تعريف الزاوية الحرجة

ما هي الزاوية الحرجة

تعرف الزاوية الحرجة على أنها زاوية السقوط التي بعدها لا يمكن لأشعة الضوء أن تنكسر، وتحدث هذه الزاوية عندمرور الضوء من خلال وسط أكثر كثافة إلى وسط أقل كثافة. يتم انعكاس الضوء بشكل كامل في هذه الزاوية، وتُعد هذه الزاوية أصغر زاوية يمكن أن يحدث فيها انعكاس كلي داخلي.

يحدث الانعكاس الداخلي الكلي عندما يحدث الانعكاس الكامل للضوء في وسط مثل الزجاج أو الماء، ويجب أن يكون الانعكاس داخل الوسط. ولحدوث ذلك، يجب تحقيق شرطين وهما: وجود شعاع ضوئي ووجود وسط متجانس

• يتطلب أن يكون زاوية شعاع الضوء عند السقوط أكبر من الزاوية الحرجة المنشودة.
• عندما يكون شعاع الضوء في وسط يكون كثافته أكبر ثم يتجه نحو وسط ذو كثافة أقل.

ويمكن للشخص أن يلاحظ هذا التأثير عندما يفتح عينيه تحت الماء أثناء السباحة؛ حيث يصبح السطح خارج الزاوية الحرجة مثل المرآة ويعكس أي شيء أسفله، ولا يمكنك رؤية المنطقة إلا في الأعلى، حيث يتم التركيز البصري للرؤية في الزاوية المخروطية المعروفة بنافذة سنيل، ونجد أن قطرها يكون ضعف الزاوية الحرجة

شرح الزاوية الحرجة

تشير الزاوية الحرجة في البصريات إلى الزاوية التي يمكن أن يحدث فيها انعكاس داخلي كلي للضوء، وعندها يتغير مسار الشعاع الضوئي ويصطدم بوسط ذو معامل انكسار أقل منه، ويخرج الشعاع بزاوية أكبر من زاوية السقوط.

هذا ما يعرف باسم الانكسار الداخلي. وعندما تكون زاوية الانكسار أكبر من زاوية السقوط، يحدث ذلك عندما ينتقل الضوء من وسط يتميز بمعامل انكسار عالي إلى وسط يتميز بمعامل انكسار أقل. يحدث ذلك بسبب اختلاف في معامل الانكسار. وتسمى الزاوية التي يكون فيها زاوية الانكسار 90 درجة بالزاوية الحرجة. ويحدث ذلك نتيجة لانحناء الشعاع نحو السطح .

توضيحنا سابقا أن الزاوية الحرجة في البصريات تدل على زاوية محددة لحدوث الانعكاس الداخلي الكلي للضوء، حيث ينحرف مسار الشعاع الضوئي عن مساره الطبيعي عند اصطدامه بوسط يحتوي على معامل انكسار أقل. وبسبب ذلك، يصبح زاوية خروج الشعاع الضوئي أكبر من زاوية السقوط، مما يؤدي إلى حدوث الانعكاس الداخلي الكلي .

الزاوية الحرجة والانعكاس الكلي الداخلي

أن الضوء يمكنه الانتقال بطريقة سهلة من مادة بسرعة بطيئة إلى مادة آخري بسرعة أكبر ؛ فعلى سبيل المثال عندما يضرب الضوء السطح بشكل مباشر بزاوية حدوث تساوي صفر ؛ فنجد إن زاوية الانكسار سوف تساوي صفر أيضاً ، ونجد أن الزاوية الحرجة تعتمد على معامل الانكسار ، ويعتبر الانعكاس الداخلي الكلي مهم للغاية في تصميم المناظير الصغيرة المحمولة باليد ، ويمكنك استخدام المرايا من أجل عكس الضوء.

ومن الجدير بالذكر أن المرايا قد تمتص خمسة إلى عشرة بالمائة من الضوء الذي تقوم بعكسه ؛ فعندما تنظر إلى نفسك في المرآة ذلك لا يسبب أي فرق ، ولكن عندما يكون هناك أربعة انعكاسات ، وقد تكون الصورة غامقة ، وقاتمة اللون في البداية ؛ فإن فقدان الكثير من الضوء يصبح مهم بشكل كبير ، وبدلاً من استخدام المرايا ؛ فيمكننا أن نرتب المنشورات بحيث ينعكس شعاع الضوء ، من خلال الانعكاس الداخلي الكلي ، والانعكاس الداخلي الكلي يعتبر في الحقيقة كلي ، ولا يسبب فقدان للضوء ، وتستخدم المناظير من أجل ترتيب المنشورات .

الزاوية الحرجة للزجاج

عندما ينتقل الضوء من وسيط إلى آخر، يتغير سرعته وينكسر؛ إذا كانت أشعة الضوء تتحرك من وسط ذو كثافة منخفضة إلى وسط ذو كثافة عالية، فإنها تنكسر في اتجاهها الطبيعي، ولكن إذا حدث العكس وانتقلت من وسط ذو كثافة عالية إلى وسط ذو كثافة منخفضة مع زيادة زاوية السقوط مثل من الماء إلى الهواء أو من الزجاج إلى الهواء؛ في هذه الحالة، نجد أن زاوية الانكسار تزداد أيضا، وعندما تصل زاوية السقوط إلى القيمة المعروفة بالزاوية الحرجة، نجد أن الأشعة المنكسرة تنتقل على طول سطح الوسط، أو بمعنى آخر، تنكسر بزاوية 90 درجة، والزاوية الحرجة لزاوية السقوط في الزجاج هي 42 درجة .

ما الزاوية الحرجة لشعاع ضوئي ينتقل من وسط

يمكن حدوث حالة انكسار تثير الاهتمام ، وذلك عند انتقال الضوء من وسيط أكبر إلى وسيط أصغر ؛ فنجد أن شعاع الضوء في تلك الحالة يمكنه الإنحناء كثيراً ، بحيث ألا يتجاوز الحد الفاصل بين تلك الوسيطين، وتسمى تلك الحالة بالانعكاس الداخلي الكلي ، ونجد أيضاً أن ما يحدث في الانعكاس يحدث في الانكسار.

في السطوح، يتشكل الزوايا عند نقطة الانعكاس حيث تلتقي الأشعة الساقطة والمنعكسة، ويعتمد زاوية الانعكاس على الوسط الذي تنتقل من خلاله أشعة الضوء، وشرح قانون سنل هذا الأمر من خلال مؤشرات الانكسار التي تحتوي على أرقام ثابتة للوسط المحدد .

وعندما ينتقل الضوء من الماء إلى الهواء ، أو من الزجاج إلى الهواء ، أو من البلاستيك إلى الهواء ، ينحني الضوء بعيدا عن الوضع الطبيعي (أو العمودي) ، ويحدث هذا عندما ينتقل الضوء من مادة تكون سرعتها بطيئة إلى مادة تكون سرعتها سريعة ، حيث أن الانحناء بعيدا عن الوضع الطبيعي (أو العمودي) يعني أن زاوية الانكسار أكبر من زاوية الوقوع في هذه الحالات ، بالإضافة إلى الشعاع المنكسر ، هناك أيضا بعض الضوء المنعكس على السطح ، وتزداد كمية الضوء المنعكس مع زيادة زاوية الانكسا .

فيما يتعلق بزوايا السقوط، فإن زاوية الانكسار الخارجية ستكون 90 درجة، مما يعني أن كل الضوء الذي يمر في الهواء سيكون على السطح، لذلك لن ينتقل أي ضوء في الهواء، وسينعكس كل الضوء على سطح الماء والهواء، ويُعرف هذا باسم الانعكاس الداخلي الكلي .

 ظاهرة السراب والانعكاس الكلي الداخلي

نشاهد من خلال ظاهرة السراب العديد من التأثيرات غير الحقيقية؛ فقد نعتقد أن هناك ماء يعكس صورته، وتكثر هذه الظاهرة في الصحراء؛ حيث تعمل الصحراء على تسخين الرمال، مما يؤدي في النهاية إلى تسخين الهواء الموجود فوق تلك الرمال، وهذا الهواء الساخن يتسبب في انحناء وانعكاس أشعة الضوء؛ ومن أسباب حدوث ظاهرة السراب توجد العديد من الطبقات الهوائية المتنوعة والمختلفة، حيث إلى جانب ظاهرة السراب توجد العديد من الظواهر الأخرى التي تنتج عن ظاهرة الانكسار .

يجب توضيح الفرق بين السراب القطبي والسراب الصحراوي، فالسراب القطبي هو طبقة من الهواء الدافئ تكون تحت طبقة باردة، وتسمى هذه العملية “انعكاس درجة الحرارة”، بينما يتطلب السراب الصحراوي تسخين الهواء بشكل مستمر ليدوم لفترة طويلة .