تعريف ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي
ظاهرة
الانعكاس الكلي الداخلي هي ظاهرة طبيعية ، وقد تكون ظاهرة مفيدة ، ويتم
استخدامها تحديدًا لحصر الضوء ، ويرتبط الانعكاس الكلي الداخلي بالألياف
البصرية ، والتي من المعروف عنها أنها ألياف شفافة رفيعة ، يتم صناعتها من
الزجاج لكي يتم من خلالها نقل الضوء ،
- وفي ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي تنتقل الموجات من أوساط كثيفة إلى أوساط أقل كثافة ، وهذا الانتقال يؤدي بدوره إلى انحناء أشعة الضوء بزاوية مختلفة عن 90 درجة.
- وهذه الظاهرة تسمى بظاهرة الانكسار ، ومن الجيد أنه وراء كل زاوية معينة ، تنعكس موجات من الزجاج بشكل داخلي تمامًا ،
- وتدُعى ظاهرة الانكسار بـ قانون سنل
، والذي يوضح العلاقة بين زاوية السقوط وزاوية الانكسار ، ويستطيع هذا
القانون أن يتنبأ بدرجة الانحناء ، وتم اكتشافه في عام 1621 على يد
ويلبرورد سنيل .
تطبيق فيزيائي على الانعكاس الكلي الداخلي
تم تقديم العديد من التطبيقات الفيزيائية التي توضح الانعكاس الكلي الداخلي:
- ومنها تطبيق افتراضي يتم افتراض فيه أنه يوجد شعاع ليزر مغمور في المياه ، ويكون موجه لأعلى نحو الماء والهواء.
- حيث يتم افتراض خلال هذا التطبيق أنه الزاوية التي توجه إليها الحزمة الضوئية قد تغيرت ببطء.
- وهذا التطبيق وضح لنا مبادئ السلوك الحدودي ، التي ساعدت في توقع وملاحظة كل من ظواهر هامة ، مثل ظاهرة الانعكاس والانكسار.
- كما أنه تم إيضاح أن كل من الاشعة المنكسرة والمنعكسة ، هذه لا تبقي بزاوية ثابتة ، حيث أنه كلما زادت الزاوية إلى زاوية أكبر سيكون ، هناك قدر أقل من الانكسار ، والمزيد من الانعكاس.
- لذا نجد أن كل من زوايا الانكسار ، والانعكاس يكونوا دومًا غير متساويين .
ظاهرة السراب والانعكاس الكلي الداخلي
ظاهرة السراب ، هي ظاهرة تجعلنا نرى فيها انعكاسات غير حقيقية ، فنستطيع على سبيل المثال أن نعتقد أننا نرى ماء ، أو جبال منعكسة في بحر ، وهذه الظاهرة تكون موجودة بكثرة في الصحراء ، وتحدث ببساطة عندما يتم تمرير ضوء عبر طبقتين من الهواء ، وتتميز هذه الطبقات بدرجات حرارة مختلفة ، وعندما تقوم الصحراء بتسخين الرمال.
فأنها بذلك تقوم بتسخين الهواء الذي يقع فوق الرمال ، وهذا الهواء الساخن يجعل اشعة الضوء تنحني وتنعكس ، وهذا باختصار كيفية انتقال الضوء عبر الهواء ، وسواء كانت ظاهرة السراب هذه في درجة حرارة مرتفعة ، أو منخفضة فهي يتم فيها انتقال الضوء، وكلما كان الجو أكثر برودة كلما اتبع الضور مسارًا منحنيًا باتجاه الهواء.
ومن الأمور المثيرة للدهشة أن الهواء البارد عادة ما يحتوي على مؤشر انكسار أعلى من الهواء الدافئ ، ولهذا تنتقل جزيئات الضوء عن طريق الهواء الساخن بشكل أسرع من انتقالها في الهواء البارد ، ويعتبر هذا من أسباب حدوث ظاهرة السراب ، حيث أن هذه الظاهرة من الظواهر الطبيعية التي توجد في الصحاري ، أو البحار ، ومن خلالها يتم تكون طبقات هوائية مختلفة ، وتكون هذه الطبقات لديها درجات حرارة مختلفة ، وبجانب ظاهرة السراب ، هناك ظواهر أخرى تكون ناتجة أيضًا عن ظاهرة الانكسار .
وعند التحدث عن الفرق بين السراب القطبي و السراب الصحراوي ، نجد أن السراب القطبي هو عبارة عن طبقة من الهواء الدافئ ، ويكون مع طبقة باردة تحته ، وهذه العملية تُعرف أيضًا باسم انعكاس درجة الحرارة ، ومن المنطقي أن ينحني الضوء نحو الهواء الأكثر كثافة ، ولكن عندما نرى بأعيننا نرى هذا الضوء ينتقل بشكل مستقيم ، وأننا نرى الأمور أعلى مما هي عليها بالفعل ، لذا نحن نرى الصورة وانعكاسها اعلى من مكانها الحقيقي.
وفي المناطق القطبية قد يتم رؤية سراب من حين لآخر ، ولكنه يكون سريع التغير ، وفي بعض الأوقات تكون ظاهرة السراب في المناطق القطبية معقدة جدًا ، حيث أنه يظهر السراب في الكثير من الأحيان فوق سلاسل الجبال ، وينتج عنه شكل ، وكأن هذه الجبال متكدسة فوق بعضها .
أما عن السراب الصحراوي فيتم النظر ، من خلاله إلى أي طريق سريع ، أو رمال موجودة في الصحراء ، ونجده يظهر على هيئة بركة مياه زرقاء ، وفي الواقع قد يكون سبب هذا هو انحناء ضوء السماء الأزرق في اتجاه العين ، ويجب أن يكون هناك تسخين مستمر من الشمس لطبقات الهواء ، لكي يدوم السراب الصحراوي فترة أطول .
الانعكاس الكلي الداخلي في الألياف البصرية
عند التحدث عن الانعكاس الكلي الداخلي في الألياف البصرية ، نجد أنه عند سير الضوء في وسط كثيف بصريًا ، ويصطدم بزاوية شديدة الانحدار ، والتي تسمى الزاوية الحرجة ، والتي تعكس الضوء تمامًا ، وهذا ما يدعى بالانعكاس الكلي الداخلي ، وينتقل الضوء عبر الألياف البصرية هذه ، مما يجعل الضوء يدخل ضمن هذه الألياف ، وينتج عنه زاوية أكبر من الزاوية الحرجة ، وفي الفيزياء تم وصف هذه الزاوية الحرجة في الألياف الضوئية.
أنها متعلقة بالمحور المتوازي الممتد أسفل منتصف الألياف الضوئية هذه ، ولكي نفهم هذه العملية بطريقة أبسط نقول أن هناك زاوية قصوى لهذه الألياف البصرية ، والتي تجعل الضوء لديه امكانية الدخول لهذه الألياف ، وبعدها يستطيع أن ينتقل ، وينتشر داخل هذه الألياف ، ويدخل من خلال ما تسمي بالفتحة العددية .
وفي الألياف ذات المؤشر المتدرج ، يتناقص مؤشر الانكسار في اللب بشكل مستمر بين المحور والكسوة ، ويؤدي هذا إلى انحناء أشعة الضوء بسلاسة عند اقترابها من الكسوة ، بدلاً من الانعكاس فجأة من حدود الكسوة الأساسية و، تقلل المسارات المنحنية الناتجة التشتت متعدد المسارات لأن أشعة الزاوية المرتفعة تمر أكثر عبر محيط المؤشر السفلي للنواة ، بدلاً من مركز المؤشر العالي ، ويتم اختيار ملف تعريف الفهرس لتقليل الاختلاف في سرعات الانتشار المحوري للأشعة المختلفة في الألياف ، وملف تعريف المؤشر المثالي هذا قريب جدًا من علاقة القطع المكافئ بين المؤشر والمسافة من المحور .
شروط الانعكاس الداخلي الكلي
من المعروف أنه عندما ينتقل الضوء إلى وسط مختلف ، فهذا قد يؤدي إلى:
- انكسار الضوء ، وتغيير سرعته.
- وعند انتقال الضوء من وسط أكثر كثافة ، مثل الزجاج ، إلى وسط أقل كثافة مثل الهواء ، فأن سرعة الضوء تزداد بسعرة، ويبدأ في الانكسار بعيدًا.
- وهنا تكون زاوية الانكسار أكبر من زاوية السقوط ، مما يؤدي إلى انكسار الضوء بنسبة 90 درجة.
حيث تختلف الزاوية الحرجة باختلاف المواد، فعلي سبيل المثال نجد أن الزاوية الحرجة تبلغ حوالي 42 درجة للزجاج ، ولكي يحدث الانعكاس الداخلي الكلي يجب توافر شرطين أساسيين ، وهما :
- أولًا ، يجب أن ينخفض مؤشر الانكسار في اتجاه انكسار الضوء.
- وثانيًا ، يجب أن تتخطى زاوية السقوط شعاع ضوء الزاوية الحرجة لكي تتصدر الواجهة .