Reflexión (física)
La reflexión es el cambio de dirección de un frente de onda en una interfaz entre dos medios distintos, de modo que el frente de onda vuelve al medio del que se originó. Algunos ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas de agua. El fenómeno de la reflexión es muy valioso para nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, la reflexión de la luz visible nos permite ver objetos que no producen su propia luz. La reflexión de las microondas es útil para los escáneres de radar. La reflexión de las ondas sonoras en un teatro o una sala de conciertos anima una producción en el escenario. La reflexión de las ondas sísmicas permite a los investigadores estudiar la estructura de la Tierra y buscar petróleo y otros recursos naturales. La reflexión de la luz visible también se utiliza a menudo con fines estéticos.
La reflexión de la luz puede ser especular (es decir, como un espejo) o difusa (es decir, que no retiene la imagen, sólo la energía) dependiendo de la naturaleza de la interfaz. Si las interfaces consisten en dieléctrico-conductor o dieléctrico-dieléctrico, la fase de la onda reflejada puede o no estar invertida.
Reflexión especular (tipo espejo)
El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
Un espejo, formado por una lámina de vidrio delante de un revestimiento metálico, proporciona el modelo fundamental para la reflexión especular de la luz. (La mayor parte de la reflexión se produce en la superficie del revestimiento metálico.) La reflexión se ve reforzada en los metales por la supresión de la propagación de las ondas más allá de la profundidad de su piel. También es posible que la reflexión se produzca desde la superficie de medios transparentes, como el agua o el vidrio.
En el diagrama, un rayo de luz PO incide en un espejo vertical en el punto O, y el rayo reflejado es OQ. Proyectando una línea imaginaria a través del punto O perpendicular al espejo, conocida como la normal, podemos medir el ángulo de incidencia, θi y el ángulo de reflexión, θr. La ley de la reflexión establece que θi = θr, o lo que es lo mismo, que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
De hecho, la reflexión de la luz puede producirse siempre que la luz viaja desde un medio de un índice de refracción determinado a un medio con un índice de refracción diferente. En el caso más general, una cierta fracción de la luz se refleja en la interfase, y el resto se refracta. La resolución de las ecuaciones de Maxwell para un rayo de luz que incide en una frontera permite derivar las ecuaciones de Fresnel, que pueden utilizarse para predecir qué parte de la luz se refleja y qué parte se refracta en una situación determinada. La reflexión interna total de la luz de un medio más denso se produce si el ángulo de incidencia está por encima del ángulo crítico (ángulo mínimo de incidencia en el que se produce la reflexión interna total).
Cuando la luz se refleja en un material más denso (con mayor índice de refracción) que el medio externo, sufre una inversión de fase de 180°. Por el contrario, un material menos denso y de menor índice de refracción reflejará la luz en fase. Este es un principio importante en el campo de la óptica de película fina.
La reflexión especular en una superficie curvada forma una imagen que puede ser ampliada o desmagnificada; los espejos curvados tienen potencia óptica. Estos espejos pueden tener superficies esféricas o parabólicas.
Reflexión difusa
Cuando la luz incide en una superficie rugosa o granular, rebota en todas las direcciones debido a las irregularidades microscópicas de la interfaz. Así, no se forma una imagen. Esto se llama reflexión difusa. La forma exacta de la reflexión depende de la estructura de la superficie.
Retrorreflexión
Algunas superficies presentan retrorreflexión. La estructura de estas superficies es tal que la luz se devuelve en la dirección de la que procede. Se puede fabricar un retrorreflector sencillo colocando tres espejos ordinarios perpendiculares entre sí (un reflector de esquina). La imagen producida es la inversa de la producida por un solo espejo.
File:Corner-reflector.svg
Una superficie puede hacerse parcialmente retrorreflectante depositando sobre ella una capa de diminutas esferas refractantes o creando pequeñas estructuras piramidales (cubo de reflexión en esquina). En ambos casos, la reflexión interna hace que la luz se refleje de nuevo en su lugar de origen. Esto se utiliza para que las señales de tráfico y las matrículas de los automóviles reflejen la luz principalmente en la dirección de la que procede. En esta aplicación, no se desea una retrorreflexión perfecta, ya que la luz se dirigiría a los faros de un coche que se aproxima en lugar de a los ojos del conductor.
Reflexión conjugada compleja
La luz rebota exactamente en la dirección de la que procede debido a un proceso óptico no lineal. En este tipo de reflexión, no sólo se invierte la dirección de la luz, sino que también se invierten los frentes de onda reales. Un reflector conjugado puede utilizarse para eliminar las aberraciones de un haz reflejándolo y haciendo pasar la reflexión por la óptica aberrante una segunda vez.
Reflexión de neutrones
Algunos materiales, como el berilio, pueden reflejar neutrones. Se utilizan en los reactores nucleares y en las armas nucleares.
Reflexión del sonido
Cuando una onda sonora longitudinal incide en una superficie plana, el sonido se refleja de forma coherente siempre que la dimensión de la superficie reflectante sea grande en comparación con la longitud de onda del sonido. Hay que tener en cuenta que el sonido tiene un rango de frecuencias muy amplio (de 20 a unos 17.000 Hz) y, por tanto, un rango muy amplio de longitudes de onda (de unos 20 mm a 17 m). En consecuencia, la naturaleza global de la reflexión varía en función de la textura y la estructura de la superficie. Por ejemplo, los materiales porosos absorben parte de la energía, y los materiales rugosos (donde la rugosidad es relativa a la longitud de onda) tienden a reflejar en muchas direcciones, es decir, a dispersar la energía en lugar de reflejarla coherentemente. Esto nos lleva al campo de la acústica arquitectónica, ya que la naturaleza de estas reflexiones es fundamental para la sensación auditiva de un espacio.
En la teoría de la mitigación del ruido exterior, el tamaño de la superficie reflectante desvirtúa ligeramente el concepto de barrera acústica al reflejar parte del sonido en la dirección opuesta.
Reflexión sísmica
Las ondas sísmicas producidas por terremotos u otras fuentes (como las explosiones) pueden ser reflejadas por las capas del interior de la Tierra. El estudio de las reflexiones profundas de las ondas generadas por los terremotos ha permitido a los sismólogos determinar la estructura en capas de la Tierra. Las reflexiones más superficiales se utilizan en la sismología de reflexión para estudiar la corteza terrestre en general y, en particular, para buscar yacimientos de petróleo y gas natural.
Interpretación cuántica
Todas las interacciones entre los fotones de la luz y la materia se describen como una serie de absorción y emisión de fotones. Si uno examina una sola molécula en la superficie de un material, un fotón que llega será absorbido y casi inmediatamente reemitido. El «nuevo» fotón puede ser emitido en cualquier dirección, provocando así una reflexión difusa.
La reflexión especular (siguiendo la ley de reflexión equiangular de Hero) es un efecto mecánico cuántico que se explica como la suma de los caminos más probables que habrán tomado los fotones. La interacción luz-materia es un tema de la electrodinámica cuántica, y es descrita en detalle por Richard Feynman en su libro QED: The Strange Theory of Light and Matter.
Como el fotón absorbido por la molécula puede coincidir con niveles energéticos de la molécula (cinético, rotacional, electrónico o vibracional), el fotón puede no ser reemitido o, alternativamente, puede perder parte de su energía en el proceso. El fotón emitido tendrá un nivel de energía ligeramente diferente. Estos efectos se conocen como dispersión Raman, Brillouin y Compton.
Ver también
- Difracción
- Luz
- Refracción
Notas
- El índice de refracción de un medio (por el que viaja la luz) es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en ese medio.
- ACEPT W3 Group. 1999. La reflexión de la luz. Dept. of Physics and Astronomy, Arizona State Univ. Retrieved February 10, 2007.
- Fishbane, Paul M., Stephen Gasiorowicz, and Stephen T. Thornton. 2005. Física para científicos e ingenieros. 3rd ed. Vol. 2. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 0131418815.
- Henderson, Tom. 2004. Reflection and the Ray Model of Light (La reflexión y el modelo del rayo de luz). The Physics Classroom. Recuperado el 10 de febrero de 2007.
- Russell, Dan. 2006. Reflection of Waves from Boundaries. Física aplicada de la Universidad de Kettering. Recuperado el 10 de febrero de 2007
Créditos
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