Teljes fényvisszaverődés

A teljes fényvisszaverődés (totálreflexió) egy optikai jelenség. Ha a fény egy optikailag sűrűbb közegből egy optikailag ritkább közeg határához érkezik, továbbá a beesési szög elég nagy, akkor a teljes fénymennyiség visszaverődik a határfelületről. A fényvisszaverődésnek ezt a változatát teljes fényvisszaverődésnek nevezzük. A jobb oldali képen a plexiből a levegő felületéhez érkező fénysugár teljes visszaverődése figyelhető meg.

Teljes fényvisszaverődés plexi–levegő határán

A teljes fényvisszaverődés értelmezése

A fénytörést leíró fogalmak

A teljes fényvisszaverődés leírásához szükséges fogalmak:

• Beesési pontnak nevezzük a két közeg határfelületén azt a pontot, ahova a (vizsgált) fénysugár beérkezik.
• Beesési merőlegesnek nevezzük a beesési ponton átmenő, két közeg határfelületére merőleges egyenest.
• Beesési szögnek hívjuk a beeső fénysugár és a beesési merőleges közti szöget.
• Visszaverődési szögnek nevezzük a visszaverődő fénysugár és a beesési merőleges közti szöget.
• Törési szögnek nevezzük a megtört fénysugár és a beesési merőleges közti szöget.
• Törésmutatónak nevezzük a fénytöréssel kapcsolatosan bevezetett fizikai mennyiséget, mely a beesési szög szinuszának és a törési szög szinuszának a hányadosa. A törésmutató a két közegre jellemző állandó. Igazolható, hogy értéke megegyezik a két közegben mérhető fénysebesség hányadosával.^[1] Képlettel:

${\displaystyle {n_{21}={\frac {\sin \alpha }{\sin \beta }}={\frac {c_{1}}{c_{2}}}}\,\!}$

• Optikai sűrűség: Két közeg közül azt nevezzük optikailag sűrűbbnek, amelyben a fény kisebb sebességgel halad. (Mivel a fény sebessége vákuumban a legnagyobb, ezért a vákuum optikai sűrűsége a legkisebb.)

A jelenség létrejötte:

A határszög fogalma

Ha a fény optikailag sűrűbb közegből egy optikailag ritkább közeg határfelületéhez érkezve megtörik, akkor c₁ < c₂. A fenti összefüggésből következik, hogy ilyenkor α < β, azaz a törési szög nagyobb, mint a beesési szög. Ha növeljük a beesési szöget, a törési szög is nő, mígnem eléri a 90°-ot. Ekkor a fény nem lép be a második közegbe, hanem annak felülete mentén halad tovább. Azt a beesési szöget, amelynél a törési szög β = 90°, határszögnek nevezzük. Jelölése: α_h. A határszög értéke a törésmutatóból kiszámítható:

${\displaystyle {\sin \alpha _{\mathrm {h} }=n_{2,1}}\,\!}$

A beesési szög és a határszög nagyságától függően három eset lehetséges:

• Ha α < α_h, a fény belép a második közegbe, megtörik, és a beesési merőlegessel β szöget bezárva halad tovább.
• Ha α = α_h, a fény a két közeg határfelülete mentén halad tovább.
• Ha α > α_h, a fény nem törik meg, hanem teljes egészében visszaverődik. Ezt a jelenséget teljes visszaverődésnek vagy totálreflexiónak nevezzük.

Felfedezése

A teljes fényvisszaverődést Vitello fedezte fel a 13. században. A fénytörés alapján 1611-ben Johannes Kepler adott magyarázatot a jelenségre. A határszög és a törésmutató közti összefüggést 1802-ben William Hyde Wollaston ismerte fel.^[2]

Gyakorlati alkalmazásai

Mivel a legjobb minőségű tükrök is csak a fény 95 százalékát^[3] verik vissza, egyes optikai eszközökben a tükrök helyett a teljes fényvisszaverődést használják a fény irányának megváltoztatására. Ilyen alkalmazások például:

• Visszatükrözés (retroreflexió) megvalósítása. (Hármasszöglet, "macskaszem", fényvisszaverő fóliák és festékek stb.)
• Képfordító prizma.
• Refraktométerek (törésmutató meghatározására alkalmas mérőeszközök) egyes típusai.
• Optikai szál.

Fényképek

• 
  Teljes fényvisszaverődés plexi-levegő határán 2.
• 
  Visszatükrözés derékszögű prizmán 1.
• 
  Visszatükrözés derékszögű prizmán 2.
• 
  Visszatükrözés derékszögű prizmán 3.
• 
  Hal és tükörképe (teljes visszaverődéssel)
• 
  Hármasszöglet 1.
• 
  Hármasszöglet 2.
• 
  Hármasszöglet 3.
• 
  "Macskaszem" kerékpár kerekén
• 
  "Macskaszem" közelről
• 
  Fényvisszaverő fólia kerékpáros cipőn
• 
  Szőlő cukorfokának mérése refraktométerrel
• 
  Optikai kábel 4 szállal.
• 
  Optikai szál lézerrel

Lásd még

• Fermat-elv
• Fénytörés
• Fényvisszaverődés
• Geometriai optika
• Optika
• Tükör
• Visszatükrözés