외부 반사와 내부 반사_임계각과 전반사_Lummer-Brodhun cube

 

▷평행 빔_Parallel beam◁

-외부 반사와 내부 반사_임계각과 전반사-

 

1) 외부 반사 (External reflection)  : n <n' (소한 매질에서 밀한 매질로의 입사)

n=1 (공기중), n'=1.33 (물)의 상황에서 굴절률이 다른 두 매질의 경계면에 광선이 입사할 때

굴절되어 \(\phi'\)의 각도로 꺾이지만, 극히 일부 (굴절률이 1보다 작은 물질)는 외부로 반사되어 나간다.

-> 빛이 물질의 외부에서 반사되기 때문에 외부 반사라고 한다.

 

2) 내부 반사 (Internal reflection) : n > n' (밀한 매질에서 소한 매질로의 입사)

외부 반사와 반대로 n의 굴절률이 더 클 때 ( 물에서 공기 중으로 입사할 때 ) 경계면에서 반사되는 광선이 발생한다.

외부 반사 그림의 반대 모습이라고 생각하면 된다.  (임계각 보다 작을 때)

-> 빛이 물질의 내부에서 반사되기 때문에 내부 반사라고 한다.

 

3) 내부 반사 (Internal reflection) : n>n' 전반사 (임계각 보다 클 때)

내부 반사가 발생하는 두번째 그림에서 입사각이 커지면 굴절각도 커지게 되는데,

굴절각이 90˚ 가 되면 전반사가 생기기 시작한다. 

일정 각 이상으로 입사각이 커지면 굴절되는 광선은 없고 전부 내부에서 반사되는 광선만 생기게 되는데

이렇게 내부 전반사가 생기게되는 각을 임계각이라고 한다.

 

 

< The critical angle and total reflection : 임계각과 전반사 >

입사 광선이 \(\phi_{C}\)의 각도로 입사될 때, 굴절각이 90˚ 가 되는 것을 볼 수 있다.

\(\phi_{C}\) 보다 더 커지면 빨간색 선처럼 내부 전반사가 일어난다.

임계각 : 내부 전반사가 일어나기 시작하는 입사각 ( 굴절 광선 없이 모두 반사될 때 )

 

내부 반사에서 \(\phi>\phi_{C}\) 를 만족할 때 전반사(Totla reflection) 일 일어난다는 것을 알 수 있으며

임계각에 대한 설명을 다음과 같이 수식으로 표현할 수 있다.

\(nsin\phi_{C}=n'sin90˚=n'\)

\(sin\phi_{C}=\frac{n'}{n}<1\)

 

EX) 크라운 유리 (Crown Glass)의 임계각을 계산해보자.

크라운 유리는 약 n=1.520의 값을 갖는다. 크라운 유리에서 공기 중으로 입사하는 광선일 때

\(sin\phi_{C}=\frac{1}{1.520}\) 이기 때문에 약 \(sin\phi_{C}=0.6579\)의 값을 갖는다.

따라서 크라운 유리의 임계각은 \(\phi_{C}=42˚\) 정도 된다는 것을 확인할 수 있다.

 

+참고로 색분산은 굴절에서만 일어나고 반사에서는 일어나지 않는다.

 

 

< Lummer-Brodhun cube : 룸머-브로둔 입방체 >

: 2개의 전반사 프리즘을 조합하여 광원의 밝기를 비교하는 데 사용한다.

큐브의 양면에서 표준광원과 측정하고자 하는 광원의 광선을 동시에 관찰하도록 해보자.

그리고 두 광선의 빛은 반대편으로 전달되는데,  빠져나오는 곳에 흰색 디스크의 한 면을 비춰주면

광도의 밝기를 비교할 수 있다.

하나의 프리즘은 측면이 볼록렌즈로 형성되어 직각 프리즘과 중앙에서 닿도록 한다.

이렇게 하면 프리즘이 닿지 않는 부분에서 전체 내부 반사가 일어나기 때문이다.

S1과 S2의 광선이 다음과 같은 경로로 진행하였을 때, S1 광원의 경우 두 프리즘의 접촉 부분을 통과하며 L에 도달한다.

S2의 경우 접촉 부분을 벗어난 곳에서 전체 내부 반사에 의해 L에 도달하게 된다.

L에 비친 두 광원의 밝기를 오른쪽에 그려진 원으로 나타내 보았다.

S2의 경우 범위는 넓지만 광원의 밝기가 약하고, S1의 경우 빛이 집중된 것을 알 수 있다.

이를 통해 S1과 S2 중 어느 것이 더 밝은가를 알아볼 수 있다.

 

외부 반사와 내부 반사_임계각과 전반사_룸머 브로둔 입방체_기하광학