فرض کنید یک پرتو (یا موج) بر سطح جد اکننده دو محیط بتابد، اگر موج بجای این که شکسته شود و وارد محیط دوم شود، در راستای موازی با سطح (یا زوایای دیگر) کلا به داخل محیط اول (یعنی محیط پرتو فرودی) بازتابیده شود، این پدیده را بازتابش کلی می‌گویند.

مقدمه

فرض کنید موجی در داخل محیط a با ضریب شکست n_a تحت زاویه Ф_a بر سطح مشترک این دو محیط با محیط دوم بتابد. این موج وارد محیط دوم (b) با ضریب شکست n_b می‌شود. اگر زاویه شکست یعنی زاویه بین پرتو شکست و خط عمود بر سطح جد اکننده دو محیط را با b_Ф نشان دهیم، براساس قوانین اسنل بین این چهار کمیت رابطه زیر برقرار است.



درنتیجه خواهیم داشت.

اگر چنانچه نسبت n_a/n_b بزرگتر از یک باشد، چون تابع sin همواره بین 1- و 1+ قرار دارد، لذا می‌توان نتیجه گرفت که sinФ_b از sinФ_a بزرگتر است. بنابراین برای Ф_a مقداری کمتر از 90درجه وجود دارد که به ازای آن sinФ_b=1 و Ф_b=90 ردجه است. زاویه فرودی را که به ازای آن پرتو شکست در امتداد مماس بر سطح خارج می‌شود، زاویه بحرانی می‌گویند.

اگر زاویه فرودی از اندازه زاویه بحرانی بزرگتر باشد، سینوس زاویه شکست که از طریق قوانین اسنل محاسبه می‌شود، بزرگتر از یک خواهد بود و چون مقادیر ماکزیمم و مینیمم توابع سینوسی برابر 1 و 1- است، لذا این امر غیر ممکن است و باید کل پرتو فرودی به درون محیط اول بازگردد. این حالت را بازتابش کلی می‌گویند بنابراین بازتابش کلی زمانی اتفاق می‌افتد که پرتو فرودی به سطحی برسد که ضریب شکست ماده در طرف دیگر کمتر از محیطی باشد که پرتو در آن انتشار یافته است.

نمونه‌ای از بازتابش کلی در مورد امواج در طول ریسمان

دو رشته ریسمان یا طناب با ضخامتهای کاملا متفاوت ، یکی نازک و دیگری کلفت ، را در نظر بگیرید که بگونه‌ای به هم متصل شده‌اند. بطوری که به صورت یک رشته طناب درآمده‌اند که نیمی از آن دارای ضخامت نازک و نیمی دیگر کلفت است. حال این رشته طناب را بین دو نقطه محکم می‌کنیم یعنی دو سر طناب را به محلی وصل کنیم که طناب به حالت کشیده درآید. حال در قسمت نازک اگر با انگشت دست خود تپی را ایجاد کنیم، ملاحظه می‌شود که تپ در طول ریسمان نازک منتشر می‌شود.

ای تپ به محض رسیدن به قسمت کلفت مقداری از آن در طول قسمت کلفت به همان صورت اول حرکت می‌کند، ولی قسمت دیگر به طناب نازک بر می‌گردد. ولی جهت آن کاملا معکوس شده است. این حالت نمونه‌ای از باز تابش و شکست امواج است. حال اگر کلفتی طناب دوم را تغییر دهیم یعنی هر بار آزمایش را با طنابهای کلفت تر تکرار کنیم، ملاحظه می‌کنیم که مقدار ارتعاش منتقل شده به طناب کلفت کاهش پیدا می‌کند. یعنی اگر به جای طناب کلفت طناب نازک را به دیوار ثابت کنیم، در این صورت تقریبا کل ارتعاش بازتابش پیدا می‌کند.

مقایسه منشور شیشه‌ای و آینه فنری

از جمله اسباب نوری که در آنها از بازتابش کلی استفاذه می‌شود، منشور شیشه‌ای بازتابان و آینه فنری است. مزیت منشور بازتابان کلی بر آینه فنری در این است که سطح این منشور صد در صد نور را باز می‌تاباند، در حالی که آینه چنین کاری را انجام نمی‌دهد. دیگر این که این سطح خاصیت بازتابی را همواره حفظ می‌کند، در حالی که آینه پس از مدتی مات می‌شود.

تار نوری

از خاصیت بازتابش کلی در ساختن تارهای نوری استفاده می‌شود. تار نوری لوله‌‌ای شیشه‌ای است که باریکه‌ای از نور از یک سر میله وارد آن می‌شود و نور از آن بازتابش کلی یافته و لذا درون آن به دام می‌افتد. حتی اگر میله انحنای کمی داشته باشد، باز این کار امکانپذیر است. این نوع لوله را لوله نوری می‌گویند. بسته‌ای از تارهای شیشه‌ای نیز دارای این خاصیت هستند با این تفاوت که وقتی تارها نازک باشند، انعطاف نیز دارند. هر بسته ممکن است شامل هزاران تار نوری باشد که قطر هر کدام 0.002mm تا 0.01mm است. اگر تارها در یک بسته بصورتی قرار گرفته باشند که وضع نسبی آنها در دو انتها تغییر نکند (یا قرینه یکدیگر باشند) بسته می‌تواند تصویر جسمی را از یک طرف به طرف دیگر منتقل کند.

امروزه از تارهای نوری در پزشکی ، ارتباطات و سایر جاها کاربرد دارند. در آندوسکوپی ، آندوسکوپ را به درون نای ، مری ، معده ، روده ، مثانه و مجراهای دیگر می‌فرستند و درون اعضا را مستقیما می‌بینند. بسته‌ای از تارهای نوری را به هم می‌بندند و با فرو بردن آن به زیر پوست ، بافتها و رگها را مورد مطالعه قرار می‌دهند. در مورد ارتباطات نیز از پرتو لیزر استفاده می‌شود. چون فرکانس موج حامل به مراتب بیشتر از فرکانسهای رایویی است، لذا تعداد بیشماری پیام را می‌توان به کمک موج حامل انتقال داد.

مباجث مرتبط با عنوان

• آینه
• اصل هویگنس
• انتشار موج
• انعکاس موج
• تار نوری
• شکست امواج
• ضریب شکست
• قانون اسنل
• منشور
• نور