Reflecție (fizică)

Reflexia este un proces fizic de interacțiune a undelor sau particulelor cu o suprafață, o schimbare a direcției unui front de undă la limita a două medii cu proprietăți diferite, în care frontul de undă revine la mediul din care a provenit. Concomitent cu reflectarea undelor la interfața dintre medii, de regulă, are loc refracția undelor (cu excepția cazurilor de reflexie internă totală ).

În acustică , reflexia este cauza ecoului și este folosită în sonar . În geologie , joacă un rol important în studiul undelor seismice . Reflecția este observată pe undele de suprafață în corpurile de apă. Reflexia este observată cu multe tipuri de unde electromagnetice , nu numai pentru lumina vizibilă: reflectarea undelor radio VHF și frecvență mai înaltă este esențială pentru transmisiile radio și radar . Chiar și razele X dure și razele gamma pot fi reflectate la unghiuri mici față de suprafață de oglinzile special create . În medicină, reflectarea ultrasunetelor la interfețele dintre țesuturi și organe este utilizată în diagnosticul cu ultrasunete .

Istorie

Pentru prima dată, legea reflexiei este menționată în Catoptric a lui Euclid , datând din aproximativ 300 î.Hr. e.

Legile reflexiei. Formule Fresnel

Legea reflexiei luminii - stabilește o schimbare a direcției fasciculului de lumină ca urmare a unei întâlniri cu o suprafață reflectorizantă (speculară): razele incidente și reflectate se află în același plan cu normala la suprafața reflectoare în punctul de incidență, iar această normală împarte unghiul dintre raze în două părți egale. Formularea utilizată pe scară largă, dar mai puțin precisă, „unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență” nu indică direcția exactă de reflexie a fasciculului. Totuși, arată așa:

Această lege este o consecință a aplicării principiului lui Fermat la o suprafață reflectorizantă și, ca toate legile opticii geometrice, este derivată din optica ondulată . Legea este valabilă nu numai pentru suprafețele care reflectă perfect, ci și pentru limita a două medii, reflectând parțial lumina. În acest caz, precum și legea refracției luminii , nu precizează nimic despre intensitatea luminii reflectate.

Derivarea legii

Lasă-l să se afle în planul desenului. Lăsați axa să fie îndreptată orizontal, axa - vertical. Din considerentele de simetrie rezultă că , și trebuie să se afle în același plan. $\vec{k}$ $X$ $y$ $\vec{k}$ $\vec{k'}$ $\vec{k''}$

Să evidențiem o componentă polarizată plană din fasciculul incident, în care unghiul dintre și plan este arbitrar. Atunci dacă alegem faza inițială egală cu zero, atunci ${\vec {E}}$

$E=E_{m}e^{{i(\omega t-{\vec {k}}{\vec {r}})))=E_{m}e^{{\omega t-k_{x} x-k_{y}y}};$
$E'=E'_{m}e^{{i(\omega 't-{\vec {k'}}{\vec {r}})))=E'_{m}e^{{\ omega 'tk'_{x}xk'_{y}y+\alpha '}};$
$E''=E''_{m}e^{{i(\omega ''t-{\vec {k''}}{\vec {r))))}}=E''_{m } e^{{\omega ''tk''_{x}xk''_{y}y+\alpha ''}}.$

Câmpul rezultat în primul și, respectiv, al doilea mediu sunt egale

$E_{1}=E+E'=E_{m}e^{{\omega t-k_{x}x-k_{y}y}}+E'_{m}e^{{\omega 'tk '_{x}xk'_{y}y+\alpha '}};$
$E_2 = E'' = E''_m e^{\omega'' t - k''_x x - k''_y y + \alpha''} .$

Este evident că componentele tangenţiale şi trebuie să fie egale la interfaţă, adică la $E_1$ $E_2$ $y=0.$

Apoi

E_m e^{\omega t - k_x x - k_y y} + E'_m e^{\omega' t - k'_x x - k'_y y + \alpha'} = E''_m e^{\omega ''t - k''_x x - k''_y y + \alpha''}

Pentru ca ultima ecuație să fie valabilă pentru toți , este necesar ca și pentru ca ea să fie valabilă pentru toți este necesar ca $t,$ $\omega = \omega' = \omega''$ $X,$

k_x = k'_x = k''_x \Leftrightarrow k\sin{\alpha} = k'\sin{\alpha'} = k''\sin{\alpha''} \Leftrightarrow \cfrac {\omega } { v_1} \sin{\alpha} = \cfrac {\omega} {v_1} \sin{\alpha'} = \cfrac {\omega} {v_2} \sin{\alpha''},

Unde

v_{1}

și sunt vitezele undei în primul și, respectiv, al doilea mediu.

v_{2}

De aici rezultă că $\alpha = \alpha' \blacksquare$

Schimbarea lui Fedorov

Deplasarea Fedorov este fenomenul unei deplasări laterale mici (mai puțin decât o lungime de undă) a unui fascicul de lumină cu polarizare circulară sau eliptică cu reflexie internă totală. Ca urmare a deplasării, fasciculul reflectat nu se află în același plan cu fasciculul incident, așa cum declară legea de reflexie a luminii în optica geometrică.

Fenomenul a fost prezis teoretic de F. I. Fedorov în 1954 , descoperit ulterior experimental.

Mecanism de reflexie

În electrodinamica clasică , lumina este privită ca o undă electromagnetică, care este descrisă de ecuațiile lui Maxwell .

Când o undă electromagnetică (lumină) lovește suprafața unui dielectric : mici fluctuații ale polarizării dielectrice apar în atomi individuali, în urma cărora fiecare particulă radiază unde secundare în toate direcțiile (cum ar fi un dipol de antenă ). Toate aceste unde se adună și - în conformitate cu principiul Huygens-Fresnel - dau o reflexie și refracție în oglindă.[ clarifica ] .
Când o undă electromagnetică (lumină) lovește suprafața unui conductor : electronii oscilează ( curent electric ), al cărui câmp electromagnetic tinde să compenseze acest efect, ceea ce duce la reflexia aproape completă a luminii.

În funcție de frecvența de rezonanță a circuitelor oscilatorii din structura moleculară a unei substanțe, la reflexie este emisă o undă de o anumită frecvență (o anumită culoare). Acesta este modul în care obiectele capătă culoare. Deși culoarea unui obiect este determinată nu numai de proprietățile luminii reflectate (vezi Viziunea culorii și Fiziologia percepției culorii ).

Tipuri de reflecție

Reflexia luminii poate fi speculară (adică așa cum se observă atunci când se utilizează oglinzi ) sau difuză (în acest caz, reflexia nu păstrează calea razelor de la obiect, ci doar componenta energetică a fluxului luminos ), în funcție de natura suprafetei.

Reflecție în oglindă

Reflexia speculară a luminii se distinge printr-o anumită relație între pozițiile razelor incidente și reflectate: 1) raza reflectată se află într-un plan care trece prin raza incidentă și normala la suprafața reflectantă, restabilită în punctul de incidență; 2) unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență. Intensitatea luminii reflectate (caracterizată prin coeficientul de reflexie ) depinde de unghiul de incidență și de polarizare a fasciculului incident de raze (vezi Polarizarea luminii ), precum și de raportul indicilor de refracție n 2 și n 1 ai razelor. Media a 2-a și 1-a. Cantitativ, această dependență (pentru un mediu reflectorizant - un dielectric) este exprimată prin formulele Fresnel . Din acestea, în special, rezultă că atunci când lumina este incidentă de-a lungul normalului la suprafață, coeficientul de reflexie nu depinde de polarizarea fasciculului incident și este egal cu

$\frac{(n_2 - n_1)^2}{(n_2 + n_1)^2}$

Într-un caz special important de incidență normală de la aer sau sticlă la interfața lor (indicele de refracție al aerului = 1,0; sticlă = 1,5), acesta este de 4%.

Reflecție internă totală

Se observă pentru undele electromagnetice sau sonore la interfața dintre două medii, când unda cade dintr-un mediu cu o viteză de propagare mai mică (în cazul razelor de lumină, aceasta corespunde unui indice de refracție mai mare ).

Odată cu creșterea unghiului de incidență , crește și unghiul de refracție, în timp ce intensitatea fasciculului reflectat crește, iar cea a celui refractat scade (suma lor este egală cu intensitatea fasciculului incident). La o anumită valoare critică , intensitatea fasciculului refractat devine zero și are loc reflexia totală a luminii. Valoarea unghiului critic de incidență poate fi găsită prin stabilirea unghiului de refracție egal cu 90° în legea refracției : $i$ $i = i_k$

\sin{i_k} = n_2/n_1

Reflexia difuză a luminii

Când lumina este reflectată de pe o suprafață neuniformă, razele reflectate diverg în direcții diferite (vezi legea lui Lambert ). Din acest motiv, nu vă puteți vedea reflexia când vă uitați la o suprafață aspră (mată). Reflexia difuză devine atunci când suprafața este neuniformă de ordinul unei lungimi de undă sau mai mult. Astfel, aceeași suprafață poate fi mată, reflectorizant difuz pentru radiația vizibilă sau ultravioletă , dar netedă și reflectorizant specular pentru radiația infraroșie .