تعريف الزاوية الحرجة

ما هي الزاوية الحرجة

تُعرف الزاوية الحرجة على إنها زاوية السقوط التي بعدها لا تستطيع أشعة الضوء أن يحدث لها انكسار وهي التي تمر عبر الأوسط ذي الكثافة الأكثر إلى الوسط الأقل كثافة، ونجد أنها تنعكس بشكل كامل؛ فهي تعتبر أصغر زاوية حدوث قد ينتج عنها الانعكاس الكلي الداخلي.

ويحدث الانعكاس الداخلي الكلي عند عملية الانعكاس الكامل الذي يأتي نتيجة وجود شعاع الضوء ويجب أن يكون هذا الانعكاس داخل وسط مثل الزجاج أو الماء، ولحدوث ذلك لابد من تحقيق شرطين وهما:

• أن تكون زاوية شعاع الضوء عند السقوط أكبر من الزاوية الحرجة المقصودة.
• أن يكون شعاع الضوء متواجد في الوسط الذي كثافته أكثر ثم يقترب من الوسط ذو الكثافة الأقل.

ويستطيع المرء أن يلاحظ ف ذلك التأثير عندما يفتح عينيه تحت الماء وهو يسبح؛ فإذا كان الماء لا يزال موجوداً؛ فالسطح خارج الزاوية الحرجة يصبح كالمرآة ويعكس أي شئ أدناه، ولا يمكنك أن ترى المنطقة إلا في الأعلى، حيث ضغط مجال الرؤية نصف الكروي يتم في الحقل المخروطي والمعروف باسم نافذة سنيل، ونجد أن قطرها يكون ضعف الزاوية الحرجة. [1]

شرح الزاوية الحرجة

ترمز الزاوية الحرجة في البصريات إلى زاوية الوقوع المحددة، والتي بعدها قد يحدث انعكاس داخلي كلي للضوء ، ثم ينحرف مسار شعاع الضوء ، الذي قد يصطدم بوسط ذو معامل انكسار أقل عن مساره الطبيعي ؛ فينتج عن ذلك أن زاوية خروج شعاع الضوء الذي يصبح أكبر من زاوية السقوط.

وهذا ما يسمى بـ الانعكاس الداخلي ، ولكن متى تكون زاوية الانكسار أكبر من زاوية السقوط ، في الواقع يحدث ذلك عند انتقال الضوء من وسط به معامل انكسار عالي إلى ، وسط ذو معامل انكسار أقل منه ، وذلك يحدث بسبب الاختلاف في معامل الانكسار ، وتُعرف الزاوية الحرجة بأنها زاوية السقوط التي بها زاوية انكسار 90 درجة ، وذلك يحدث نتيجة لانحناء الشعاع ناحية السطح . [2]

وكما أوضحنا إن الزاوية الحرجة في البصريات تشير إلى زاوية وقوع معينة ، وبعدها سوف تحدث


ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي


للضوء ، حيث نجد أن مسار شعاع الضوء ينحرف عن مساره الطبيعي عند اصطدامه بوسط يحتوي على معامل انكسار أقل ؛ وبسبب ذلك تصبح زاوية خروج شعاع الضوء أكبر من زاوية السقوط ، وذلك هو الانعكاس الداخلي الكلي . [3]

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 . [4]

الزاوية الحرجة للزجاج

عند انتقال الضوء من وسيط إلى آخر ، فيقوم بتغير سرعته وينكسر ؛ فإذا كانت أشعة الضوء تتنقل من أجل مادة قليلة الكثافة إلى وسط كثيف الكثافة ، فتنكسر بالاتجاه الطبيعي لها ، ولكن إذا حدث العكس وانتقلت من وسط كثيف الكثافة إلى وسط أقل كثافة ، مع زيادة زاوية السقوط مثل من الماء إلى الهواء ، أو من الزجاج إلى الهواء ؛ فنجد في هذه الحالة أن زاوية الانكسار تزداد أيضاً ، وعندما تصل زاوية السقوط إلى القيمة المعروفة بالزاوية الحرجة ، نجد أن الأشعة المنكسرة تنتقل على طول سطح الوسط ، أو بمعنى آخر نجد إنها تنكسر بزاوية 90 درجة ، والزاوية الحرجة لزاوية السقوط في الزجاج هي 42 درجة . [6]

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.

فالزوايا التي يصنعها الشعاع الساقط والشعاع المنكسر مع الوضع الطبيعي للسطح عند نقطة الانكسار ، ويعتمد الانكسار على الوسائط التي تنتقل عن طريقها أشعة الضوء ، وقد شرح


قانون سنل


من خلال مؤشرات الانكسار ذلك ، والتي يوجد بها أرقام ثابتة لوسائط محددة .

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

بالنسبة إلى بعض زوايا السقوط ، فإن زاوية الانكسار – زاوية الضوء الخارج – ستكون 90 مما يعني أن كل الضوء الذي يمر في الهواء سيكون على السطح ، من أجل ذلك لن ينتقل أي ضوء في الهواء ، وسينعكس كل الضوء على سطح الماء والهواء،  ويُعرف هذا بالانعكاس الداخلي الكلي . [5]

ظاهرة السراب والانعكاس الكلي الداخلي

نرى من خلال ظاهرة السراب العديد من الانعكاسات غير الحقيقة ؛ فقد نظن أن هناك ماء تعكس صورتها ، وتلك الظاهرة يكثر انتشارها في الصحراء ؛ فالصحراء تعمل على تسخين الرمال ، مما يؤدي بدوره إلى تسخين الهواء الموجود فوق تلك الرمال ، وذلك الهواء الساخن يتسبب في انحناء ، وانعكاس اشعة الضوء ؛ فمن


أسباب حدوث ظاهرة السراب


تكون العديد من الطبقات الهوائية المتنوعة والمختلفة ، حيث أن ظاهرة السراب بجانبها يوجد العديد من الظواهر الآخرى التي تنتج عن ظاهرة الانكسار . [7]

ومن الجدير بالذكر توضيح


الفرق بين السراب القطبي والسراب الصحراوي


؛ فنجد أن السراب القطبي ، يتمثل في إنه  طبقة من الهواء الدافئ ، وتكون تحته طبقة باردة ، والتي تعرف تلك العملية باسم انعكاس درجة الحرارة ، بينما السراب الصحراوي يجب أن يكون هناك تسخين بشكل مستمر للهواء ، لكي يدوم السراب الصحراوي لفترة طويلة . [8]