全反射的发现与运用

全反射的发现与运用

1870年的一天，英国皇家学会的演讲厅内座无虚席。物理学家丁达尔从容地走上讲台，他清了清嗓子说：“几个月之前有位朋友告诉我，从酒桶里流出来的酒竟会熠熠发光，真是不可思议。我听了之后也觉得奇怪，诸位对此也一定存有疑虑，所以我先来演示一番。”说着，他走到放在讲桌上的水桶旁，拔掉塞在水桶侧面孔上的木塞，并用光从水桶上面向水面照明。观众们都出乎意料地看到了这样的奇迹：发光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。这究竟是为什么？难道光线不再是直进了吗？丁达尔接着解释说：“原来这是全反射起的作用，表面上看，光好像走着弯路，实际上光是在弯曲的水流的内表面发生了多次的反射，光走过的是一条曲曲折折的折线哩！”

那么光在水中为什么会发生多次反射呢？丁达尔的观点是：当光从水中射向空气，也就是从光密媒质射向光疏媒质的时候，折射角随着入射角的增大而增大，并且折射角总要大于入射角。因此当入射角大于某一临界角θ时，折射角就会大于90°。也就是说，入射光将全部折回原来的媒质，不再进入到光疏媒质里去，这种现象称为全反射。很容易计算光由水射向空气时发生全反射的临界角为48.5°。

这是一个不大的角度，水流中的光线射到内表面的入射角都要超过这个临界角，所以它只能一次次地被反射，曲曲折折地前进了。只要我们留意，全反射现象是经常可以见到的。在清晨，我们可以看到荷叶上的露珠闪烁着耀眼的光芒，这就是因为光在水珠内发生了全反射的缘故。美丽的宝石光彩夺目，也是全反射的作用。天然的金刚石并不是非常美丽的，常常要经过加工才能发出光彩，工匠在钻石上磨出许多棱边，使大部分光线能在它众多的内表面发生多次全反射，最后散射开来，这样在各个方向上都有它的反射光线，所以无论从哪个角度看金刚石钻石总是那样晶莹透亮、光彩照人。用玻璃或其他材料磨制的仿宝石，由于折射率比金刚石大，临界角也大，光线在这些仿制品里就没有那么容易发生全反射，所以就不如金刚石晶亮了。

丁达尔的全反射实验引起了人们的兴趣。有人想到玻璃的折射率比水大，内壁更容易发生全反射。如果把玻璃管弯曲成文字形状，再把光射入弯曲的玻璃管的一端，那么光在玻璃管内多次反射，形成了一个熠熠闪亮的文字。不久，由这种发光字组成的广告语出现在伦敦的街头巷尾，夜里看来似火树银花一般，招徕了不少顾客。

现在，让我们取一个玻璃杯盘或玻璃烟灰缸，用手电筒的光来照射玻璃盘的上边。进入玻璃内的光线，由于在玻璃内部不断地反射而沿着弯曲的玻璃前进，最后从玻璃盘的另一边透射出来。如果你注视玻璃盘的下边就可以看到明亮的光斑。这些光斑就是手电筒的光沿着弯曲的玻璃传过来的。

在丁达尔实验的50多年后，也就是1927年，全反射现象在实际应用上又有新的突破。科学家贝德尔和汉塞尔提出了利用光纤维传送图像的设想：制造出一种透明度很高，细如蛛丝的玻璃丝——玻璃纤维。这种纤维由内芯和外套两层组成，内芯是光密媒质，外层是光疏媒质。光线在这种玻璃纤维中发生全反射，就会沿着弯弯曲曲的纤维前进了。两位科学家的奇妙设想马上引起各行专家的关注。医学家们想到它可以用来制造内窥镜。现在，光纤内窥镜发展到有10多个种类，成为医疗诊断的一种常用器件。这种内窥镜由许多条柔软纤细的光导纤维编织而成，每条纤维比头发还细，只有10～15微米粗细，整个内窥镜条也只有9.25～12.4毫米粗，病人可以不太痛苦地吞下它。由于镜身可以任意转弯，甚至可以弯180度，掉过头来看后面的情况，所以病人体内各脏器的情况，如肿瘤、息肉、炎症等均可一览无遗。

内窥镜发明后，科学家又提出了用玻璃光纤来传递图像进行远距离通信的设想。但是在激光器发明之前，这种美好的愿望只能是一种空想。因为光纤维在传送光的同时还要吸收一部分光能，普通的光在玻璃纤维中越走越弱，跑上几米，充当内窥镜是可以胜任的。要它远距离送信就无能为力了。一直到了20世纪70年代，美国、日本等国家才研制出极低损耗宽频带的光导纤维。与内窥镜相似，通信用的光导束（称为光缆）由几万根直径约为10微米的光导纤维组成，因为1根光纤只能传送1个光点，几万个光点就可以传递一个完整的图像了。

用光导纤维传送信息要比金属制成的电话线优越得多。一对金属电话线至多只能同时传送1000多路电话，而一对细如蛛丝的玻璃纤维，根据理论计算可以同时通100亿路电话。还有保密性好，不受干扰等优点。制造光纤的原料是石英，在地球上它是取之不尽、用之不竭的。一千克超纯玻璃可以代替十几吨铜。可以相信，随着现代通讯技术的高速发展，光导纤维将在未来的通信事业中扮演越来越重要的角色。

由全反射引起的许多光学现象中，要算水中的鱼仰望水面时所见到的景象最为怪异，如果不分析，一般人是难以想象出它的模样来的。假设清澈的池水中有一条鱼，在它的眼里，岸上的一切事物都被挤在一个大漏斗里，而鱼就位于这个“大漏斗”的底部。这个“大漏斗”的上部边缘围着由红、黄、绿、蓝、紫等颜色组成的彩色圈。圆圈的外边，展开着一片发光的水面，它像镜子一样，会映现出水中的各种物体。

为什么鱼的眼里看到的世界会如此不寻常呢？原来这一切都与光的全反射有关。光从水射向空气时，发生全反射的临界角是48.5°，水下光源S发出的光，只有在97°顶角的圆锥体范围内的光才能透过水面，散射向整个水面以上的空间。

根据光路可逆的道理，水面上180°视场角内整个空间中物体射来的光线进入水中就被挤在这个97°顶角的“大漏斗”内，所以整个水面上的世界被扭曲变形；位于鱼正上方的云，它的形状倒一点也没变，因为竖直水面的光线不会被折射，但岸边的树发出的光被水折射后射入鱼眼，鱼会以为这些光来自天空中树的虚像。由于树顶与树干发出的光的入射角不相同，它们被折射的程度也不一样。

如果说树顶的枝叶尚可保留它的基本形状，而下部的树干则更多地被压缩了。总之越靠近地面的树干被压缩得越厉害。这些变了形的树木的像悬挂在空中，在它们的背后是蓝天和白云。而“大漏斗”外面展开的水面似镜把水中的景象映现，所以在鱼看来，树长在空中，鱼也在空中游。

下面我们再来分析那些部分浸在水中，部分又露出水面的物体，在鱼看来又是如何的怪模样呢？

设直杆AB插在水池中，其中AO部分露出水面。位于E处的鱼当然可以毫不歪曲地看清楚直杆的水下部分OB。然而，由于水面全反射的缘故，鱼还可以看到这部分直杆以水面为镜对称的像，即OB在水面的倒影，不过这个倒影却位于OB的上方。至于直杆露出水面的那部分AO，由于它发出的光经过水的折射，改变了方向。在鱼眼看来它的像移到了高得多的位置上，并与水面完全脱离了。这部分杆的长度因压缩而变了形。特别是靠近O点的那部分杆被压缩得很厉害。所以这样的一根直杆在鱼的眼里却是由很不协调的三部分连在一起。弄清楚了这些道理，一棵被水淹没了一半的大树，鱼可以看到的景像就不足为怪的了。鱼看到入水洗澡的人应当是如此的怪物：人被分成了两截，成了两个动物。上截没有脚，下截没有头，却有四个手、四只脚。当我们从鱼的旁边走过时，人的上半身会越缩越短，最后只剩下一个空悬的人头。如果读者想验证一下上述的说法，可以把一面镜子沉入大鱼缸底，便可在镜中目睹这光怪离陆的水下奇观。