Heijastus (fysiikka)
Heijastuminen on aaltorintaman suunnanmuutos kahden erilaisen väliaineen rajapinnassa siten, että aaltorintama palaa takaisin siihen väliaineeseen, josta se on peräisin. Yleisiä esimerkkejä ovat valon, äänen ja vesiaaltojen heijastuminen. Heijastumisilmiö on erittäin arvokas jokapäiväisen elämämme kannalta. Esimerkiksi näkyvän valon heijastumisen ansiosta voimme nähdä kohteita, jotka eivät tuota omaa valoa. Mikroaaltojen heijastuminen on hyödyllistä tutkaluotaimissa. Ääniaaltojen heijastuminen teatterissa tai konserttisalissa elävöittää näyttämön tuotantoa. Seismisten aaltojen heijastumisen avulla tutkijat voivat tutkia maapallon rakennetta ja etsiä öljyä ja muita luonnonvaroja. Näkyvän valon heijastumista käytetään usein myös esteettisiin tarkoituksiin.
Valon heijastuminen voi olla rajapinnan luonteesta riippuen spekulaarista (eli peilimäistä) tai diffuusia (eli ei säilytä kuvaa, vain energiaa). Riippumatta siitä, koostuvatko rajapinnat dielektrinen-johde vai dielektrinen-dielektrinen, heijastuneen aallon vaihe voi olla käänteinen tai ei.
Spekulaarinen (peilimäinen) heijastuminen
Tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma.
Peili, joka koostuu metallipinnoitteen edessä olevasta lasilevystä, tarjoaa perustavanlaatuisen mallin spekulaariselle valonheijastukselle. (Suurin osa heijastuksesta tapahtuu metallipinnoitteen pinnasta.) Heijastusta tehostetaan metalleissa estämällä aaltojen eteneminen niiden ihosyvyyden ulkopuolelle. Heijastuminen voi tapahtua myös läpinäkyvien väliaineiden, kuten veden tai lasin, pinnasta.
Kuvassa valonsäde PO osuu pystysuoraan peiliin pisteessä O, ja heijastunut säde on OQ. Projisoimalla pisteen O kautta kohtisuoraan peiliin nähden kuvitteellisen viivan, jota kutsutaan normaaliksi, voidaan mitata osumakulma θi ja heijastuskulma θr. Heijastumislain mukaan θi = θr eli toisin sanoen osuinkulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma.
Valon heijastumista voi itse asiassa tapahtua aina, kun valo kulkee tietyn taitekertoimen omaavasta väliaineesta väliaineeseen, jolla on eri taitekerroin. Yleisimmässä tapauksessa tietty osa valosta heijastuu rajapinnasta ja loput taittuu. Ratkaisemalla Maxwellin yhtälöt rajapintaan osuvalle valonsäteelle voidaan johtaa Fresnelin yhtälöt, joiden avulla voidaan ennustaa, kuinka suuri osa valosta heijastuu ja kuinka suuri osa taittuu tietyssä tilanteessa. Valon täydellinen sisäinen heijastuminen tiheämmästä väliaineesta tapahtuu, jos tulokulma on kriittisen kulman (pienin tulokulma, jossa täydellinen sisäinen heijastuminen tapahtuu) yläpuolella.
Kun valo heijastuu materiaalista, joka on tiheämpää (taitekerroin on korkeampi) kuin ulkoinen väliaine, sen vaihe kääntyy 180°. Sitä vastoin vähemmän tiheä, alemman taitekertoimen omaava materiaali heijastaa valoa vaiheittain. Tämä on tärkeä periaate ohutkalvo-optiikan alalla.
Spekulaarinen heijastus kaarevasta pinnasta muodostaa kuvan, joka voi olla suurennettu tai pienennetty; kaarevilla peileillä on optinen voima. Tällaisten peilien pinnat voivat olla pallomaisia tai parabolisia.
Diffuusi heijastus
Kun valo osuu karkeaan tai rakeiseen pintaan, se kimpoaa rajapinnan mikroskooppisten epäsäännöllisyyksien vuoksi kaikkiin suuntiin. Näin ollen kuvaa ei muodostu. Tätä kutsutaan diffuusiheijastukseksi. Heijastuksen tarkka muoto riippuu pinnan rakenteesta.
Retroheijastus
Joillakin pinnoilla esiintyy retroheijastusta. Näiden pintojen rakenne on sellainen, että valo palaa takaisin siihen suuntaan, josta se tuli. Yksinkertainen heijastin voidaan valmistaa sijoittamalla kolme tavallista peiliä kohtisuoraan toisiinsa nähden (kulmaheijastin). Syntyvä kuva on käänteinen verrattuna yhden peilin tuottamaan kuvaan.
File:Corner-reflector.svg
Pinta voidaan tehdä osittain heijastavaksi levittämällä sen päälle kerros pieniä taittuvia palloja tai luomalla pieniä pyramidin kaltaisia rakenteita (kuution kulmaheijastus). Molemmissa tapauksissa sisäinen heijastus aiheuttaa sen, että valo heijastuu takaisin sinne, mistä se on peräisin. Tätä käytetään, kun liikennemerkit ja auton rekisterikilvet heijastavat valoa pääasiassa takaisin siihen suuntaan, josta se on tullut. Tässä sovelluksessa täydellistä takaisinheijastusta ei haluta, koska valo ohjautuisi tällöin takaisin vastaantulevan auton ajovaloihin eikä kuljettajan silmiin.
Kompleksinen konjugaattiheijastus
Valo kimpoaa epälineaarisen optisen prosessin ansiosta täsmälleen siihen suuntaan takaisin, josta se tuli. Tämäntyyppisessä heijastuksessa ei ainoastaan valon suunta käänny, vaan myös varsinaiset aaltorintamat kääntyvät. Konjugaattiheijastimella voidaan poistaa säteen aberraatiot heijastamalla se ja kuljettamalla heijastus sitten toisen kerran aberroivan optiikan läpi.
Neutroniheijastus
Jotkut materiaalit, kuten beryllium, voivat heijastaa neutroneita. Niitä käytetään ydinreaktoreissa ja ydinaseissa.
Ääniheijastus
Kun pitkittäinen ääniaalto osuu tasaiseen pintaan, ääni heijastuu koherentisti edellyttäen, että heijastavan pinnan ulottuvuus on suuri äänen aallonpituuteen verrattuna. Huomaa, että äänellä on hyvin laaja taajuusalue (20 Hz:stä noin 17 000 Hz:iin) ja siten hyvin laaja aallonpituusalue (noin 20 mm:stä 17 m:iin). Tämän seurauksena heijastuksen yleinen luonne vaihtelee pinnan rakenteen ja rakenteen mukaan. Esimerkiksi huokoiset materiaalit absorboivat jonkin verran energiaa, ja karheat materiaalit (karhea tarkoittaa suhteessa aallonpituuteen) heijastavat energiaa moniin suuntiin – ne pikemminkin hajottavat energiaa kuin heijastavat sitä yhtenäisesti. Tämä johtaa arkkitehtonisen akustiikan alalle, koska näiden heijastusten luonne on ratkaisevan tärkeä tilan auditiivisen tunnun kannalta.
Ulkomelun vaimentamisen teoriassa heijastavan pinnan koko heikentää lievästi meluesteen käsitettä heijastamalla osan äänestä vastakkaiseen suuntaan.
Seisminen heijastuminen
Maailman maanjäristysten tai muiden lähteiden (kuten räjähdyksien) synnyttämiä seismisiä aaltoja voidaan heijastaa maan sisäisistä kerroksista. Maanjäristysten synnyttämien aaltojen syväheijastusten tutkiminen on antanut seismologeille mahdollisuuden määrittää maapallon kerrosrakennetta. Heijastusseismologiassa käytetään matalampia heijastuksia maankuoren tutkimiseen yleensä ja erityisesti öljy- ja maakaasuesiintymien etsintään.
Kvanttitulkinta
Kaikki valofotonien ja aineen väliset vuorovaikutukset kuvataan fotonien absorptio- ja emissiosarjoina. Jos tutkitaan yksittäistä molekyyliä aineen pinnalla, saapuva fotoni absorboituu ja lähes välittömästi emittoituu uudelleen. ”Uusi” fotoni voi emittoitua mihin suuntaan tahansa, mikä aiheuttaa diffuusin heijastuksen.
Spekulaarinen heijastuminen (Heron tasakulmaisen heijastuslain mukaisesti) on kvanttimekaaninen ilmiö, joka selitetään fotonien kulkemien todennäköisimpien reittien summana. Valon ja aineen vuorovaikutus on kvanttisähködynamiikan aihe, ja Richard Feynman kuvaa sitä yksityiskohtaisesti kirjassaan QED: The Strange Theory of Light and Matter.
Koska molekyylin absorboima fotoni voi vastata molekyylin energeettisiä tasoja (kineettisiä, rotaatio-, elektronisia tai värähtelytasoja), fotoni ei välttämättä emittoitu uudelleen tai vaihtoehtoisesti se voi menettää osan energiastaan prosessissa. Emittoituneella fotonilla on hieman erilainen energiataso. Nämä vaikutukset tunnetaan nimillä Raman-, Brillouin- ja Compton-sironta.
Katso myös
- Diffraktio
- Valo
- Taittuminen
Huomautuksia
- Väliaineen (jonka läpi valo kulkee) taitekerroin on tyhjiössä vallitsevan valon nopeuden suhde valon nopeuteen kyseisessä väliaineessa.
- ACEPT W3 Ryhmä. 1999. Valon heijastuminen. Dept. of Physics and Astronomy, Arizona State Univ. Haettu 10. helmikuuta 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. Heijastuminen ja valon sädemalli. The Physics Classroom. Haettu 10. helmikuuta 2007.
- Russell, Dan. 2006. Aaltojen heijastuminen rajoista. Ketteringin yliopiston soveltava fysiikka. Haettu 10. helmikuuta 2007
Credits
New World Encyclopedian kirjoittajat ja toimittajat kirjoittivat ja täydensivät Wikipedian artikkelin uudelleen New World Encyclopedian standardien mukaisesti. Tämä artikkeli noudattaa Creative Commons CC-by-sa 3.0 -lisenssin (CC-by-sa) ehtoja, joita saa käyttää ja levittää asianmukaisin maininnoin. Tämän lisenssin ehtojen mukaisesti voidaan viitata sekä New World Encyclopedian kirjoittajiin että Wikimedia Foundationin epäitsekkäisiin vapaaehtoisiin kirjoittajiin. Jos haluat viitata tähän artikkeliin, klikkaa tästä saadaksesi luettelon hyväksyttävistä viittausmuodoista.Aikaisempien wikipedioitsijoiden kontribuutioiden historia on tutkijoiden saatavilla täällä:
- Heijastuksen (fysiikka) historia
Tämän artikkelin historia siitä lähtien, kun se tuotiin Uuteen maailmansyklopediaan:
- Historia ”Heijastuksen (fysiikka)”
Huomautus: Yksittäisten kuvien, jotka ovat erillislisenssillä varustettujen kuvien käytössä voi olla joitain rajoituksia.