החזרה גמורה

פגיעת קרן במעבר בין תווך בעל מקדם שבירה גבוה $\ n_1$ לתווך בעל מקדם שבירה נמוך יותר $\ n_2$: עבור קרן עם זווית פגיעה $\ \alpha_c$ > $\ \phi_1$ (באדום) חלק מהקרן מוחזרת באותה זווית, וחלק נשברת על פי חוק סנל בזווית $\ \phi_2$ . עבור קרן עם זווית פגיעה $\ \alpha_c$ < $\ \theta$ (בירוק) כל הקרן מוחזרת חזרה לתווך בעל מקדם השבירה הגבוה יותר.

החזרה גמורה (או החזרה פנימית מלאה) היא תופעה אופטית נפוצה, שבה קרני אור מוחזרות במלואן ממשטח בין שני תווכים. התופעה מתרחשת כאשר האור נע מתווך בעל מקדם שבירה גבוה לתווך בעל מקדם שבירה נמוך יותר. למשל, החזרה גמורה יכולה להתרחש כאשר אור עובר ממים לאוויר או מזכוכית לאוויר (אך לא להפך).

כאשר אור פוגע במשטח מגע בין שני חומרים שקופים, חלק ממנו מוחזר, וחלק נשבר ועובר לתווך השני (זו הסיבה שדרך חלון, למשל, רואים השתקפות ואת הנעשה בצדו השני בו-זמנית). באופטיקה גאומטרית, זווית הקרן הנשברת נתונה על ידי חוק סנל: ${n_2}\sin \theta_2=\ {n_1}\sin\theta_1$. כאן $\ n_1$ ו-$\ n_2$ הם מקדמי השבירה של התווך הראשון והשני בהתאמה, $\ \theta_1$ היא זווית הפגיעה ו- $\ \theta_2$ היא זווית השבירה.

כאשר $\ n_1 > n_2$ קיימת זווית פגיעה שעבורה זווית ההחזרה תהיה ישרה, כלומר האור נשבר במקביל למשטח. זווית זו מכונה הזווית הקריטית, והיא נתונה על ידי:

$\sin \alpha_c = \frac{n_2}{n_1}$

עבור קרני אור הפוגעות בזווית הגדולה מהזווית הקריטית, לא תתרחש שבירה, וכל האור יוחזר (בהזנחת בליעה בחומר). החלק שיחזור לתווך הראשון יוחזר בזווית השווה לזווית הפגיעה.

דוגמאות

האור היוצא משריון הצב עובר החזרה מלאה בגבול שבין המים לאוויר ומגיע למצלמה.

תופעה זו עומדת בבסיס עקרון הפעולה של סיבים אופטיים. אור החודר לקצה אחד של סיב אופטי מוחזר מדפנות הסיב פעמים רבות, ויוצא מהקצה השני. לולא היה האור מוחזר מהדפנות החזרה גמורה, הייתה אנרגיה רבה זולגת אל מחוץ לסיב באמצעות הקרניים הנשברות, ולפיכך הניחות בסיב היה גבוה מאוד, ומונע שימוש בסיבים למרחקים ארוכים.

תופעה זו מעניקה ליהלומים את המראה הזוהר שלהם. מקדם השבירה של היהלום גבוה מאוד, ולכן האור יוחזר בתוך הגביש מספר פעמים לפני שייצא ממנו. ההחזרות גם מאריכות את מהלך האור בתוך החומר, ובגלל אפקט הנפיצה, גורמות לצבעים המושכים את העין.

שימושים

• סיבים אופטיים - בתקשורת ובאנדוסקופים.
• חיישני גשם להפעלת מגבי מכוניות.
• משקפת פריסמתית.
• מסכי מגע.
• מדידת הזווית בין הקרנית והאישון בעין.
• התקני קלט של טביעת אצבעות ללא דיו.

קישורים חיצוניים

• הדגמה אינטראקטיבית של חוק סנל