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临界角
✍ dations ◷ 2025-06-28 10:20:13 #临界角
全内反射(英语:Total Internal Reflection),又称全反射,是一种光学现象。当光线经过两个不同折射率的介质时,部分的光线会于介质的界面被折射,其余的则被反射。但是,当入射角比临界角大时(光线远离法线),光线会停止进入另一界面,反之会全部向内面反射。这只会发生在当光线从光密介质(较高折射率的介质)进入到光疏介质(较低折射率的介质),入射角大于临界角时。因为没有折射(折射光线消失)而都是反射,故称之为全内反射。例如当光线从玻璃进入空气时会发生,但当光线从空气进入玻璃则不会。最常见的是沸腾的水中气泡显得十分明亮,就是因为发生了全内反射。克普勒(Johannes Kepler,1571-1630)在公元1611年于他的著作《Dioptrice》中,已发表全内反射的现象。如图一所示:
光线从折射率较高的
n
1
{displaystyle n_{1}}
介质进入折射率较低的
n
2
{displaystyle n_{2}}
介质:
当入射角
θ
i
=
θ
1
<
{displaystyle theta _{i}=theta _{1}<}
临界角
θ
c
{displaystyle theta _{c}}
时,光线同时发生向
n
2
{displaystyle n_{2}}
介质中的折射,以及向
n
1
{displaystyle n_{1}}
介质中的反射(图一中红色光线所示);
当入射角
θ
i
=
θ
2
>
{displaystyle theta _{i}=theta _{2}>}
临界角
θ
c
{displaystyle theta _{c}}
时,向
n
2
{displaystyle n_{2}}
介质中折射的光线消失,所有光线向
n
1
{displaystyle n_{1}}
介质中反射(图一中蓝色光线所示);
全内反射仅仅可能发生在当光线从较高折射率的介质(也称为光密介质)进入到较低折射率的介质(也称为光疏介质)的情况下,例如当光线从玻璃进入空气时会发生,但当光线从空气进入玻璃则不会。临界角(英语:Critical angle)是使得全内反射发生的最少的入射角。入射角是从折射界面的法线量度计算的。临界角(
θ
c
{displaystyle theta _{c}}
)可从以下方程计算:其中
n
2
{displaystyle !n_{2}}
是较低密度介质的折射率,及
n
1
{displaystyle !n_{1}}
是较高密度介质的折射率。这条方程是一条斯涅尔定律的简单应用,当中折射角为90°。
当入射光线是准确的等于临界角,折射光线会循折射界面的切线进行。以可见光由玻璃进入空气(或真空)为例,临界角约为41.5°。如果,我们取两个密介质区域,中间夹着一薄层的疏介质,例如一层厚度与入射光波波长大小相当的空气薄层,让光束透过自密介质区射向空气层,则光会透过薄层,再进入对向的密介质区。这种入射角大于临界角
θ
i
>
θ
c
{displaystyle theta _{i}>theta _{c}}
,而又能超越障碍,透射到另一介质的现象,称为受抑全内反射(Frustrated Total Reflection)。这种现象的产生是由于当发生全反射时,电磁场并非完全没有进入疏介质;只是进入疏介质区域的电磁场强度以指数式衰减的形式消失。所以在全反射的状态之下,仍然有部分电磁场进入疏介质薄层后再进入对向的密介质区,只不过这种电磁波的强度会随着光波行进距离越远而很快耗损殆尽。量子力学中的量子隧穿效应,实与此相当。光导纤维就是利用了全内反射这一原理,由于反射时没有光线的损失,因此信号可以传输到极远的距离,广泛应用于内视镜及电信上。海市蜃楼亦是由此一原理所生成,光线从较密的介质(冷空气)进入到较疏的介质(近地面的热空气)。
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