Réflexion (physique)
La réflexion est le changement de direction d’un front d’onde à une interface entre deux milieux dissemblables de sorte que le front d’onde retourne dans le milieu d’où il provient. Les exemples courants incluent la réflexion de la lumière, du son et des vagues d’eau. Le phénomène de réflexion est extrêmement utile dans notre vie quotidienne. Par exemple, la réflexion de la lumière visible nous permet de voir des objets qui ne produisent pas leur propre lumière. La réflexion des micro-ondes est utile pour les scanners radar. La réflexion des ondes sonores dans un théâtre ou une salle de concert donne de la vie à une production sur scène. La réflexion des ondes sismiques permet aux chercheurs d’étudier la structure de la Terre et de rechercher du pétrole et d’autres ressources naturelles. La réflexion de la lumière visible est également souvent utilisée à des fins esthétiques.
La réflexion de la lumière peut être spéculaire (c’est-à-dire semblable à un miroir) ou diffuse (c’est-à-dire ne pas retenir l’image, seulement l’énergie) selon la nature de l’interface. Que les interfaces soient constituées de diélectrique-conducteur ou de diélectrique-diélectrique, la phase de l’onde réfléchie peut être ou non inversée.
Réflexion spéculaire (en miroir)
L’angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion.
Un miroir, constitué d’une feuille de verre devant un revêtement métallique, fournit le modèle fondamental de la réflexion spéculaire de la lumière. (La plupart de la réflexion se produit à partir de la surface du revêtement métallique.) La réflexion est renforcée dans les métaux par la suppression de la propagation des ondes au-delà de leur profondeur de peau. Il est également possible que la réflexion se produise à partir de la surface de milieux transparents, comme l’eau ou le verre.
Dans le schéma, un rayon lumineux PO frappe un miroir vertical au point O, et le rayon réfléchi est OQ. En projetant une ligne imaginaire passant par le point O et perpendiculaire au miroir, appelée normale, on peut mesurer l’angle d’incidence, θi et l’angle de réflexion, θr. La loi de la réflexion stipule que θi = θr, ou en d’autres termes, l’angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion.
En fait, la réflexion de la lumière peut se produire chaque fois que la lumière se déplace d’un milieu d’un indice de réfraction donné dans un milieu avec un indice de réfraction différent. Dans le cas le plus général, une certaine fraction de la lumière est réfléchie par l’interface, et le reste est réfracté. La résolution des équations de Maxwell pour un rayon lumineux frappant une frontière permet de dériver les équations de Fresnel, qui peuvent être utilisées pour prédire la quantité de lumière réfléchie et la quantité de lumière réfractée dans une situation donnée. La réflexion interne totale de la lumière à partir d’un milieu plus dense se produit si l’angle d’incidence est supérieur à l’angle critique (angle d’incidence minimal auquel la réflexion interne totale se produit).
Lorsque la lumière se réfléchit sur un matériau plus dense (avec un indice de réfraction plus élevé) que le milieu extérieur, elle subit une inversion de phase de 180°. En revanche, un matériau moins dense et d’indice de réfraction plus faible réfléchira la lumière en phase. C’est un principe important dans le domaine de l’optique des couches minces.
La réflexion spéculaire sur une surface courbe forme une image qui peut être agrandie ou démagnifiée ; les miroirs courbes ont un pouvoir optique. Ces miroirs peuvent avoir des surfaces sphériques ou paraboliques.
Réflexion diffuse
Lorsque la lumière frappe une surface rugueuse ou granuleuse, elle rebondit dans toutes les directions en raison des irrégularités microscopiques de l’interface. Ainsi, une image ne se forme pas. Ce phénomène est appelé réflexion diffuse. La forme exacte de la réflexion dépend de la structure de la surface.
Rétro-réflexion
Certaines surfaces présentent une rétro-réflexion. La structure de ces surfaces est telle que la lumière est renvoyée dans la direction d’où elle est venue. On peut fabriquer un rétroréflecteur simple en plaçant trois miroirs ordinaires mutuellement perpendiculaires les uns aux autres (un réflecteur d’angle). L’image produite est l’inverse de celle produite par un seul miroir.
File:Corner-reflector.svg
On peut rendre une surface partiellement rétroréfléchissante en y déposant une couche de minuscules sphères réfringentes ou en créant de petites structures en forme de pyramides (réflexion en coin de cube). Dans les deux cas, la réflexion interne fait que la lumière est renvoyée vers son point d’origine. Cette technique est utilisée pour que les panneaux de signalisation et les plaques d’immatriculation des véhicules renvoient la lumière principalement dans la direction d’où elle provient. Dans cette application, une rétroréflexion parfaite n’est pas souhaitée car la lumière serait alors renvoyée dans les phares d’une voiture en sens inverse plutôt que vers les yeux du conducteur.
Réflexion conjuguée complexe
La lumière rebondit exactement dans la direction d’où elle est venue en raison d’un processus optique non linéaire. Dans ce type de réflexion, non seulement la direction de la lumière est inversée, mais les fronts d’onde réels sont également inversés. Un réflecteur conjugué peut être utilisé pour éliminer les aberrations d’un faisceau en le réfléchissant puis en faisant passer la réflexion par l’optique aberrante une seconde fois.
Réflexion des neutrons
Certains matériaux, comme le béryllium, peuvent réfléchir les neutrons. Ils sont utilisés dans les réacteurs nucléaires et les armes nucléaires.
Réflexion du son
Lorsqu’une onde sonore longitudinale frappe une surface plane, le son est réfléchi de manière cohérente à condition que la dimension de la surface réfléchissante soit grande par rapport à la longueur d’onde du son. Il convient de noter que le son a une très large gamme de fréquences (de 20 à environ 17 000 Hz), et donc une très large gamme de longueurs d’onde (d’environ 20 mm à 17 m). Par conséquent, la nature générale de la réflexion varie en fonction de la texture et de la structure de la surface. Par exemple, les matériaux poreux absorbent une partie de l’énergie, tandis que les matériaux rugueux (la rugosité étant relative à la longueur d’onde) ont tendance à réfléchir dans de nombreuses directions, c’est-à-dire à disperser l’énergie plutôt qu’à la réfléchir de manière cohérente. Cela mène au domaine de l’acoustique architecturale, car la nature de ces réflexions est essentielle à la sensation auditive d’un espace.
Dans la théorie de l’atténuation du bruit extérieur, la taille de la surface réfléchissante nuit légèrement au concept d’un mur antibruit en réfléchissant une partie du son dans la direction opposée.
Réflexion sismique
Les ondes sismiques produites par les tremblements de terre ou d’autres sources (telles que les explosions) peuvent être réfléchies par des couches au sein de la Terre. L’étude des réflexions profondes des ondes générées par les séismes a permis aux sismologues de déterminer la structure en couches de la Terre. Les réflexions moins profondes sont utilisées en sismologie de réflexion pour étudier la croûte terrestre en général, et en particulier pour prospecter les gisements de pétrole et de gaz naturel.
Interprétation quantique
Toutes les interactions entre les photons lumineux et la matière sont décrites comme une série d’absorption et d’émission de photons. Si l’on examine une seule molécule à la surface d’un matériau, un photon arrivant sera absorbé et presque immédiatement réémis. Le « nouveau » photon peut être émis dans n’importe quelle direction, provoquant ainsi une réflexion diffuse.
La réflexion spéculaire (suivant la loi de réflexion équi-angulaire de Hero) est un effet de mécanique quantique expliqué comme la somme des chemins les plus probables que les photons auront pris. L’interaction lumière-matière est un sujet de l’électrodynamique quantique, et est décrite en détail par Richard Feynman dans son livre QED : The Strange Theory of Light and Matter.
Comme le photon absorbé par la molécule peut correspondre aux niveaux énergétiques de la molécule (cinétique, rotationnel, électronique ou vibratoire), le photon peut ne pas être réémis ou alternativement perdre une partie de son énergie dans le processus. Le photon émis aura un niveau d’énergie légèrement différent. Ces effets sont connus sous le nom de diffusion Raman, Brillouin et Compton.
Voir aussi
- Diffraction
- Lumière
- Réfraction
Notes
- L’indice de réfraction d’un milieu (à travers lequel se déplace la lumière) est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans ce milieu.
- ACEPT Groupe W3. 1999. La réflexion de la lumière. Dept. de physique et d’astronomie, Arizona State Univ. Consulté le 10 février 2007.
- Fishbane, Paul M., Stephen Gasiorowicz, et Stephen T. Thornton. 2005. Physique pour les scientifiques et les ingénieurs. 3rd ed. Vol. 2, Upper Saddle River, NJ : Prentice Hall. ISBN 0131418815.
- Henderson, Tom. 2004. La réflexion et le modèle de rayon de la lumière. The Physics Classroom. Consulté le 10 février 2007.
- Russell, Dan. 2006. Réflexion des ondes sur les frontières. Physique appliquée de l’université de Kettering. Consulté le 10 février 2007
Crédits
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