Pembiasan dan pemantulan internal total

Cahaya di dalam berlian hanya dapat keluar jika mengenai permukaan dengan sudut kurang dari 24.4° terhadap garis normal. Itulah sebabnya berlian berkilau.

Mengapa cahaya membelok

Sedotan di dalam gelas berisi air tampak patah di permukaan air, dan ikan di akuarium bisa terlihat berada di dua tempat sekaligus. Keduanya merupakan akibat pembiasan, yaitu perubahan arah cahaya saat berpindah dari satu bahan ke bahan lain. Menurut OpenStax, penyebabnya adalah perubahan kecepatan cahaya. Cahaya bergerak lebih lambat di kaca atau air daripada di udara karena berinteraksi dengan atom bahan tersebut. Besarnya perlambatan dinyatakan dengan indeks bias, n = c/v, dengan c sebagai kecepatan cahaya dalam vakum dan v sebagai kecepatannya dalam bahan. Karena cahaya tidak pernah lebih cepat daripada c, nilai n selalu sekurang-kurangnya 1.

Mengapa perubahan kecepatan mengubah arah? OpenStax memakai perumpamaan mesin pemotong rumput. Dorong mesin secara miring dari jalan setapak ke rumput: roda yang lebih dahulu menyentuh rumput melambat, sementara roda lainnya masih di jalan, sehingga mesin berbelok mendekati arah tegak lurus batas jalan. Saat kembali dari rumput ke jalan, roda pertama mempercepat geraknya dan mesin berbelok menjauhi arah tegak lurus. Cahaya juga demikian. Saat memasuki bahan yang memperlambatnya, cahaya membelok mendekati garis normal; saat memasuki bahan yang membuatnya lebih cepat, cahaya menjauhi garis normal. Lintasannya dapat dibalik tepat sama. Cahaya yang mengenai batas secara tegak lurus, sepanjang garis normal, terus lurus tanpa membelok.

Hukum Snellius

Aturan tepatnya adalah hukum pembiasan atau hukum Snellius: n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂, dengan kedua sudut diukur dari garis normal. Menurut OpenStax, namanya diambil dari matematikawan Belanda Willebrord Snell (1580 hingga 1626), meskipun Ibn Sahl telah menemukannya pada 984 dan menggunakannya dalam karyanya On Burning Mirrors and Lenses. Dalam salah satu contoh OpenStax, cahaya masuk dari udara ke suatu bahan pada sudut 30.0° lalu merambat pada sudut 22.0°; maka n₂ = sin 30.0° ÷ sin 22.0° = 1.33, yaitu indeks bias air. Dalam contoh lain, cahaya masuk ke berlian pada sudut 30.0° lalu membelok menjadi hanya 11.9°: semakin besar perubahan kecepatannya, semakin besar perubahan arahnya.

Pemantulan internal total

Saat cahaya berpindah dari bahan yang memperlambatnya ke bahan yang membuatnya lebih cepat, misalnya dari air ke udara, cahaya membelok menjauhi garis normal. Karena itu, sudut bias lebih besar daripada sudut datang. Miringkan sinar datang lebih jauh, dan sinar bias makin mendekati permukaan. Pada sudut tertentu, yaitu sudut kritis θc, sinar merambat sepanjang permukaan pada sudut 90°. Di atas sudut itu, tidak ada cahaya yang keluar: semuanya dipantulkan kembali ke dalam. OpenStax menyebutnya pemantulan internal total dan memberikan rumus θc = sin⁻¹(n₂/n₁), yang hanya berlaku jika n₁ > n₂. Dari air ke udara, θc sebesar 48.6°; untuk polistirena 42.2°; dan untuk berlian hanya 24.4°. Pada arah sebaliknya, dari udara ke air, pemantulan internal total tidak dapat terjadi.

Pemantulan internal total menghasilkan cermin sempurna tanpa lapisan perak dan memiliki banyak kegunaan. Dalam serat optik, cahaya masuk ke inti kaca tipis dan terus mengenai sisinya pada sudut di atas sudut kritis. Cahaya pun berulang kali dipantulkan dan mengikuti lengkungan serat. Lapisan berindeks bias lebih rendah, yang disebut selubung, menjaga cahaya tetap di dalam meskipun serat saling bersentuhan. Menurut OpenStax, sebagian besar lalu lintas telepon dan internet kini dikirim sebagai cahaya laser melalui serat semacam ini. Berkas serat dalam endoskop memungkinkan dokter melihat bagian dalam tubuh. Teropong memakai prisma dengan pemantulan internal total sebagai pengganti cermin. Dalam berlian, sudut kritis yang kecil memerangkap cahaya. Cahaya memantul berulang kali di dalam dan hanya keluar di beberapa tempat, menghasilkan kilauan.