Refleksion (fysik)

admin 0 Comments Articles

Refleksion (fysik)

Refleksionen af en bro i Indianapolis, Indiana’s Central Canal.

Kugler, der reflekterer gulvet og hinanden.

Refleksion er ændring af en bølgefronts retning ved en grænseflade mellem to uensartede medier, således at bølgefronten vender tilbage til det medium, hvorfra den stammer. Almindelige eksempler omfatter refleksion af lys, lyd og vandbølger. Fænomenet refleksion er yderst værdifuldt i vores dagligdag. F.eks. gør refleksionen af synligt lys det muligt for os at se objekter, der ikke producerer deres eget lys. Refleksionen af mikrobølger er nyttig for radarscannere. Refleksion af lydbølger i et teater eller en koncertsal giver liv til en forestilling på scenen. Refleksionen af seismiske bølger gør det muligt for forskere at studere Jordens struktur og at finde olie og andre naturressourcer. Refleksion af synligt lys anvendes også ofte til æstetiske formål.

Refleksion af lys kan være spejlformet (dvs. spejllignende) eller diffus (dvs. at billedet ikke bevares, men kun energien), afhængigt af overfladens beskaffenhed. Uanset om grænsefladerne består af dielektrisk-leder eller dielektrisk-dielektrisk, kan den reflekterede bølges fase være omvendt eller ej.

Spekulær (spejllignende) refleksion

θi = θr.
Indfaldsvinklen er lig med reflektionsvinklen.

Et spejl, der består af en glasplade foran en metalbelægning, udgør den grundlæggende model for spejlreflektion af lys. (Det meste af refleksionen sker fra overfladen af den metalliske belægning.) Refleksionen forstærkes i metaller ved at undertrykke bølgeudbredelsen ud over deres huddybder. Det er også muligt, at der kan forekomme refleksion fra overfladen af gennemsigtige medier, f.eks. vand eller glas.

I diagrammet rammer en lysstråle PO et lodret spejl i punktet O, og den reflekterede stråle er OQ. Ved at projicere en imaginær linje gennem punktet O vinkelret på spejlet, den såkaldte normal, kan vi måle indfaldsvinklen θi og reflektionsvinklen θr. Refleksionsloven siger, at θi = θr, eller med andre ord, at indfaldsvinklen er lig med reflektionsvinklen.

En sort aftrækkerfisk og dens refleksion i vandoverfladen.

Faktisk kan der forekomme refleksion af lys, når lys bevæger sig fra et medium med et givet brydningsindeks ind i et medium med et andet brydningsindeks. I det mest generelle tilfælde reflekteres en vis del af lyset fra grænsefladen, og resten brydes. Ved at løse Maxwells ligninger for en lysstråle, der rammer en grænseflade, kan man udlede Fresnel-ligningerne, som kan bruges til at forudsige, hvor meget af lyset der reflekteres, og hvor meget der brydes i en given situation. Total intern refleksion af lys fra et tættere medium forekommer, hvis indfaldsvinklen er over den kritiske vinkel (mindste indfaldsvinkel, hvor total intern refleksion forekommer).

Når lys reflekteres af et materiale, der er tættere (med højere brydningsindeks) end det ydre medium, undergår det en 180° fasetransformation. I modsætning hertil vil et mindre tæt materiale med lavere brydningsindeks reflektere lyset i fase. Dette er et vigtigt princip inden for tyndfilmsoptik.

Spekulær refleksion på en krum overflade danner et billede, der kan forstørres eller demagnificeres; krumme spejle har optisk effekt. Sådanne spejle kan have sfæriske eller paraboliske overflader.

Diffus refleksion

Diffus refleksion

Når lyset rammer en ru eller granuleret overflade, preller det af i alle retninger på grund af de mikroskopiske uregelmæssigheder i grænsefladen. Der dannes således ikke et billede. Dette kaldes diffus refleksion. Den nøjagtige form for refleksionen afhænger af overfladens struktur.

Retrorefleksion

Nogle overflader udviser retrorefleksion. Strukturen af disse overflader er sådan, at lyset returneres i den retning, det kom fra. En simpel retroreflektor kan fremstilles ved at placere tre almindelige spejle vinkelret på hinanden (en hjørnereflektor). Det producerede billede er det omvendte af det billede, der produceres af et enkelt spejl.

File:Corner-reflector.svg

En overflade kan gøres delvist retroreflekterende ved at aflejre et lag af små brydningskugler på den eller ved at skabe små pyramideagtige strukturer (cube corner reflection). I begge tilfælde bevirker den interne refleksion, at lyset reflekteres tilbage til det sted, hvor det stammer fra. Dette bruges til at få trafikskilte og nummerplader til at reflektere lyset mest tilbage i den retning, hvorfra det kom. I denne anvendelse er perfekt retrorefleksion ikke ønsket, da lyset så ville blive ledt tilbage til forlygterne på en modkørende bil i stedet for til førerens øjne.

Kompleks konjugeret refleksion

Lyset preller nøjagtigt tilbage i den retning, det kom fra, som følge af en ikke-lineær optisk proces. Ved denne type refleksion er det ikke kun lysets retning, der er omvendt, men også de faktiske bølgefronter er også omvendt. En konjugeret reflektor kan bruges til at fjerne aberrationer fra en stråle ved at reflektere den og derefter lade refleksionen passere gennem den aberrerende optik en anden gang.

Neutronreflektion

Nogle materialer, f.eks. beryllium, kan reflektere neutroner. De anvendes i atomreaktorer og atomvåben.

Lydrefleksion

Når en langsgående lydbølge rammer en flad overflade, reflekteres lyden på en sammenhængende måde, forudsat at dimensionen af den reflekterende overflade er stor i forhold til lydens bølgelængde. Bemærk, at lyd har et meget bredt frekvensområde (fra 20 til ca. 17.000 Hz) og dermed et meget bredt bølgelængdeområde (fra ca. 20 mm til 17 m). Som følge heraf varierer den overordnede karakter af refleksionen alt efter overfladens tekstur og struktur. Porøse materialer vil f.eks. absorbere en del energi, og ru materialer (hvor ru er i forhold til bølgelængden) har en tendens til at reflektere i mange retninger – at sprede energien snarere end at reflektere den sammenhængende. Dette fører ind i feltet for arkitektonisk akustik, fordi arten af disse refleksioner er afgørende for den auditive fornemmelse af et rum.

I teorien om støjdæmpning udadtil forringer den reflekterende overfladestørrelse i mild grad begrebet støjbarriere ved at reflektere noget af lyden i den modsatte retning.

Seismisk refleksion

Seismiske bølger produceret af jordskælv eller andre kilder (såsom eksplosioner) kan blive reflekteret af lag i jorden. Studiet af de dybe refleksioner af bølger, der opstår ved jordskælv, har gjort det muligt for seismologer at bestemme Jordens lagstruktur. De mindre dybtgående refleksioner bruges i refleksionsseismologien til at studere jordskorpen generelt og især til at finde olie- og naturgasforekomster.

Kvantumfortolkning

Alle vekselvirkninger mellem lysfotoner og stof beskrives som en serie af absorption og emission af fotoner. Hvis man undersøger et enkelt molekyle på overfladen af et materiale, vil en ankommende foton blive absorberet og næsten øjeblikkeligt reemitteret. Den “nye” foton kan blive udsendt i en hvilken som helst retning og forårsager således diffus refleksion.

Den spejlrefleks (i henhold til Heros lov om ligevinklet refleksion) er en kvantemekanisk effekt, der forklares som summen af de mest sandsynlige veje, fotonerne vil have taget. Lys-materie-interaktion er et emne inden for kvanteelektrodynamikken og er detaljeret beskrevet af Richard Feynman i hans bog QED: Da den foton, der absorberes af molekylet, kan matche molekylets energiniveauer (kinetiske, roterende, elektroniske eller vibrationsmæssige), kan det være, at fotonen ikke genudsendes eller alternativt mister noget af sin energi i processen. Den udsendte foton vil have et lidt anderledes energiniveau. Disse virkninger er kendt som Raman-, Brillouin- og Compton-spredning.

Se også

• Diffraktion
• Lys
• Refraktion

Notes

• ACEPT W3 Gruppe. 1999. Lysets refleksion. Dept. of Physics and Astronomy, Arizona State Univ. Hentet den 10. februar 2007.
• Fishbane, Paul M., Stephen Gasiorowicz, and Stephen T. Thornton. 2005. Fysik for videnskabsmænd og ingeniører. 3rd ed. Vol. 2. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 0131418815.
• Henderson, Tom. 2004. Refleksion og strålemodellen for lys. The Physics Classroom. Hentet den 10. februar 2007.
• Russell, Dan. 2006. Refleksion af bølger fra grænser. Kettering University Applied Physics. Hentet 10. februar 2007