Trong quang học, khi một chùm ánh sáng đi qua một mặt phân cách giữa hai môi trường có chỉ số khúc xạ khác nhau, nó sẽ bị phân tách thành hai chùm: một chùm phản xạ và một chùm khúc xạ. Góc giữa chùm phản xạ và chùm gốc được gọi là góc phản xạ, góc giữa chùm khúc xạ và chùm gốc được gọi là góc khúc xạ. Luật Snell cho biết mối quan hệ giữa các góc này và chỉ số khúc xạ của hai môi trường.
Trong một số trường hợp đặc biệt, chùm phản xạ có thể vuông góc với chùm khúc xạ. Điều này có nghĩa là góc phản xạ bằng 90 độ, và góc khúc xạ bằng góc bán phản xạ. Đây là hiện tượng được gọi là tia phản xạ vuông góc với tia khúc xạ. Bài viết này Huấn luyện an toàn lao động sẽ giải thích nguyên nhân, điều kiện và ứng dụng của hiện tượng này.
Nguyên nhân của hiện tượng Tia Phản Xạ Vuông Góc Với Tia Khúc Xạ
Tia phản xạ vuông góc với tia khúc xạ xuất hiện do sự kết hợp của hai yếu tố: sự thay đổi của chỉ số khúc xạ và góc chiếu vào.
Sự thay đổi của chỉ số khúc xạ
Chỉ số khúc xạ của một môi trường là tỷ lệ giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ ánh sáng trong môi trường đó. Chỉ số khúc xạ thể hiện độ cong vừa của ánh sáng khi đi qua môi trường. Chỉ số khúc xạ càng cao, ánh sáng càng bị cong vừa nhiều.
Khi ánh sáng đi từ một môi trường có chỉ số khúc xạ thấp sang một môi trường có chỉ số khúc xạ cao, nó sẽ bị cong vừa về phía bình thường (đường vuông góc với mặt phân cách). Khi ánh sáng đi từ một môi trường có chỉ số khúc xạ cao sang một môi trường có chỉ số khúc xạ thấp, nó sẽ bị cong vừa xa khỏi bình thường.
Để có tia phản xạ vuông góc với tia khúc xạ, ánh sáng phải đi từ một môi trường có chỉ số khúc xạ cao sang một môi trường có chỉ số khúc xạ thấp. Ví dụ, khi ánh sáng đi từ nước sang không khí, hoặc từ kim cương sang không khí.
Góc chiếu vào
Góc chiếu vào là góc giữa chùm ánh sáng ban đầu và bình thường. Góc chiếu vào ảnh hưởng đến góc khúc xạ theo luật Snell:
Trong đó, n1 và n2 là chỉ số khúc xạ của hai môi trường, θ1 và θ2 là góc chiếu vào và góc khúc xạ.
Để có tia phản xạ vuông góc với tia khúc xạ, góc chiếu vào phải bằng góc bán phản xạ. Góc bán phản xạ là góc chiếu vào lớn nhất mà vẫn có thể có tia khúc xạ. Khi góc chiếu vào lớn hơn góc bán phản xạ, không có tia khúc xạ mà chỉ có tia phản xạ. Đây là hiện tượng được gọi là phản xạ toàn phần.
Góc bán phản xạ có thể được tính bằng công thức sau:
Trong đó, θc là góc bán phản xạ, n1 và n2 là chỉ số khúc xạ của hai môi trường.
Ví dụ, khi ánh sáng đi từ nước (chỉ số khúc xạ khoảng 1.33) sang không khí (chỉ số khúc xạ khoảng 1), góc bán phản xạ là:
Điều kiện
Từ những nguyên nhân đã trình bày ở trên, ta có thể rút ra điều kiện cần và đủ để có tia phản xạ vuông góc với tia khúc xạ:
- Ánh sáng phải đi từ một môi trường có chỉ số khúc xạ cao sang một môi trường có chỉ số khúc xạ thấp.
- Góc chiếu vào phải bằng góc bán phản xạ.
Nếu hai điều kiện này được thỏa mãn, ta sẽ có:
- Góc phản xạ bằng 90 độ.
- Góc khúc xạ bằng góc bán phản xạ.
- Chùm phản xạ vuông góc với chùm khúc xạ.
Ứng dụng
Tia phản xạ vuông góc với tia khúc xạ có nhiều ứng dụng trong thực tế, chủ yếu liên quan đến việc truyền tín hiệu quang học. Một số ví dụ cụ thể như sau:
- Cáp quang:
Cáp quang là một loại cáp dùng để truyền tín hiệu ánh sáng từ một điểm đến một điểm khác. Cáp quang được cấu tạo bởi một lõi quang học có chỉ số khúc xạ cao và một vỏ quang học có chỉ số khúc xạ thấp.
Khi ánh sáng đi vào cáp quang, nếu góc chiếu vào nhỏ hơn góc bán phản xạ, ánh sáng sẽ bị phản xạ toàn phần trong cáp và tiếp tục truyền đi. Nếu góc chiếu vào bằng góc bán phản xạ, ánh sáng sẽ có tia phản xạ vuông góc với tia khúc xạ.
Tia phản xạ này sẽ tiếp tục truyền đi trong cáp quang. Tia khúc xạ này sẽ thoát ra khỏi cáp quang và có thể được dùng để phát hiện sự có mặt của ánh sáng trong cáp. Đây là cơ sở của các thiết bị đo ánh sáng trong cáp quang, như máy đo công suất quang, máy đo suy hao quang, máy đo phản xạ quang, v.v.
- Gương Brewster:
Gương Brewster là một loại gương dùng để tạo ra ánh sáng cực khuếch tán. Gương Brewster được cấu tạo bởi một tấm thủy tinh có chỉ số khúc xạ cao và một lớp không khí có chỉ số khúc xạ thấp. Khi ánh sáng đi vào gương Brewster, nếu góc chiếu vào bằng góc bán phản xạ, ánh sáng sẽ có tia phản xạ vuông góc với tia khúc xạ.
Tia phản xạ này sẽ chỉ có thành phần cực khuếch tán vuông góc với mặt phân cách, còn thành phần cực khuếch tán song song với mặt phân cách sẽ bị khúc xạ. Tia khúc xạ này sẽ không có thành phần cực khuếch tán vuông góc với mặt phân cách, còn thành phần cực khuếch tán song song với mặt phân cách sẽ không bị thay đổi. Do đó, gương Brewster có thể dùng để tạo ra hai chùm ánh sáng cực khuếch tán riêng biệt.
- Kính lọc polaroid:
Kính lọc polaroid là một loại kính lọc dùng để chọn lọc ánh sáng theo trạng thái cực khuếch tán. Kính lọc polaroid được cấu tạo bởi nhiều lớp nhựa có chỉ số khúc xạ cao và các khoảng trống có chỉ số khúc xạ thấp. Các lớp nhựa được sắp xếp theo một hướng nhất định, gọi là hướng trục của kính lọc.
Khi ánh sáng đi vào kính lọc polaroid, nếu góc chiếu vào bằng góc bán phản xạ, ánh sáng sẽ có tia phản xạ vuông góc với tia khúc xạ. Tia phản xạ này sẽ chỉ có thành phần cực khuếch tán vuông góc với hướng trục của kính lọc, còn thành phần cực khuếch tán song song với hướng trục của kính lọc sẽ bị khúc xạ.
Tia khúc xạ này sẽ không có thành phần cực khuếch tán vuông góc với hướng trục của kính lọc, còn thành phần cực khuếch tán song song với hướng trục của kính lọc sẽ không bị thay đổi. Do đó, kính lọc polaroid có thể dùng để chọn lọc ánh sáng theo trạng thái cực khuếch tán mong muốn.
Tia phản xạ vuông góc với tia khúc xạ là một hiện tượng quang học đặc biệt và quan trọng. Huấn luyện an toàn lao động hi vọng bài viết này hữu ích với bạn!
