Odraz (fyzika)

Odraz (fyzika)

Reflexe je změna směru čela vlnění na rozhraní dvou různorodých prostředí tak, že se čelo vlnění vrací do prostředí, ze kterého vyšlo. Mezi běžné příklady patří odraz světla, zvuku a vodních vln. Jev odrazu je pro náš každodenní život nesmírně cenný. Například odraz viditelného světla nám umožňuje vidět objekty, které nevydávají vlastní světlo. Odraz mikrovln je užitečný pro radarové skenery. Odraz zvukových vln v divadle nebo koncertním sále oživuje produkci na jevišti. Odraz seismických vln umožňuje vědcům studovat strukturu Země a vyhledávat ropné a jiné přírodní zdroje. Odraz viditelného světla se také často využívá k estetickým účelům.

Odraz světla může být zrcadlový (tj. zrcadlový) nebo difúzní (tj. nezachovává obraz, pouze energii) v závislosti na povaze rozhraní. Ať už rozhraní tvoří dielektrikum-vodič nebo dielektrikum-dielektrikum, fáze odražené vlny může, ale nemusí být inverzní.

Zrcadlový (zrcadlový) odraz

Zrcadlo, tvořené skleněnou deskou před kovovou vrstvou, představuje základní model pro zrcadlový odraz světla. (Většina odrazu nastává od povrchu kovového povlaku.) Odraz je v kovech zesílen potlačením šíření vln mimo jejich hloubku. K odrazu může dojít i od povrchu průhledných prostředí, jako je voda nebo sklo.

Na obrázku dopadá světelný paprsek PO na svislé zrcadlo v bodě O a odražený paprsek je OQ. Promítnutím pomyslné přímky procházející bodem O kolmo k zrcadlu, známé jako normála, můžeme změřit úhel dopadu θi a úhel odrazu θr. Zákon odrazu říká, že θi = θr, neboli jinými slovy, úhel dopadu se rovná úhlu odrazu.

V podstatě k odrazu světla může dojít vždy, když světlo prochází z prostředí s daným indexem lomu do prostředí s jiným indexem lomu. V nejobecnějším případě se určitá část světla od rozhraní odráží a zbytek se láme. Řešení Maxwellových rovnic pro světelný paprsek dopadající na rozhraní umožňuje odvodit Fresnelovy rovnice, které lze použít k předpovědi, jaká část světla se v dané situaci odrazí a jaká část se láme. K úplnému vnitřnímu odrazu světla od hustšího prostředí dochází, pokud je úhel dopadu vyšší než kritický úhel (minimální úhel dopadu, při kterém dochází k úplnému vnitřnímu odrazu).

Při odrazu světla od materiálu hustšího (s vyšším indexem lomu) než vnější prostředí dochází k obrácení fáze o 180°. Naopak od méně hustého materiálu s nižším indexem lomu se světlo odráží ve fázi. To je důležitý princip v oblasti tenkovrstvé optiky.

Spektrální odraz na zakřiveném povrchu vytváří obraz, který může být zvětšený nebo zmenšený; zakřivená zrcadla mají optický výkon. Taková zrcadla mohou mít povrch kulový nebo parabolický.

Difuzní odraz

Při dopadu světla na drsný nebo zrnitý povrch se světlo odráží všemi směry v důsledku mikroskopických nerovností rozhraní. Obraz se tedy nevytvoří. Tento jev se nazývá difúzní odraz. Přesná podoba odrazu závisí na struktuře povrchu.

Retroreflexe

Některé povrchy vykazují retroreflexi. Struktura těchto povrchů je taková, že se světlo vrací ve směru, odkud přišlo. Jednoduchý retroreflektor lze vyrobit umístěním tří běžných zrcadel vzájemně kolmých na sebe (rohový reflektor). Vzniklý obraz je inverzní k obrazu vytvořenému jedním zrcadlem.

File:Corner-reflector.svg

Povrch může být částečně retroreflexní tím, že na něj naneseme vrstvu drobných lámavých kuliček nebo vytvoříme malé struktury podobné pyramidám (krychlový rohový odraz). V obou případech vnitřní reflexe způsobuje, že se světlo odráží zpět do místa, kde vzniklo. Toho se využívá k tomu, aby dopravní značky a poznávací značky automobilů odrážely světlo převážně ve směru, odkud přišlo. V této aplikaci není dokonalý zpětný odraz žádoucí, protože světlo by pak směřovalo zpět do světlometů protijedoucího automobilu, nikoli do očí řidiče.

Komplexní konjugovaný odraz

Světlo se v důsledku nelineárního optického procesu odráží přesně ve směru, odkud vyšlo. Při tomto typu odrazu se obrací nejen směr světla, ale i skutečné vlnoplochy. Konjugovaný reflektor lze použít k odstranění aberací z paprsku tak, že se paprsek odrazí a poté podruhé projde aberační optikou.

Odraz neutronů

Některé materiály, například berylium, mohou odrážet neutrony. Používají se v jaderných reaktorech a jaderných zbraních.

Odraz zvuku

Při dopadu podélné zvukové vlny na rovný povrch se zvuk odráží koherentně za předpokladu, že rozměr odrazné plochy je velký ve srovnání s vlnovou délkou zvuku. Všimněte si, že zvuk má velmi široký frekvenční rozsah (od 20 do přibližně 17 000 Hz), a tedy i velmi široký rozsah vlnových délek (od přibližně 20 mm do 17 m). V důsledku toho se celkový charakter odrazu liší podle textury a struktury povrchu. Například porézní materiály budou část energie pohlcovat a drsné materiály (kde drsnost je vztažena k vlnové délce) mají tendenci odrážet v mnoha směrech – energii spíše rozptylovat než koherentně odrážet. To vede do oblasti architektonické akustiky, protože povaha těchto odrazů je rozhodující pro sluchový dojem z prostoru.

V teorii tlumení vnějšího hluku velikost odrazivého povrchu mírně narušuje koncept protihlukové bariéry tím, že odráží část zvuku do opačného směru.

Seismický odraz

Seismické vlny vyvolané zemětřesením nebo jinými zdroji (například výbuchy) se mohou odrážet od vrstev uvnitř Země. Studium hlubokých odrazů vln vyvolaných zemětřesením umožnilo seismologům určit vrstevnatou strukturu Země. Mělčí odrazy se používají v reflexní seismologii ke studiu zemské kůry obecně a zejména k vyhledávání ložisek ropy a zemního plynu.

Kvantová interpretace

Všechny interakce mezi světelnými fotony a hmotou jsou popsány jako série absorpcí a emisí fotonů. Zkoumáme-li jedinou molekulu na povrchu materiálu, bude přicházející foton pohlcen a téměř okamžitě opět vyzářen. Tento „nový“ foton může být emitován v libovolném směru, což způsobuje difúzní odraz.

Zrcadlový odraz (podle Heroova zákona rovnostranného odrazu) je kvantově mechanický jev vysvětlovaný jako součet nejpravděpodobnějších cest, kterými se fotony vydají. Interakce světla s hmotou je předmětem kvantové elektrodynamiky a podrobně ji popsal Richard Feynman ve své knize QED:

Jelikož foton pohlcený molekulou může odpovídat energetickým hladinám molekuly (kinetické, rotační, elektronické nebo vibrační), foton nemusí být znovu vyzářen, případně může při tomto procesu ztratit část své energie. Vyzářený foton bude mít mírně odlišnou energetickou úroveň. Tyto jevy jsou známy jako Ramanův, Brillouinův a Comptonův rozptyl.

Viz také

• Difrakce
• Světlo
• Refrakce

Poznámky

• PŘIPOJTE skupinu W3. 1999. Odraz světla. Dept. of Physics and Astronomy, Arizona State Univ. Získáno 10. února 2007.
• Fishbane, Paul M., Stephen Gasiorowicz a Stephen T. Thornton. 2005. Physics for Scientists and Engineers (Fyzika pro vědce a inženýry). Vydání třetí. Vol. 2. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 0131418815.
• Henderson, Tom. 2004. Odraz a paprskový model světla. The Physics Classroom. Převzato 10. února 2007.
• Russell, Dan. 2006. Odraz vlnění od hranic. Aplikovaná fyzika na Ketteringově univerzitě. Získáno 10. února 2007

.