Reflexão total da luz

Quando a luz incide sobre uma superfície de separação entre dois meios, uma parte dela sofre refração e a outra, reflexão, conforme mostra a figura a seguir:

Diagrama demonstrando o comportamento da luz ao incidir sobre a superfície entre dois meios de índices de refração diferentes

A figura mostra a reflexão e a refração quando a luz passa de um meio menos refringente para um meio mais refringente, por exemplo, passa do ar para a água.

Veja agora o que acontece quando a luz passa do meio mais refringente para outro menos refringente. Podemos considerar como exemplo a luz passando da água para o ar. Observe o que acontece na figura, em que a fonte de luz é colocada embaixo de um aquário com água:

A partir do ponto P, a luz é totalmente refletida

Observe que todos os raios de luz que atravessam o aquário, nos pontos à esquerda do ponto P, têm uma parte refletida e outra refratada. Mas quando o ângulo entre os raios de luz incidentes e a reta normal à superfície do aquário é igual a L, o ângulo-limite, não ocorre mais a refração, e sim a reflexão total da luz.

Veja agora um diagrama representando a reflexão total da luz:

A figura mostra que, quando o ângulo de incidência é igual a L, o ângulo de reflexão é 90º

O ângulo-limite é definido como o “menor ângulo de incidência da luz em uma superfície de separação entre dois meios a partir dos quais ela é totalmente refletida”. Ele pode ser calculado a partir da lei de Snell-Descartes:

n₁ . Sen i = n₂ . Sen r

Sendo:

n₁ – índice de refração do meio 1;
n₂ – índice de refração do meio 2;
i – ângulo de incidência;
r – ângulo de reflexão.

No caso da reflexão total da luz, sabemos que n₁ > n₂, uma vez que esse fenômeno ocorre apenas quando a luz passa de um meio mais refringente para outro menos refringente. Além disso, o ângulo de incidência i é o ângulo-limite L, e o ângulo de reflexão é 90º:

i = L e r = 90

Substituindo esses dados na Lei de Snell-Descartes, teremos:

n₁ . Sen L = n₂ . Sen 90º

Sen 90º = 1, portanto:

n₁ . Sen L = n₂ . 1
Sen L = n₂
                 n₁

Uma consequência da reflexão total da luz é a impressão que temos de que a superfície do asfalto está molhada em dias quentes, fato que caracteriza um tipo de miragem. A luz proveniente do Sol atravessa várias camadas de ar com temperaturas diferentes. O ar que está perto do asfalto é mais quente e, acima dele, existe outra camada de ar com temperatura um pouco menor. Essa diferença de temperatura faz com que o ar tenha densidades diferentes e, consequentemente, as duas camadas terão índices de refração diferentes.

Os raios de luz incidem na camada de ar mais quente, passando primeiro pela camada mais fria e com maior índice de refração. Dependendo do ângulo de visão do observador, a luz refletirá na superfície de separação entre essas duas camadas a imagem do céu, dando a impressão de que o asfalto está molhado.