Reflecție (fizică)

admin 0 Comments Articles

Reflecție (fizică)

Reflecția unui pod de pe canalul central din Indianapolis, Indiana.

Sfere care reflectă podeaua și se reflectă între ele.

Reflecția este schimbarea direcției unui front de undă la o interfață între două medii diferite, astfel încât frontul de undă se întoarce în mediul din care a provenit. Exemple comune includ reflexia luminii, a sunetului și a undelor de apă. Fenomenul de reflexie este extrem de valoros pentru viața noastră de zi cu zi. De exemplu, reflectarea luminii vizibile ne permite să vedem obiecte care nu produc lumină proprie. Reflexia microundei este utilă pentru scanerele radar. Reflectarea undelor sonore într-o sală de teatru sau de concert însuflețește producția de pe scenă. Reflexia undelor seismice permite cercetătorilor să studieze structura Pământului și să facă prospecțiuni pentru petrol și alte resurse naturale. Reflectarea luminii vizibile este, de asemenea, adesea folosită în scopuri estetice.

Reflectarea luminii poate fi speculară (adică în oglindă) sau difuză (adică nu reține imaginea, ci doar energia), în funcție de natura interfeței. Indiferent dacă interfețele sunt formate din dielectric-conductor sau dielectric-dielectric, faza undei reflectate poate fi sau nu inversată.

Reflexia speculară (în oglindă)

θi = θr.
Unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie.

Oglinda, formată dintr-o foaie de sticlă în fața unui strat metalic, oferă modelul fundamental pentru reflexia speculară a luminii. (Cea mai mare parte a reflexiei are loc de la suprafața stratului metalic de acoperire.) Reflecția este îmbunătățită în metale prin suprimarea propagării undelor dincolo de adâncimea pielii lor. De asemenea, este posibil ca reflexia să aibă loc de la suprafața mediilor transparente, cum ar fi apa sau sticla.

În diagramă, o rază de lumină PO lovește o oglindă verticală în punctul O, iar raza reflectată este OQ. Proiectând o linie imaginară prin punctul O perpendiculară pe oglindă, cunoscută sub numele de normala, putem măsura unghiul de incidență, θi și unghiul de reflexie, θr. Legea reflexiei afirmă că θi = θr sau, cu alte cuvinte, unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie.

Un peștișor negru și reflexia sa la suprafața apei.

De fapt, reflexia luminii poate avea loc ori de câte ori lumina călătorește dintr-un mediu cu un anumit indice de refracție într-un mediu cu un indice de refracție diferit. În cazul cel mai general, o anumită fracțiune din lumină este reflectată de la interfață, iar restul este refractată. Rezolvarea ecuațiilor lui Maxwell pentru o rază de lumină care lovește o graniță permite derivarea ecuațiilor lui Fresnel, care pot fi utilizate pentru a prezice cât de multă lumină este reflectată și cât de multă este refractată într-o anumită situație. Reflexia internă totală a luminii dintr-un mediu mai dens are loc dacă unghiul de incidență este mai mare decât unghiul critic (unghiul minim de incidență la care are loc reflexia internă totală).

Când lumina se reflectă pe un material mai dens (cu indice de refracție mai mare) decât mediul extern, aceasta suferă o inversare de fază de 180°. În schimb, un material mai puțin dens și cu indice de refracție mai mic va reflecta lumina în fază. Acesta este un principiu important în domeniul opticii peliculelor subțiri.

Reflecția speculară la o suprafață curbă formează o imagine care poate fi mărită sau demagnificată; oglinzile curbe au putere optică. Astfel de oglinzi pot avea suprafețe sferice sau parabolice.

Reflecție difuză

Reflecție difuză

Când lumina lovește o suprafață aspră sau granulară, ea ricoșează în toate direcțiile din cauza neregulilor microscopice ale interfeței. Astfel, nu se formează o imagine. Acest lucru se numește reflexie difuză. Forma exactă a reflexiei depinde de structura suprafeței.

Retroreflecție

Câteva suprafețe prezintă retroreflexie. Structura acestor suprafețe este de așa natură încât lumina este returnată în direcția din care a venit. Un retroreflector simplu poate fi realizat prin plasarea a trei oglinzi obișnuite reciproc perpendiculare una pe cealaltă (un reflector de colț). Imaginea produsă este inversă față de cea produsă de o singură oglindă.

File:Corner-reflector.svg

O suprafață poate fi făcută parțial retroreflectorizantă prin depunerea pe ea a unui strat de mici sfere refractive sau prin crearea unor mici structuri asemănătoare unor piramide (reflexie de colț de cub). În ambele cazuri, reflexia internă face ca lumina să fie reflectată înapoi în locul de unde a provenit. Acest procedeu este utilizat pentru ca semnele de circulație și plăcuțele de înmatriculare ale automobilelor să reflecte lumina în cea mai mare parte înapoi în direcția din care a venit. În această aplicație, nu se dorește o retroreflexie perfectă, deoarece lumina ar fi atunci direcționată înapoi spre farurile unei mașini care vine din sens opus, mai degrabă decât spre ochii șoferului.

Reflecție conjugată complexă

Lumina ricoșează exact în direcția din care a venit datorită unui proces optic neliniar. În acest tip de reflexie, nu numai direcția luminii este inversată, ci și fronturile de undă propriu-zise sunt inversate. Un reflector conjugat poate fi folosit pentru a elimina aberațiile dintr-un fascicul reflectându-l și apoi trecând reflexia prin optica aberantă a doua oară.

Reflecția neutronilor

Câteva materiale, cum ar fi beriliul, pot reflecta neutronii. Acestea sunt utilizate în reactoarele nucleare și în armele nucleare.

Reflecția sunetului

Când o undă sonoră longitudinală lovește o suprafață plană, sunetul este reflectat în mod coerent, cu condiția ca dimensiunea suprafeței reflectante să fie mare în comparație cu lungimea de undă a sunetului. Rețineți că sunetul are o gamă foarte largă de frecvențe (de la 20 la aproximativ 17.000 Hz) și, prin urmare, o gamă foarte largă de lungimi de undă (de la aproximativ 20 mm la 17 m). Prin urmare, natura generală a reflexiei variază în funcție de textura și structura suprafeței. De exemplu, materialele poroase vor absorbi o parte din energie, iar materialele rugoase (unde „rugoase” se referă la lungimea de undă) au tendința de a reflecta în mai multe direcții – de a împrăștia energia, mai degrabă decât de a o reflecta în mod coerent. Acest lucru conduce în domeniul acusticii arhitecturale, deoarece natura acestor reflexii este critică pentru senzația auditivă a unui spațiu.

În teoria atenuării zgomotului exterior, dimensiunea suprafeței reflectante diminuează ușor conceptul de barieră de zgomot prin reflectarea unei părți din sunet în direcția opusă.

Reflecția seismică

Undele seismice produse de cutremure sau alte surse (cum ar fi exploziile) pot fi reflectate de straturile din interiorul Pământului. Studiul reflexiilor profunde ale undelor generate de cutremure a permis seismologilor să determine structura stratificată a Pământului. Reflexiile mai puțin adânci sunt folosite în seismologia de reflexie pentru a studia scoarța terestră în general și, în special, pentru a prospecta zăcămintele de petrol și gaze naturale.

Interpretare cuantică

Toate interacțiunile dintre fotonii de lumină și materie sunt descrise ca o serie de absorbție și emisie de fotoni. Dacă se examinează o singură moleculă de la suprafața unui material, un foton care sosește va fi absorbit și aproape imediat reemis. „Noul” foton poate fi emis în orice direcție, provocând astfel o reflexie difuză.

Reflecția speculară (după legea de reflexie equi-angulară a lui Hero) este un efect de mecanică cuantică explicat ca fiind suma celor mai probabile căi pe care fotonii le vor fi urmat. Interacțiunea lumină-materie este un subiect al electrodinamicii cuantice și este descrisă în detaliu de Richard Feynman în cartea sa QED: The Strange Theory of Light and Matter.

Deoarece fotonul absorbit de moleculă se poate potrivi cu nivelurile energetice ale moleculei (cinetic, rotațional, electronic sau vibrațional), este posibil ca fotonul să nu fie reemis sau, alternativ, să piardă o parte din energia sa în acest proces. Fotonul emis va avea un nivel energetic ușor diferit. Aceste efecte sunt cunoscute sub numele de împrăștiere Raman, Brillouin și Compton.

Vezi și

• Difuzie
• Lumină
• Refracție

Note

• ACEPTAȚI Grupul W3. 1999. Reflecția luminii. Dept. of Physics and Astronomy, Arizona State Univ. Retrieved February 10, 2007.
• Fishbane, Paul M., Stephen Gasiorowicz, and Stephen T. Thornton. 2005. Physics for Scientists and Engineers (Fizică pentru cercetători și ingineri). Ed. a 3-a. Vol. 2. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 0131418815.
• Henderson, Tom. 2004. Reflection and the Ray Model of Light (Reflecția și modelul razei de lumină). The Physics Classroom. Retrieved February 10, 2007.
• Russell, Dan. 2006. Reflecția undelor de la granițe. Kettering University Applied Physics. Retrieved February 10, 2007