Reflexion (Physik)

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Reflexion (Physik)

Die Reflexion einer Brücke im Central Canal von Indianapolis, Indiana.

Kugeln, die den Boden und sich gegenseitig reflektieren.

Reflexion ist die Richtungsänderung einer Wellenfront an einer Grenzfläche zwischen zwei ungleichen Medien, so dass die Wellenfront in das Medium zurückkehrt, aus dem sie stammt. Gängige Beispiele sind die Reflexion von Licht-, Schall- und Wasserwellen. Das Phänomen der Reflexion ist für unser tägliches Leben von großer Bedeutung. Durch die Reflexion von sichtbarem Licht können wir zum Beispiel Objekte sehen, die kein eigenes Licht erzeugen. Die Reflexion von Mikrowellen ist nützlich für Radarscanner. Die Reflexion von Schallwellen in einem Theater oder Konzertsaal belebt die Inszenierung auf der Bühne. Die Reflexion seismischer Wellen ermöglicht es Forschern, die Struktur der Erde zu untersuchen und nach Erdöl und anderen natürlichen Ressourcen zu suchen. Die Reflexion von sichtbarem Licht wird auch häufig für ästhetische Zwecke genutzt.

Die Reflexion von Licht kann je nach Beschaffenheit der Grenzfläche spiegelnd (d. h. spiegelartig) oder diffus (d. h. das Bild wird nicht festgehalten, sondern nur die Energie) sein. Unabhängig davon, ob die Grenzflächen aus Dielektrikum-Leiter oder Dielektrikum-Dielektrikum bestehen, kann die Phase der reflektierten Welle invertiert sein oder nicht.

Spiegelnde (spiegelnde) Reflexion

θi = θr.
Der Einfallswinkel ist gleich dem Reflexionswinkel.

Das grundlegende Modell für die spiegelnde Lichtreflexion ist ein Spiegel, der aus einer Glasscheibe vor einer Metallschicht besteht. (Der größte Teil der Reflexion findet an der Oberfläche der metallischen Beschichtung statt.) Die Reflexion wird in Metallen durch die Unterdrückung der Wellenausbreitung über ihre Hauttiefe hinaus verstärkt. Auch an der Oberfläche von transparenten Medien wie Wasser oder Glas kann Reflexion auftreten.

In der Abbildung trifft ein Lichtstrahl PO im Punkt O auf einen vertikalen Spiegel, und der reflektierte Strahl ist OQ. Projiziert man eine gedachte Linie durch den Punkt O senkrecht zum Spiegel, die so genannte Normale, so kann man den Einfallswinkel θi und den Reflexionswinkel θr messen. Das Reflexionsgesetz besagt, dass θi = θr ist, oder anders ausgedrückt, dass der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel ist.

Ein schwarzer Drückerfisch und seine Reflexion in der Wasseroberfläche.

In der Tat kann die Reflexion von Licht immer dann auftreten, wenn Licht von einem Medium mit einem bestimmten Brechungsindex in ein Medium mit einem anderen Brechungsindex gelangt. Im allgemeinsten Fall wird ein bestimmter Anteil des Lichts an der Grenzfläche reflektiert, der Rest wird gebrochen. Die Lösung der Maxwellschen Gleichungen für einen Lichtstrahl, der auf eine Grenzfläche trifft, ermöglicht die Ableitung der Fresnel-Gleichungen, mit denen sich vorhersagen lässt, wie viel Licht in einer bestimmten Situation reflektiert und wie viel gebrochen wird. Die innere Totalreflexion von Licht an einem dichteren Medium tritt auf, wenn der Einfallswinkel über dem kritischen Winkel liegt (minimaler Einfallswinkel, bei dem die innere Totalreflexion auftritt).

Wenn Licht von einem Material reflektiert wird, das dichter ist (mit höherem Brechungsindex) als das äußere Medium, erfährt es eine Phasenumkehr von 180°. Im Gegensatz dazu reflektiert ein Material mit geringerer Dichte und niedrigerem Brechungsindex das Licht in Phase. Dies ist ein wichtiges Prinzip auf dem Gebiet der Dünnschichtoptik.

Spekulare Reflexion an einer gekrümmten Oberfläche bildet ein Bild, das vergrößert oder verkleinert werden kann; gekrümmte Spiegel haben optische Kraft. Solche Spiegel können kugelförmige oder parabolische Oberflächen haben.

Diffuse Reflexion

Diffuse Reflexion

Wenn Licht auf eine raue oder körnige Oberfläche trifft, prallt es aufgrund der mikroskopischen Unregelmäßigkeiten der Oberfläche in alle Richtungen ab. Ein Bild entsteht also nicht. Dies wird als diffuse Reflexion bezeichnet. Die genaue Form der Reflexion hängt von der Struktur der Oberfläche ab.

Retroreflexion

Es gibt Oberflächen, die eine Retroreflexion aufweisen. Die Struktur dieser Oberflächen ist so beschaffen, dass das Licht in die Richtung zurückgeworfen wird, aus der es gekommen ist. Ein einfacher Retroreflektor kann hergestellt werden, indem man drei gewöhnliche Spiegel senkrecht zueinander aufstellt (Eckreflektor). Das erzeugte Bild ist das umgekehrte Bild eines einzelnen Spiegels.

File:Corner-reflector.svg

Eine Oberfläche kann teilweise retroreflektierend gemacht werden, indem man eine Schicht winziger lichtbrechender Kugeln darauf anbringt oder indem man kleine pyramidenartige Strukturen erzeugt (Würfeleckenreflexion). In beiden Fällen wird das Licht durch interne Reflexion dorthin zurückgeworfen, wo es entstanden ist. Dies wird genutzt, um Verkehrsschilder und Autokennzeichen so zu gestalten, dass das Licht hauptsächlich in die Richtung zurückgeworfen wird, aus der es gekommen ist. Bei dieser Anwendung ist eine perfekte Retroreflexion nicht erwünscht, da das Licht dann eher in die Scheinwerfer eines entgegenkommenden Autos als in die Augen des Fahrers zurückgelenkt würde.

Komplexe konjugierte Reflexion

Das Licht wird aufgrund eines nichtlinearen optischen Prozesses genau in die Richtung zurückgeworfen, aus der es gekommen ist. Bei dieser Art der Reflexion kehrt sich nicht nur die Richtung des Lichts um, sondern auch die eigentlichen Wellenfronten sind vertauscht. Ein konjugierter Reflektor kann verwendet werden, um Aberrationen aus einem Strahl zu entfernen, indem er ihn reflektiert und dann die Reflexion ein zweites Mal durch die aberrierende Optik leitet.

Neutronenreflexion

Einige Materialien, wie Beryllium, können Neutronen reflektieren. Sie werden in Kernreaktoren und Kernwaffen verwendet.

Schallreflexion

Wenn eine longitudinale Schallwelle auf eine ebene Oberfläche trifft, wird der Schall kohärent reflektiert, vorausgesetzt, die Größe der reflektierenden Oberfläche ist groß im Vergleich zur Wellenlänge des Schalls. Es ist zu beachten, dass der Schall einen sehr großen Frequenzbereich (von 20 bis etwa 17.000 Hz) und damit auch einen sehr großen Wellenlängenbereich (von etwa 20 mm bis 17 m) hat. Infolgedessen variiert die Art der Reflexion je nach Beschaffenheit und Struktur der Oberfläche. So absorbieren beispielsweise poröse Materialien einen Teil der Energie, und raue Materialien (wobei rau sich auf die Wellenlänge bezieht) neigen dazu, in viele Richtungen zu reflektieren – sie streuen die Energie eher, als dass sie sie kohärent reflektieren. Dies führt in den Bereich der Bauakustik, denn die Art dieser Reflexionen ist entscheidend für das akustische Empfinden eines Raumes.

In der Theorie der Lärmbekämpfung im Außenbereich beeinträchtigt die Größe der reflektierenden Oberfläche das Konzept einer Lärmschutzwand leicht, indem sie einen Teil des Schalls in die entgegengesetzte Richtung reflektiert.

Seismische Reflexion

Seismische Wellen, die durch Erdbeben oder andere Quellen (wie Explosionen) erzeugt werden, können von Schichten innerhalb der Erde reflektiert werden. Die Untersuchung der tiefen Reflexionen der von Erdbeben erzeugten Wellen hat es den Seismologen ermöglicht, die Schichtstruktur der Erde zu bestimmen. Flachere Reflexionen werden in der Reflexionsseismologie verwendet, um die Erdkruste im Allgemeinen zu untersuchen und insbesondere nach Erdöl- und Erdgasvorkommen zu suchen.

Quanteninterpretation

Alle Wechselwirkungen zwischen Lichtphotonen und Materie werden als eine Folge von Absorption und Emission von Photonen beschrieben. Untersucht man ein einzelnes Molekül an der Oberfläche eines Materials, so wird ein eintreffendes Photon absorbiert und fast sofort wieder emittiert. Das „neue“ Photon kann in jede beliebige Richtung emittiert werden, was zu einer diffusen Reflexion führt.

Die spiegelnde Reflexion (nach Heros gleichwinkligem Reflexionsgesetz) ist ein quantenmechanischer Effekt, der als Summe der wahrscheinlichsten Wege erklärt wird, die die Photonen genommen haben. Die Licht-Materie-Wechselwirkung ist ein Thema der Quantenelektrodynamik und wird ausführlich von Richard Feynman in seinem Buch QED beschrieben: The Strange Theory of Light and Matter.

Da das vom Molekül absorbierte Photon mit energetischen Niveaus des Moleküls (kinetisch, rotierend, elektronisch oder vibrierend) übereinstimmen kann, wird das Photon möglicherweise nicht wieder emittiert oder es verliert dabei einen Teil seiner Energie. Das emittierte Photon hat dann ein etwas anderes Energieniveau. Diese Effekte werden als Raman-, Brillouin- und Compton-Streuung bezeichnet.

Siehe auch

• Beugung
• Licht
• Brechung

Anmerkungen

• ACEPT W3 Group. 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. Physics for Scientists and Engineers. 3rd ed. Vol. 2. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 0131418815.
• Henderson, Tom. 2004. Reflexion und das Strahlenmodell des Lichts. The Physics Classroom. Abgerufen am 10. Februar 2007.
• Russell, Dan. 2006. Reflexion von Wellen an Grenzflächen. Kettering University Applied Physics. Abgerufen am 10. Februar 2007