Odbicie (fizyka)

Odbicie (fizyka)

Odbicie to zmiana kierunku frontu fali na styku dwóch różnych mediów tak, że front fali powraca do medium, z którego pochodzi. Typowe przykłady obejmują odbicie światła, dźwięku i fal wodnych. Zjawisko odbicia jest niezwykle cenne w naszym codziennym życiu. Na przykład, odbicie światła widzialnego pozwala nam zobaczyć obiekty, które nie wytwarzają własnego światła. Odbicie mikrofal jest przydatne w skanerach radarowych. Odbicie fal dźwiękowych w teatrze lub sali koncertowej ożywia spektakl na scenie. Odbicie fal sejsmicznych umożliwia naukowcom badanie struktury Ziemi oraz poszukiwanie ropy naftowej i innych zasobów naturalnych. Odbicie światła widzialnego jest również często używany do celów estetycznych.

Odbicie światła może być specular (to jest lustrzane) lub rozproszone (to jest, nie zachowując obraz, tylko energii) w zależności od charakteru interfejsu. Czy interfejsy składają się z dielektryk-przewodnik lub dielektryk-dielektryk, faza fali odbitej może być lub nie może być odwrócona.

Specular (lustrzane) odbicie

Zwierciadło, składające się ze szklanej tafli przed metaliczną powłoką, stanowi podstawowy model odbicia światła spekularnego. (Większość odbicia następuje od powierzchni powłoki metalicznej). Odbicie jest wzmocnione w metalach przez tłumienie propagacji fali poza głębokość ich skóry. Możliwe jest również odbicie od powierzchni przezroczystych mediów, takich jak woda lub szkło.

Na rysunku promień świetlny PO uderza w pionowe lustro w punkcie O, a promień odbity to OQ. Rzutując urojoną prostą przez punkt O prostopadłą do zwierciadła, zwaną normalną, możemy zmierzyć kąt padania, θi oraz kąt odbicia, θr. Prawo odbicia mówi, że θi = θr, lub innymi słowy, kąt padania równa się kątowi odbicia.

W rzeczywistości, odbicie światła może wystąpić w każdym przypadku, gdy światło podróżuje z ośrodka o danym współczynniku załamania do ośrodka o innym współczynniku załamania. W najbardziej ogólnym przypadku, pewien ułamek światła jest odbity od interfejsu, a reszta jest załamana. Rozwiązanie równań Maxwella dla promienia świetlnego uderzającego w granicę pozwala na wyprowadzenie równań Fresnela, które mogą być użyte do przewidywania, jaka część światła jest odbijana, a jaka załamywana w danej sytuacji. Całkowite wewnętrzne odbicie światła od gęstszego ośrodka występuje, jeśli kąt padania jest powyżej kąta krytycznego (minimalny kąt padania, przy którym występuje całkowite wewnętrzne odbicie).

Gdy światło odbija się od materiału gęstszego (o wyższym współczynniku załamania) niż ośrodek zewnętrzny, ulega odwróceniu fazy o 180°. W przeciwieństwie do tego, mniej gęsty materiał o niższym współczynniku załamania będzie odbijał światło w fazie. Jest to ważna zasada w dziedzinie optyki cienkowarstwowej.

Specular odbicie na zakrzywionej powierzchni tworzy obraz, który może być powiększony lub pomniejszony; zakrzywione lustra mają moc optyczną. Takie lustra mogą mieć powierzchnie, które są sferyczne lub paraboliczne.

Odbicie rozproszone

Gdy światło uderza w chropowatą lub ziarnistą powierzchnię, odbija się we wszystkich kierunkach z powodu mikroskopijnych nieregularności interfejsu. W związku z tym obraz nie jest tworzony. Nazywa się to odbiciem rozproszonym. Dokładna forma odbicia zależy od struktury powierzchni.

Retrorefleksja

Niektóre powierzchnie wykazują retrorefleksję. Struktura tych powierzchni jest taka, że światło jest zwracane w kierunku, z którego przyszło. Prosty retroreflektor może być wykonany przez umieszczenie trzech zwykłych lusterek wzajemnie prostopadłych do siebie (reflektor narożny). Wytworzony obraz jest odwrotnością obrazu wytworzonego przez pojedyncze lustro.

File:Corner-reflector.svg

Powierzchnię można uczynić częściowo retrorefleksyjną, nakładając na nią warstwę maleńkich sfer załamujących światło lub tworząc małe struktury przypominające piramidy (odbicie narożne sześcianu). W obu przypadkach wewnętrzne odbicie powoduje, że światło jest odbijane z powrotem do miejsca, z którego pochodzi. Jest to wykorzystywane do tworzenia znaków drogowych i tablic rejestracyjnych samochodów, które odbijają światło głównie w kierunku, z którego ono pochodzi. W tym zastosowaniu idealne odbicie wsteczne nie jest pożądane, ponieważ światło byłoby wtedy skierowane z powrotem do reflektorów nadjeżdżającego samochodu, a nie do oczu kierowcy.

Kompleksowe odbicie sprzężone

Światło odbija się dokładnie w kierunku, z którego przyszło, z powodu nieliniowego procesu optycznego. W tym rodzaju odbicia, nie tylko kierunek światła jest odwrócony, ale rzeczywiste fronty falowe są również odwrócone. Sprzężony reflektor może być używany do usuwania aberracji z wiązki poprzez odbicie jej, a następnie przepuszczenie odbicia przez aberracyjny układ optyczny po raz drugi.

Odbicie neutronów

Niektóre materiały, takie jak beryl, mogą odbijać neutrony. Są one stosowane w reaktorach jądrowych i broni jądrowej.

Odbicie dźwięku

Gdy podłużna fala dźwiękowa uderza w płaską powierzchnię, dźwięk jest odbijany w sposób koherentny pod warunkiem, że wymiar powierzchni odbijającej jest duży w porównaniu z długością fali dźwięku. Należy zauważyć, że dźwięk ma bardzo szeroki zakres częstotliwości (od 20 do około 17 000 Hz), a tym samym bardzo szeroki zakres długości fal (od około 20 mm do 17 m). W rezultacie, ogólny charakter odbicia zależy od struktury i struktury powierzchni. Na przykład, materiały porowate będą pochłaniać część energii, a materiały szorstkie (gdzie szorstkość odnosi się do długości fali) mają tendencję do odbijania w wielu kierunkach – rozpraszania energii, a nie jej spójnego odbijania. Prowadzi to do dziedziny akustyki architektonicznej, ponieważ natura tych odbić jest krytyczna dla słuchowego odczucia przestrzeni.

W teorii łagodzenia hałasu zewnętrznego, wielkość powierzchni odbijającej łagodnie odbiera koncepcję bariery przeciwhałasowej poprzez odbijanie części dźwięku w przeciwnym kierunku.

Odbicie sejsmiczne

Fale sejsmiczne wytwarzane przez trzęsienia ziemi lub inne źródła (takie jak eksplozje) mogą być odbijane przez warstwy w Ziemi. Badanie głębokich odbić fal generowanych przez trzęsienia ziemi pozwoliło sejsmologom na określenie warstwowej budowy Ziemi. Płytsze odbicia są wykorzystywane w sejsmologii refleksyjnej do badania skorupy ziemskiej ogólnie, a w szczególności do poszukiwania złóż ropy naftowej i gazu ziemnego.

Interpretacja kwantowa

Wszystkie oddziaływania pomiędzy fotonami światła a materią są opisane jako seria absorpcji i emisji fotonów. Jeśli badamy pojedynczą cząsteczkę na powierzchni materiału, przybywający foton zostanie zaabsorbowany i prawie natychmiast wyemitowany ponownie. Nowy” foton może być wyemitowany w dowolnym kierunku, powodując odbicie rozproszone.

Odbicie lustrzane (zgodnie z prawem równokątnego odbicia Hero) jest efektem mechaniki kwantowej, wyjaśnionym jako suma najbardziej prawdopodobnych dróg, które przebyły fotony. Oddziaływanie światło-materia jest tematem w elektrodynamice kwantowej, i jest szczegółowo opisane przez Richarda Feynmana w jego książce QED: The Strange Theory of Light and Matter.

Jako foton zaabsorbowany przez cząsteczkę może odpowiadać poziomom energetycznym cząsteczki (kinetycznym, rotacyjnym, elektronicznym lub wibracyjnym), foton może nie zostać ponownie wyemitowany lub alternatywnie może stracić część swojej energii w tym procesie. Wyemitowany foton będzie miał nieco inny poziom energii. Efekty te znane są jako rozpraszanie Ramana, Brillouina i Comptona.

Zobacz także

• Rozproszenie
• Światło
• Refrakcja

Wskazówki

• ACEPT Grupa W3. 1999. The Reflection of Light. Dept. of Physics and Astronomy, Arizona State Univ. Retrieved February 10, 2007.
• Fishbane, Paul M., Stephen Gasiorowicz, and Stephen T. Thornton. 2005. Fizyka dla naukowców i inżynierów. 3rd ed. Vol. 2. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 0131418815.
• Henderson, Tom. 2004. Reflection and the Ray Model of Light. The Physics Classroom. Retrieved February 10, 2007.
• Russell, Dan. 2006. Odbicie fal od granic. Kettering University Applied Physics. Retrieved February 10, 2007

.