الانعكاس الكلى والزاوية الحرجة


إلى فهرس موسوعة الضوء

مقدمة :
عندما ينتقل الضوء من وسط أكبر كثافة ضوئية أى أكبر فى معامل الانكسار إلى وسط أقل كثافة ضوئية أى أقل فى معامل الانكسار على سبيل المثال من الماء إلى الهواء فإن الشعاع المنكسر يبتعد عن العمود أى تكون زاوية الانكسار أكبر من زاوية السقوط شكل (29) (a) . وكلما زادت زاوية السقوط زادت زاوية الانكسار  وعندما تصل زاوية السقوط فى الوسط الأكبر فى معامل الانكسار قيمة معينة تسمى الزاوية الحرجة تصبح زاوية الانكسار 90° أى أن الشعاع المنكسر يكون فى اتجاه السطح الذى يفصل الوسطين ( شكل b )

 


الزاوية الحرجة :
هى زاوية سقوط فى الوسط الأكبر كثافة ضوئية ( الأكبر فى معامل الانكسار) تقابلها زاوية انكسار فى الوسط الأقل كثافة ضوئية ( الأقل فى معامل الانكسار) تساوى 90° درجة .

وإذا زادت زاوية السقوط فى الوسط الأكبر فى معامل الانكسار عن الزاوية الحرجة فإن الضوء الساقط لا ينتقل إلى الوسط الآخر إنما ينعكس

إلى نفس الوسط الساقط منه بحيث تكون زاوية الانعكاس تساوى زاوية السقوط ، و تسمى هذه الظاهرة بالانعكاس الكلى . و تحدث ظاهرة الانعكاس الكلى فقط عند انتقال الضوء من الوسط الأكبر فى معامل الانكسار إلى الوسط الأقل فى معامل الانكسار و لا تحدث فى الحالة العكسية . و تعتمد قيمة الزاوية الحرجة لوسط ما على معامل انكسار كل من وسطى السقوط و الانكسار و هى تساوى :

و عندما يكون وسط الانكسار n2 و هو الوسط الأقل فى معامل الانكسار هو الهواء فإن الزاوية الحرجة تساوى    حيث n1 هو معامل الانكسار  للوسط الأكبر كثافة ضوئية.

أعلى الصفحة

بعض التطبيقات على ظاهرة الانعكاس الكلى :

الأليــــــــاف الضــــــوئية :

تعتبر الألياف الضوئية  من أحد التطبيقات الهامة لظاهرة الانعكاس الكلى حيث تقوم "ليفة" فى سمك شعرة الرأس من الزجاج أو البلاستك بنقل الضوء من مكان إلى آخـر و تسمى الليفة الضوئية Optical Fiber و تتكون الليفة الضوئية ( شكل  30) من قلب  core  اسطوانى و هو الذى يحمل الضوء مغلف بغلاف cladding على شكل اسطوانة متحدة المحور مع القلب و يصنع القلب من الزجاج أو البلاستك ذو معامل انكسار أكبر من معامل انكسار مادة الغلاف التى تكون عادة أيضا من نوع آخر من الزجاج أو البلاستك. و بذلك فإن الضوء الذى يدخل من أحد طرفى الليفة الضوئية بحيث يسقط على السطح الفاصل بين قلب الليفة والغلاف بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة ينعكس انعكاسا كليا ويرتد إلى القلب مرة أخرى و يسقط على السطح الفاصل  فى نقطة أخرى بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة .

 

 وهكذا فإن الضوء يعانى انعكاسات كلية متعاقبة حتى يخرج من الطرف الآخر من الليفة الضوئية. وفى الأنواع الجيدة من الألياف الضوئية تكون كمية الضــوء المفقودة  بالامتصاص فى قلب الليفة الضوئية قليلة جدا و بذلك يمكن نقل الضوء لمسافة قد تبلغ بضعة كيلومترات دون أن تقل شدته بكمية كبيرة .

 وعادة يوضع عدد كبير من الألياف الضوئية مع بعضها لتكون حزمة مرنة ( كابل ) .  و تستخدم كابلات الألياف الضوئية فى مجال الاتصالات حيث يحمل الضوء المعلومات خلال الألياف الضوئية تماما كما يحملها التيار الكهربى خلال الأسلاك مع مميزات هامة للألياف الضوئية منها أن الضوء المحمول لا يتأثر بتداخلات المجالات الكهربية بالإضافة إلى السعة العالية لنقل المعلومات . فشعاع الليزر الذى ينتقل فى ليفة ضوئية واحدة يمكنه نقل بضعة عشرات من المكالمات التلفونية وبضعة برامج تلفزيونيــة فى وقت واحد . ولقد لاقت تطبيقات الألياف الضوئية فى مجال الطب نجاحا منقطع النظير وعلى سبيل المثال فى مجال المناظير التى تستخدم فى التشخيص لأمراض الرئة والمعدة والأمعاء وغيرها و كذلك فى مجال الجراحة لمعظم أعضاء الجسم و التى أصبحت تتم بفتحات صغيرة للغاية . وهناك مجالات كثيرة أخرى تستخدم فيها الألياف الضوئية علمية كانت أو تطبيقية .

أعلى الصفحة

المنشور العاكس :

فى كثير من الآلات البصرية مثل البيروسكوب و التليسكوب يستخدم منشور ثلاثى فى وضع تستغل فيه ظاهرة الانعكاس الكلى لتغيير مسار الضوء بمقدار   90° أو 180° . و المعروف أن معامل انكسار الزجاج 1.5 و معامل انكسار الهواء 1 و بذلك تكون الزاوية الحرجة من الزجاج إلى الهواء 42 درجة . شكل (31) يوضح مسار شعاع ضوئى يسقط على منشور ثلاثى  90 ° ، 45 ° ، 45 ° من زجاج معامل انكسار مادته 1.5 . يسقط الضوء عموديا على أحد الأوجه المجاورة للقائمة فيمردون أن يعانى انكسارا ليسقط بزاوية 45 درجة مع العمود على  الوجه المقابل للقائمة . و هذه الزاوية أكبر من الزاوية الحرجة زجاج / هواء فيعانى الشعاع انعكاسا كليا و يرتد بزاوية انعكاس 45 درجة مع العمود و يسقط عموديا على الوجه الآخر المجاور للقائمة و يخرج إلى الهواء دون أن يعانى انكسارا على هذا الوجه . و بذلك يكون مسار الضوء قد تغير بمقدار 90 درجة . أما الشكل (b) فيوضح كيفية استخدام المنشور العاكس لتغيير مسار الضوء بمقدار 180 درجة حيث يحدث الانعكاس الكلى مرتين فى هذه الحالة . 

ومن المعروف أن تغيير مسار شعاع الضوء يمكن أن يتم أيضا باستخدام المرآة المستوية حيث توضع المرآة  مائلة بزاوية 45 درجة على اتجاه الشعاع  فيتغير اتجاه الشعاع بعد انعكاسه على المرآة بمقدار 90 درجة.

 و باستخدام مرآتين يمكن تغيير مسار الشعاع بمقدار 180 درجة. ولكن قد يفضل المنشور على المرآة حيث يكون الانعكاس فى المنشور كليا بمعنى أن 100% من الأشعة الساقطة تنعكس بينما يصعب الحصول على مرآة تعكس 100% من الأشعة الساقطة عليها . بالإضافة إلى أن  هناك بعض العوامل التى قد تؤثر على السطح العاكس و تقل كفاءته مع مرور الزمن و لا يحدث هذا  فى المنشور.

أعلى الصفحة