Refracción, reflexión y ¿qué es la reflexión total?

Dejando a un lado la reflexión interna total por ahora, cada vez que la luz cruza un límite de índice de refracción, siempre hay algo de reflexión y algo de refracción.

La refracción se entiende fácilmente. En una pregunta anterior estableciste que para cualquier índice de refracción > 1 la velocidad de la luz en el medio$v$es más lento que$c$. Sin embargo la frecuencia$f$de la luz sigue siendo el mismo. Dado que la longitud de onda$\lambda$de la luz está dada por$\lambda = v/f$esto significa que la longitud de onda de la luz disminuye.

Como muestra este diagrama (grabado descaradamente por Google), si la longitud de onda disminuye, la dirección del rayo de luz tiene que cambiar. El cambio de dirección se llama refracción.

Para la reflexión, no puedo pensar en una forma esquemática simple de mostrar por qué siempre hay reflexión. Cuando calculamos el reflejo, usamos el principio de que el campo eléctrico de la luz debe ser continuo en el límite. Si sumas el campo en los dos lados del límite, encuentras que siempre que hay refracción, siempre hay algún reflejo para equilibrarlo.

La reflexión interna total solo ocurre cuando la luz pasa de un medio con un índice de refracción más alto a un medio con un índice de refracción más bajo. La forma más fácil de ver por qué sucede se describe a continuación.

En el diagrama de arriba la ley de Snell nos dice que:

A medida que la luz pasa del agua al aire, el rayo de luz siempre se desvía de la normal y se dirige hacia la superficie del agua. El problema es que hay un valor de$\theta_{water}$en el que la luz se dobla hasta que es paralela a la superficie del agua, es decir$\sin\theta_{air} = 1$. Esto sucede cuando:

Para valores de$\theta_{water}$mayor que este valor crítico, ninguna luz puede escapar del agua, por lo que toda la luz se refleja de nuevo en el agua. Esta es la reflexión interna total.

1) Reflexión : cuando un haz de luz golpea la superficie de un medio transparente como el vidrio o el agua que tiene una gran cantidad de átomos muy juntos, algunos de los fotones de luz se dispersan hacia atrás desde la interfaz (que separa el medio de aire del agua). ) que nosotros lo llamamos Reflection . Por supuesto, la mayoría de los objetos reflejan la luz visible. La porción de ondas de luz reflejadas varía según las diferentes interfaces. Podríamos concluir que, "Sin Reflexión, no seríamos capaces de ver nada ".

Según las leyes de las leyes de la reflexión:

• El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión ($\theta_i=\theta_r$o simplemente$i=r$). El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal dibujada en la superficie en el punto de incidencia, todos se encuentran en el mismo plano.

2) Refracción : Las ondas a menudo viajan de un medio a otro. Cuando cambian de medio, a menudo cambian de dirección. La luz viaja más lentamente en el vidrio y otros objetos transparentes que en el aire. Este cambio de dirección y su cámara lenta está determinada por el índice de refracción$\mu$de materiales

Para aire,$\mu=1$y para cualquier otro material que no sea aire,$\mu>1$. No debe ser menos de uno. Si lo fuera, habría refutado rotundamente la Teoría de la Relatividad . También hay que señalar que el rayo de luz se desvía hacia la normal cuando pasa de un medio más raro a un medio más denso y viceversa. Cuando ve un tanque de vidrio (lleno de agua) desde la parte superior, la superficie inferior del tanque parece más cercana de lo que parece desde cualquier lado. Entonces, deberías pensar en la refracción..!

Según las leyes de la refracción:

• El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal dibujada en la superficie en el punto de incidencia, todos se encuentran en el mismo plano. Por la ley de Snell, ($i$= ángulo de incidencia,$r$= ángulo de refracción) $$\mu=\frac{sin\theta_i}{sin\theta_r}$$

Sea AB el rayo de luz que incide con un ángulo$i$en un medio de refracción XY de índice de refracción$\mu$y refractado en un ángulo$r$. NN' sea la normal dibujada en la superficie.

( Medio más raro y más denso: el medio más denso tiene un índice de refracción mayor que el del medio más raro. El medio más denso debe ser cualquier medio que no sea aire o vacío)

3) Reflexión interna total : cuando un rayo de luz AO pasa de un medio más denso a un medio más raro, la luz se refleja parcialmente a lo largo de OB y ​​se refracta en$r$a lo largo de OC. Como puedes ver, hay tres casos... Cuando el ángulo de incidencia$i$está incrementado,$r$también aumenta (a medida que pasa de un medio más denso a uno más raro, la luz se desvía del NN' normal). Como$i$se incrementa aún más a un ángulo más alto,$r$se convierte$90^o$y el rayo de luz roza la interfaz que separa los dos medios. Este ángulo se llama ángulo crítico (digamos$c$o$\theta_c$). A medida que el ángulo de incidencia aumenta por encima del ángulo crítico (es decir)$i>c$,

De acuerdo con las teorías ondulatorias, para que ocurra la reflexión interna total:

• La luz debe viajar de un medio más denso a un medio más raro.
• El ángulo de incidencia debe ser mayor que el ángulo crítico (es decir)$i>c$.

Si la luz viaja de un medio a otro, se produce una refracción. Si consideramos que la luz viaja del aire al vidrio, aquí el aire es el medio más raro. Por lo tanto, la luz tenderá a viajar en un camino que es más fácil y más corto, por lo que se dobla hacia la normal. , y por lo tanto se producirá la refracción.