạ bằng cường độ của tia tới. Lúc đó ta có hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra tại mặt phân cách giữa hai môi trường. Góc i_gh được gọi là góc giới hạn phản xạ toàn phần.

Ta có thể quan sát qua video sau khi chiếu tia sáng đi từ khối bán trụ ra không khí:

II.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần (total reflection)

Phản xạ toàn phần là hiện tượng trong đó toàn bộ tia sáng tới mặt phân cách hai môi trường trong suốt chỉ cho tia phản xạ, không cho tia khúc xạ.

Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần

- Ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn n₁ > n₂.

- Góc tới phải lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn i ≥ i_gh

Dấu “=” ở đây chỉ trường hợp giới hạn, hiện tượng phản xạ toàn phần bắt đầu xảy ra.

II.4  Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần

1.  Cáp quang

a) Cấu tạo
-Phần lõi bằng thủy tinh siêu sạch có chiết xuất n1
-Phần vỏ bọc cũng trong suốt, bằng thủy tinh có chiết suất n2 nhỏ hơn n1
-Ngoài cùng có thêm lớp vỏ bọc bằng nhựa dẻo để tạo cho cáp quang độ bền và độ dai cơ học.

Cáp quang gồm 1 bó sợi quang

b) Đường đi của tia sáng trong sợi quang

- Chùm tia sáng khi đi vào sợi quang bị khúc xạ. Tia khúc xạ tới mặt tiếp xúc giữa lõi và vỏ dưới góc tới lớn hơn góc tới giới hạn và bị phản xạ toàn phần.
- Sau một loạt phản xạ liên tiếp như trên, tia sáng được dẫn qua sợi quang và ra ngoài mà cường độ ánh sáng bị giảm không đáng kể.

c) Công dụng 

-Trong công nghệ thông tin: cáp quang dùng để truyền thông tin, truyền dữ liệu. Một hệ truyền thông tin dùng cáp quang gồm ba bộ phận chính: Một máy phát biến đổi các tín hiệu điện thành tín hiệu quang, một cáp quang có nhiệm vụ truyền tín hiệu này đi và một máy thu nhận các tín hiệu ra ở đầu thứ hai của cáp quang và biến chúng trở lại các tín hiệu điện. Ưu điểm: dung lượng tín hiệu truyền đi lớn gấp hàng nghìn lần so với cáp kim loại cùng đường kính; nhỏ và nhẹ, dễ vận chuyển, dễ uốn nắn; ít bị nhiễu bởi trường điện từ bên ngoài, bảo mật tốt; không có rủi ro cháy.

-Trong y học: cáp quang dùng để nội soi (endoscopy). Loại cáp này gồm các sợi quang rất nhỏ, mỗi sợi thu ảnh của một phần bộ phận và các sợi này phải có vị trí nhất định trong bó sợi để tạo ảnh trung thực của bộ phận cần quan sát. Hiện nay, người ta có thể chế tạo 5.10⁴ sợi cho 3mm đường kính cáp. Bác sĩ có thể  quan sát một vết loét dạ dày của bệnh nhân khi đưa hai bó cáp quang vào trong họng bệnh nhân. Ánh sáng đưa vào đầu ngoài của một bó, phản xạ toàn phần nhiều lần ở trong bó sợi quang thứ nhất. Một phần ánh sáng phản xạ từ thành trong của dạ dày đi ngược lại bó thứ hai theo kiểu bó thứ nhất và được thu nhận để chuyển thành hình ảnh trên màn vô tuyến.

d) Ưu điểm:
-Dung lượng tín hiệu lớn
-Nhỏ nẹ, dễ vận chuyển 

-Không có rủi ro cháy

2. Lăng kính phản xạ toàn phần

Lăng kính phản xạ toàn phần là khối thủy tinh hình lăng trụ đứng, có tiết diện thẳng là một tam giác vuông cân.

Có 2 cách sử dụng lăng kính phản xạ toàn phần:

- Chiếu tia tới vuông góc với mặt bên, tia sáng đi trong lăng kính sẽ phản xạ toàn phần trên mặt huyền của lăng kính.

- Chiếu tia tới vuông góc với mặt huyền của lăng kính, tia sáng sẽ bị phản xạ toàn phần  lần liên tiếp trên hai mặt bên. 

Lăng kính phản xạ toàn phần được dùng thay cho gương phẳng trong một số dụng cụ quang học như ống nhòm, kính tiềm vọng vì nó có ưu điểm là không cần lớp mạ và tỉ lệ phần trăm ánh sáng phản xạ rất lớn. -Người ta dùng lăng kính phản xạ toàn phần trong các kính tiềm vọng ở các tàu ngầm để làm đổi phường truyền của tia sáng. Nhờ kính tiềm vọng, thủy thủ ở dưới tàu ngầm có thể quan sát được các hoạt động diễn ra trên mặt biển.

 - Tương tự với máy ảnh, ống nhòm: lăng kính phản xạ toàn phần để tạo ảnh thuận chiều.

II.5. Một số hiện tượng bắt gặp liên quan 

1. Hiện tượng ảo ảnh quang học thường xảy ra ở hai trường hợp sau

• Trường hợp chiết suất không khí càng lên cao càng tăng (ảo tượng xứ nóng)

Ví dụ : Khi người đi trên sa mạc nóng bỏng, họ thấy từ xa một vũng nước có in hình bóng cây. Nhưng khi đi lại gần, họ chỉ thấy cây mọc trên cát khô. Ta có thể giải thích như sau: Lớp không khí gần mặt cát trên sa mạc nhận nhiệt tỏa ra từ mặt cát nóng nên gồm nhiều lớp không khí nóng có chiết suất tăng dần theo độ cao, càng lên cao chiết suất càng tăng. Với tia sáng từ đỉnh A của cây truyền qua lớp không khí trên cao có chiết suất n­₁ xuống lớp không khí phía dưới có chiết suất n₂, sẽ bị gãy khúc với góc khúc xạ lớn hơn góc tới (n₁ > n₂). Tia sáng này bị gãy khúc liên tiếp đến khi gặp lớp khí mà tại đó góc tới lớn hơn góc giới hạn, thì tia sáng sẽ bị phản xạ toàn phần và và hắt lên. Do bề dày lớp không khí mỏng nên đường gãy khúc trở thành đường cong đi xuống và rồi đi lên đến mắt người quan sát B. Như vậy, người quan sát đồng thời sẽ thấy đỉnh của cây do các tia sáng trực tiếp từ đỉnh của cây truyền tới mắt và nhìn thấy ảnh đối xứng với đỉnh của cây qua mặt đất do các tia sáng phản xạ toàn phần. Nên người quan sát nhìn thấy một vũng nước có in hình bóng cây. Tùy theo gradien của nhiệt độ theo chiều từ dưới lên trên là lớn hay nhỏ mà khoảng cách AB (từ cây đến người quan sát) có thể  từ vài chục mét đến vài trăm kilômét.

Ảo ảnh trên sa mạc

Một hiện tượng thường thấy: vào những ngày nóng nực mùa hè, người đi đường thường nhìn thấy vũng nước trên mặt đường nhựa ở xa phía trước, nhưng khi lại gần thì thấy mặt đường vẫn khô ráo. Vũng nước mà người đi đường nhìn thấy chỉ là ảnh phản chiếu của bầu trời trên con đường nhựa quá nóng. Hiện tượng đó cũng được giải thích tương tự như hiện tượng trên.

Ảo ảnh trên đường nhựa

• Trường hợp chiết suất không khí càng lên cao càng giảm (ảo tượng xứ lạnh)

Ví dụ: Ở xứ lạnh, về mùa đông, ban ngày, các lớp không khí ở tiếp giáp mặt biển, hay tuyết trên mặt đất có nhiết độ thấp do đó có mật độ thấp và chiết suất lớn. Những lớp không khí ở trên cao được sưởi ấm bởi mặt trời do đó có mật độ nhỏ, chiết suất nhỏ. Nếu có một tia sáng xuất phát ra từ một điểm A trên mặt đất đi lên dưới góc tới đủ lớn thì lên đến một lớp không khí trên cao nó xẽ bị phản xạ toàn phần và bẻ cong đi xuống vào mắt người quan sát B (ngược lại với trường hợp trên). Vì vậy có thể nhìn thấy một số vật nằm ở khuất dưới đường chân trời lại được nhìn thấy trên bầu trời (như con tàu hoặc hòn đảo hiện trên bầu trời). Do độ cong của các tia qua các lớp không khí có chiết suất thay đổi rất yếu nên hiện tượng ảo ảnh này thường xảy ra ở vùng nước rộng. Khoảng cách AB có thể lên đến vài trăm kilômét.

Ảo ảnh con tàu trên bầu trời

2. Vẻ đẹp rực rỡ của kim cương

Kim cương là một tinh thể đối xứng có cấu trúc lập phương và chứa những nguyên tử cacbon bậc 4. Khối lượng riêng của kim cương là 3,52 g/cm³.

Chiết suất của kim cương rất lớn n =2,42. Khi kim cương ở trong không khí, góc giới hạn của tia sáng tới bề mặt của viên kim cương thường có giá trị khá nhỏ ( i_ghcỡ  24⁰). Nên khi tia sáng rọi tới một mặt, nó sẽ bị khúc xạ, đi vào trong viên kim cương và bị phản xạ toàn phần nhiều lần giữa các mặt của viên kim cương trước khi ló ra ngoài, nên ta thấy ánh sáng từ viên kim cương lóe ra rất sáng.

Kim cương có khả năng tán sắc tốt, do có chiết suất biến đổi nhanh với bước sóng ánh sáng. Điều này giúp kim cương biến những tia sáng trắng thành những màu sắc lấp lánh nhiều màu, tạo nên sức hấp dẫn riêng của kim cương khi là một món trang sức.

3. Cầu vồng

Trước hoặc sau cơn mưa hay bên cạnh thác nước, không khí chứa nhiều giọt nước hình cầu. Ánh sáng mặt trời khúc xạ vào bên trong giọt nước, phản xạ toàn phần ở mặt phân cách giữa không khí và giọt nước rồi khúc xạ trở ra .

Cầu vồng sau cơn mưa