Phản xạ toàn phần được ứng dụng nhiều trong cuộc sống hiện nay. Để hiện tượng này xảy ra cần phụ thuộc vào những điều kiện nhất định. Nếu bạn còn chưa biết về loại phản xạ này là gì thì hãy cùng VietChem khám phá thông tin chi tiết trong bài viết bên dưới.

1. Phản xạ toàn phần là gì?

Theo định nghĩa vật lý chuẩn xác (Sách giáo khoa Vật lý lớp 11), phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt. Khi xảy ra hiện tượng này, không còn tia khúc xạ đi sang môi trường thứ hai, toàn bộ năng lượng ánh sáng được bảo toàn và hắt ngược lại môi trường chứa tia tới.

Góc giới hạn phản xạ toàn phần (ký hiệu là igh). Đây là góc tới hạn được đo giữa tia tới và pháp tuyến của mặt phân cách (không phải mặt phân cách), tại đó bắt đầu xuất hiện hiện tượng phản xạ toàn phần.

Tìm hiểu về phản xạ toàn phần

Loại phản xạ này gặp nhiều trong thực tế. Điển hình như ánh sáng khi chiếu qua dải phân cách giữa nước và không khí, ví dụ: mặt biển, mặt sông,… Ngoài ra, phản xạ có thể xuất hiện ở môi trường không khí với nhựa hay thủy tinh…

Tùy theo tính chất của bề mặt tiếp xúc mà hiện tượng phản xạ toàn phần sẽ có sự khác biệt. Dựa vào góc nghiêng của ánh sáng và mặt phân cách ở hai môi trường khác nhau sẽ tương ứng với những điều kiện phản xạ tương ứng.

2. Điều kiện phản xạ toàn phần 

Điều kiện xảy ra phản xạ toàn phần bao gồm những gì là vấn đề được nhiều quan tâm. Để hiện tượng quang học này xảy ra, cần tuân thủ các điều kiện sau:

2.1. Điều kiện về môi trường truyền sáng

Ánh sáng phải truyền từ một môi trường có chiết suất lớn (môi trường chiết quang hơn) sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn (môi trường chiết quang kém hơn).
Công thức biểu diễn: n1 > n2
Ví dụ: Truyền ánh sáng từ nước (n ≈ 1.33) hoặc thủy tinh (n ≈ 1.5) ra môi trường không khí (n ≈ 1).

2.2. Góc tới so với góc giới hạn có thể lớn hơn hoặc bằng

Điều kiện của góc tới đó là bằng hoặc lớn hơn góc giới hạn thì mới xảy ra quá trình phản xạ toàn phần. Công thức tính góc giới hạn là = n2/n1. 

Trong đó:

• n1: Chỉ số khúc xạ của môi trường ban đầu, cao hơn so với môi trường còn lại.
• n2: Chỉ số khúc xạ của môi trường có chỉ số khúc xạ thấp hơn.

Tìm hiểu điều kiện xảy ra phản xạ toàn phần

2.3. Điều kiện khi ánh sáng đi qua không khí

Khi ánh sáng chiếu ra không khí từ môi trường có chiết suất hoặc chỉ số khúc xạ thấp. Điều kiện để xảy ra toàn phần đó là góc tới bằng hoặc lớn hơn góc giới hạn. Công thức tính góc giới hạn là sinigh = 1/n. Trong đó n là chỉ số khúc xạ.

3. Phân biệt phản xạ toàn phần và phản xạ thông thường

Phản xạ toàn phần và phản xạ thông thường đều có điểm giống nhau là tuân theo định luật ánh sáng. Đồng thời, ánh sáng bị hắt lại môi trường cũ. 

Tuy nhiên, hai loại phản xạ này lại có những điểm khác biệt rõ rệt thông qua bảng so sánh dưới đây.

4. Ứng dụng phản xạ toàn phần

Phản xạ toàn phần sau khi đã đáp ứng những điều kiện trên được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng của cuộc sống. Bao gồm:

4.1. Chế tạo sợi cáp quang

Sợi cáp quang là cuộc cách mạng trong ngành viễn thông và Internet toàn cầu. Cấu tạo cáp quang gồm hai phần chính:

• Phần lõi (Core): Làm bằng thủy tinh siêu tinh khiết có chiết suất lớn (n1).
• Phần vỏ (Cladding): Bao quanh lõi, có chiết suất nhỏ hơn (n2 < n1).

Khi ánh sáng truyền vào lõi dưới góc tới lớn hơn góc giới hạn, nó sẽ liên tục bị phản xạ toàn phần ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ. Nhờ đó, tín hiệu ánh sáng (mang dữ liệu) được dẫn truyền đi cực xa dọc theo sợi cáp mà hầu như không bị suy hao năng lượng.

Phản xạ toàn phần ứng dụng trong ống nhòm, kính thiên văn

4.2. Thiết bị nội soi trong y học

Tương tự như nguyên lý cáp quang, các bác sĩ sử dụng các bó sợi quang học siêu nhỏ luồn vào cơ thể bệnh nhân. Một bó sợi có nhiệm vụ dẫn ánh sáng từ ngoài vào để chiếu sáng cơ quan nội tạng, bó sợi còn lại dẫn hình ảnh phản chiếu ngược ra ngoài màn hình hiển thị nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần, giúp chẩn đoán bệnh chính xác mà không cần phẫu thuật hở.

4.3. Ứng dụng trong chế tạo mắt kính

Trong các loại ống nhòm quân sự, kính thiên văn hay kính tiềm vọng của tàu ngầm, người ta không dùng gương thông thường vì gương dễ bị mờ và hấp thụ bớt ánh sáng. Thay vào đó, họ sử dụng các lăng kính phản xạ toàn phần (lăng kính tam giác vuông cân). Khi ánh sáng đi vào lăng kính, nó bị phản xạ toàn phần ở các mặt bên, giúp đảo chiều hình ảnh (cho ảnh thuận chiều) và giữ nguyên độ sáng sắc nét tối đa.

Ứng dụng trong chế tạo mắt kính

4.4. Giải mã sự lấp lánh của kim cương

Kim cương tự nhiên có chiết suất cực kỳ cao (n ≈ 2.417), dẫn đến góc giới hạn phản xạ toàn phần của nó rất nhỏ (chỉ khoảng 24.4°). Khi thợ kim hoàn cắt xẻ kim cương theo các góc độ hình học chuẩn xác, ánh sáng đi vào bên trong sẽ dễ dàng bị phản xạ toàn phần liên tục qua nhiều mặt trước khi thoát ra ngoài. Điều này tạo nên sự lấp lánh, rực rỡ đặc trưng của kim cương.

4.5. Hiện tượng cầu vồng và ảo ảnh sa mạc (Fata Morgana)

- Cầu vồng: Ánh sáng mặt trời khi đi vào giọt nước mưa sẽ bị khúc xạ, phân tách thành các màu sắc, sau đó phản xạ toàn phần (hoặc phản xạ một phần) ở mặt sau giọt nước trước khi khúc xạ ra ngoài đến mắt người xem.
- Ảo ảnh sa mạc: Vào những ngày nắng nóng, lớp không khí sát mặt đất bị nung nóng nên có chiết suất nhỏ hơn lớp không khí phía trên. Ánh sáng từ bầu trời truyền xuống gặp lớp không khí nóng này dưới góc tới lớn sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần hướng ngược lên trên, khiến người đi đường nhìn thấy ảo ảnh giống như có một vũng nước phản chiếu bầu trời ở phía trước.

Hiện tượng phản xạ toàn phần không chỉ là một bài học lý thuyết vật lý lý thú mà còn là nền tảng cốt lõi cho sự phát triển của công nghệ thông tin và y học hiện đại. Hy vọng những kiến thức khoa học chuẩn xác và các ứng dụng thực tế sinh động được chia sẻ bởi VietChem đã giúp bạn có cái nhìn sâu sắc và toàn diện nhất về hiện tượng quang học kỳ thú này.