Riflessione totale - Prisma

Di Micaela Bonito.

Conseguenze della rifrazione: la riflessione totale. Uso del prisma per osservare la rifrazione della luce


Argomenti trattati:
Rifrazione - Riflessione totale - Prisma - Cenni lenti e costruzione delle immagini relative - Lenti convergenti - Lenti divergenti - Lenti sottili



- Riflessione totale

La riflessione totale è un fenomeno derivante dalla rifrazione e si verifica in  corrispondenza di un determinato angolo. Infatti se si aumenta l’angolo di incidenza del raggio luminoso anche l’angolo di rifrazione aumenta. Per un certo ql (la l sta per limite), il raggio rifratto non passa più per l’aria allontanandosi dalla normale in maniera del tutto coerente con la legge della rifrazione.
Per angoli di incidenza maggiori di questa angolo limite si verifica, quindi, il fenomeno della rifrazione totale.
Nel caso della rifrazione, convenzionalmente si assume che il secondo mezzo sia più denso del primo (caso del passaggio della luce tra l'aria e il vetro), ma se invertiamo la formula precedente e consideriamo più denso il primo dei due mezzi, ci accorgiamo che, onde avere il raggio rifratto, il raggio luminoso non può incidere oltre un certo angolo, chiamato angolo limite.
In questo caso il raggio rifratto riemerge parallelamente alla superficie, ossia a 90° con la normale. Ma poiché è, per definizione, sin 90° = 1 e dal momento che la funzione seno non può mai superare 1, ne segue che per avere la riemersione da un blocco di vetro a facce parallele con n = 1.5, l'angolo d'incidenza non può superare i 42°. Se l'incidenza sulla superficie di separazione tra il mezzo più denso e quello meno denso avviene sotto un angolo maggiore di quello limite, il raggio rifratto manca e si ha il fenomeno della riflessione totale.

- La rifrazione dell’atmosfera:
La rifrazione è prodotta anche dalla nostra atmosfera, sia pur in misura ridotta. Gli astrofotografi, ad esempio, devono tenerne conto quando immortalano oggetti celesti al di sotto dei 30°, ossia quando comincia a creare sensibili problemi d'inseguimento. Ci sono tuttavia casi molto vistosi, come il tramonto (o il sorgere) del Sole sul mare in cui è facile notare la deformazione che subisce il disco solare a causa dello spesso strato d'aria che la sua luce deve attraversare.

Riportiamo qui di seguito una tabella con alcuni tipici valori di indice di rifrazione:

Mezzo Indice di rifrazione
Aria            1,000294
Idrogeno 1,000139
Ossigeno 1,000272
Acqua 1,33
Alcol etilico 1,36
NaCl    1,53
Vetro Flint 1,579
Vetro Crown   1,516
Diamante          2,419
Zaffiro             1,76
Glicerina           1,474
Olio di cedro   1,515
Quarzo             1,544
Quarzo fuso      1,46
Etere               1,352



- Prisma

Un prisma ottico è in generale un solido di materiale omogeneo trasparente alla radiazione visibile (e infrarossa se di vetro comune, parzialmente anche all’ultravioletto se di quarzo) che permette la dispersione della luce nelle sue componenti cromatiche.
Genericamente la sua forma è proprio quella di un prisma.
Il vetro, come il quarzo, ha la caratteristica di essere un mezzo dispersivo, perchè ha un potere rifrattivo dipendente dalla lunghezza d’onda (come scopertoda Newton nel 1666) ; ciò  permette la dispersione della luce nelle sue componenti cromatiche.

- Miraggi e “fata morgana”: tutta colpa della rifrazione

La rifrazione è anche causa di numerosi fenomeni naturali, ad esempio il miraggio e la fata morgana. Entrambi sono dovuti alla diversa densità degli strati di aria, per cui quelli più densi risultano più rifrangenti rispetto a quelli meno densi.
Nelle giornate molto calde, l'aria vicina al suolo è molto più calda di quella che si trova negli strati superiori, e di conseguenza è più rarefatta. Se un raggio luminoso parte dalla cima di un albero diretto verso il basso, esso subisce una deviazione man mano che incontra gli strati meno rifrangenti, finchè l'inclinazione del raggio raggiunge e supera l'angolo limite, ed è diretto verso l'alto. Se il raggio, dopo questa traiettoria, incontra un osservatore, questi avrà l'impressione che esso ha compiuto un cammino in linea retta, per cui scorgerà l'albero e la sua immagine come se fosse riflessa in uno specchio d'acqua. Si ha in tal caso il miraggio.
Viceversa se le condizioni atmosferiche sono tali che l'aria più rarefatta è in superfice, un raggio diretto verso l'alto può venire rifratto fino ad essere deviato verso il basso. In tal caso l'oggetto può apparire sollevato dal suolo.
Tale fenomeno si verifica in modo evidente sullo stretto di Messina: la costa siciliana in particolari condizioni può apparire sospesa nell'aria. Si ha in tal caso il fenomeno detto fata morgana.