Эффект полного внутреннего отражения

Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. Коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

В оптике это явление наблюдается для широкого спектра электромагнитного излучения, включая рентгеновский диапазон.

В геометрической оптике явление объясняется в рамках закона Снеллиуса. Учитывая, что угол преломления не может превышать 90°, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего показателя преломления к большему показателю, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.

Угол представляет собой наименьший угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение. Его называют предельным или критическим углом. Используется также наименование «угол полного отражения»^[1].

18. Поглощение излучения в прозрачной диэлектрической среде

С макроскопической точки зрения распространение света в веществе и его взаимодействие с веществом описывается теорией электромагнитного поля Максвелла. Для микроскопического описания взаимодействия света с веществом волновых представлений оказывается недостаточно, и свет рассматривают как поток фотонов, квантов электромагнитного поля. Единство квантово-волновых представлений о природе света (корпускулярно-волновой дуализм) выражает фундаментальное свойство природы, заключающееся в том, что всем микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные, и волновые свойства. В физике разработан принцип соответствия между различными представлениями, очерчены границы применения соответствующих теорий. Настоящая работа связана с явлениями, которые могут быть описаны в рамках классических волновых представлений о природе света.

На границе раздела двух сред луч падающего света испытывает отражение и преломление. В соответствии с законом сохранения энергии интенсивности падающего I 0 пад, отраженного I 0 отр и преломленного (проходящего в вещество) I 0 пр лучей связаны соотношением:

, (1)

Где индекс “0” относится к интенсивностям на поверхности раздела сред. Интенсивностью называется средняя за период колебания энергия, переносимая через единичную площадку, перпендикулярную световому лучу.

При прохождении внутрь вещества часть энергии света поглощается (переходит во внутреннюю энергию), часть рассеивается, так что интенсивность проходящего через слой вещества уменьшается по сравнению с интенсивностью на входе. Рассеяние возникает на неоднородностях среды, а в однородных средах им можно пренебречь и представить интенсивность проходящего света в виде двух слагаемых:

I 0 пр= I погл + I прох (2)

Подставив (2) в (1) и разделив на I 0 пад, получим соотношение между коэффициентами отражения R, поглощения k и пропускания τ света:

R + k +τ=1 (3)

где R = I 0 отр/ I 0 пад, k = I погл/ I 0 пад, τ= I прох/ I 0 пад. Эти коэффициенты существенно различаются для веществ различной природы. Для металлов характерны большие значения коэффициентов R и k. Особенно велик коэффициент отражения (R ~ 0,99). Кроме того, металлы сильно поглощают свет, поэтому, если слой не очень тонкий, то металл практически не пропускает свет. Для диэлектриков коэффициент отражения существенно меньше, и многие из них прозрачны в оптическом диапазоне.

Для всех веществ коэффициенты поглощения, отражения и пропускания зависят от длины волны, причем зависимости эти имеют саамы разнообразный характер. Настоящая работа посвящена изучению явления поглощения на основе измерения коэффициента пропуская τ.

Поглощением света называют явление поглощения энергии световой волны, происходящее вследствие ее перехода во внутреннюю энергию или энергию вторичного излучения другого спектрального состава и других направлений распространения (фотолюминесценцию).

Поглощение света описывается законом Бугера, согласно которому I плоской волны проходящего[1] монохроматического света экспоненциально уменьшается в зависимости от толщины слоя вещества:

I = I 0 exp(–α x), (4)

где I и I 0 – интенсивности света на входе и выходе из слоя среды толщиной x; α – линейный коэффициент поглощения. Величина α зависит от химической природы и состояния вещества и от длины волны света λ. Закон (4), установленный Бугером экспериментально, был теоретически выведен Ламбертом из простого предположения, что уменьшение интенсивности на величину dI при прохождении слоя толщиной dx прямо пропорционально I и dx:

dI = –α Idx dI, откуда в результате интегрирования следует (4).