Reflectie (natuurkunde)

admin 0 Comments Articles

Reflectie (natuurkunde)

De reflectie van een brug in Indianapolis, Indiana’s Central Canal.

Bollen reflecteren de vloer en elkaar.

Reflectie is de verandering in richting van een golffront op een grensvlak tussen twee ongelijke media, zodat het golffront terugkeert in het medium van waaruit het afkomstig is. Bekende voorbeelden zijn de weerkaatsing van licht-, geluids- en watergolven. Het verschijnsel weerkaatsing is van grote waarde voor ons dagelijks leven. Zo stelt de weerkaatsing van zichtbaar licht ons in staat voorwerpen te zien die niet hun eigen licht produceren. De weerkaatsing van microgolven is nuttig voor radarscanners. De weerkaatsing van geluidsgolven in een theater- of concertzaal verlevendigt een voorstelling op het toneel. De weerkaatsing van seismische golven stelt onderzoekers in staat de structuur van de aarde te bestuderen en naar aardolie en andere natuurlijke rijkdommen te zoeken. De weerkaatsing van zichtbaar licht wordt ook vaak voor esthetische doeleinden gebruikt.

Reflectie van licht kan speculair (d.w.z. spiegelend) of diffuus (d.w.z. dat het beeld niet wordt vastgehouden, alleen de energie) zijn, afhankelijk van de aard van het grensvlak. Of de grensvlakken nu bestaan uit diëlektrisch-geleidend of diëlektrisch-diëlektrisch, de fase van de gereflecteerde golf kan al dan niet omgekeerd zijn.

Speculaire (spiegelachtige) reflectie

θi = θr.
De hoek van inval is gelijk aan de hoek van reflectie.

Een spiegel, bestaande uit een glasplaat voor een metalen bekleding, vormt het fundamentele model voor speculaire lichtreflectie. (De meeste reflectie vindt plaats vanaf het oppervlak van de metaalcoating.) Reflectie wordt in metalen versterkt door onderdrukking van golfvoortplanting voorbij hun huiddiepte. Het is ook mogelijk dat reflectie optreedt vanaf het oppervlak van transparante media, zoals water of glas.

In het diagram treft een lichtstraal PO een verticale spiegel in punt O, en de gereflecteerde straal is OQ. Door een denkbeeldige lijn door het punt O loodrecht op de spiegel te projecteren, de zogenaamde normaal, kunnen we de hoek van inval, θi en de hoek van terugkaatsing, θr meten. De wet van de weerkaatsing stelt dat θi = θr, of met andere woorden, de hoek van inval is gelijk aan de hoek van weerkaatsing.

Een zwarte trekkervis en zijn weerkaatsing in het wateroppervlak.

In feite kan weerkaatsing van licht optreden wanneer licht van een medium met een bepaalde brekingsindex overgaat in een medium met een andere brekingsindex. In het meest algemene geval wordt een bepaald deel van het licht gereflecteerd door het grensvlak en wordt de rest gebroken. Door de vergelijkingen van Maxwell op te lossen voor een lichtstraal die een grensvlak raakt, kunnen de vergelijkingen van Fresnel worden afgeleid, die kunnen worden gebruikt om te voorspellen hoeveel van het licht wordt weerkaatst, en hoeveel wordt gebroken in een gegeven situatie. Totale interne reflectie van licht van een dichter medium treedt op als de invalshoek groter is dan de kritische hoek (minimale invalshoek waarbij totale interne reflectie optreedt).

Wanneer licht weerkaatst van een materiaal dat dichter (met hogere brekingsindex) is dan het externe medium, ondergaat het een faseomkering van 180°. Daarentegen zal een materiaal met een lagere brekingsindex en een lagere dichtheid het licht in fase weerkaatsen. Dit is een belangrijk principe op het gebied van dunne-film optica.

Speculaire reflectie op een gekromd oppervlak vormt een beeld dat kan worden vergroot of verkleind; gekromde spiegels hebben optische kracht. Dergelijke spiegels kunnen oppervlakken hebben die bolvormig of parabolisch zijn.

Diffuse reflectie

Diffuse reflectie

Wanneer licht een ruw of korrelig oppervlak treft, kaatst het in alle richtingen terug als gevolg van de microscopische onregelmatigheden van het grensvlak. Er wordt dus geen beeld gevormd. Dit wordt diffuse weerkaatsing genoemd. De precieze vorm van de weerkaatsing hangt af van de structuur van het oppervlak.

Retroreflectie

Sommige oppervlakken vertonen retroreflectie. De structuur van deze oppervlakken is zodanig dat het licht wordt teruggezonden in de richting waar het vandaan kwam. Een eenvoudige retroreflector kan worden gemaakt door drie gewone spiegels loodrecht op elkaar te plaatsen (een hoekreflector). Het geproduceerde beeld is het omgekeerde van een beeld dat door een enkele spiegel wordt geproduceerd.

File:Corner-reflector.svg

Een oppervlak kan gedeeltelijk retroreflecterend worden gemaakt door er een laag van kleine brekingsbolletjes op aan te brengen of door kleine piramide-achtige structuren te maken (kubus-hoekreflectie). In beide gevallen zorgt de interne reflectie ervoor dat het licht wordt teruggekaatst naar de plaats waar het vandaan komt. Dit wordt gebruikt om verkeersborden en kentekenplaten licht te laten weerkaatsen in de richting waar het licht vandaan kwam. In deze toepassing is perfecte retroreflectie niet gewenst, omdat het licht dan in de koplampen van een tegemoetkomende auto zou worden teruggekaatst in plaats van naar de ogen van de bestuurder.

Complexe geconjugeerde reflectie

Licht kaatst precies terug in de richting waaruit het kwam als gevolg van een niet-lineair optisch proces. Bij deze vorm van reflectie is niet alleen de richting van het licht omgekeerd, maar zijn ook de eigenlijke golffronten omgekeerd. Een conjugaatreflector kan worden gebruikt om aberraties uit een bundel te verwijderen door deze te reflecteren en vervolgens de reflectie een tweede maal door de aberrerende optiek te leiden.

Neutronenreflectie

Sommige materialen, zoals beryllium, kunnen neutronen reflecteren. Zij worden gebruikt in kernreactoren en kernwapens.

Geluidsreflectie

Wanneer een longitudinale geluidsgolf een plat oppervlak raakt, wordt het geluid op coherente wijze gereflecteerd, mits de afmeting van het reflecterende oppervlak groot is in vergelijking met de golflengte van het geluid. Merk op dat geluid een zeer breed frequentiebereik heeft (van 20 tot ongeveer 17.000 Hz), en dus ook een zeer breed golflengtebereik (van ongeveer 20 mm tot 17 m). Als gevolg daarvan varieert de algemene aard van de weerkaatsing naar gelang van de textuur en de structuur van het oppervlak. Poreuze materialen bijvoorbeeld absorberen een deel van de energie, terwijl ruwe materialen (waarbij ruw betrekking heeft op de golflengte) de neiging hebben in vele richtingen te reflecteren – de energie te verstrooien in plaats van deze coherent te reflecteren. Dit leidt tot het gebied van de architectonische akoestiek, omdat de aard van deze weerkaatsingen van cruciaal belang is voor het auditieve gevoel van een ruimte.

In de theorie van de beperking van geluidshinder buiten, doet de grootte van het weerkaatsende oppervlak enigszins afbreuk aan het concept van een geluidswal door een deel van het geluid in de tegenovergestelde richting te weerkaatsen.

Seismische weerkaatsing

Seismische golven die door aardbevingen of andere bronnen (zoals explosies) worden geproduceerd, kunnen door lagen in de Aarde worden weerkaatst. Door bestudering van de diepe weerkaatsingen van door aardbevingen opgewekte golven hebben seismologen de gelaagde structuur van de aarde kunnen bepalen. Ondiepere reflecties worden in de reflectie-seismologie gebruikt om de aardkorst in het algemeen te bestuderen, en in het bijzonder om naar aardolie- en aardgasvoorraden te zoeken.

Kwantuminterpretatie

Alle interacties tussen lichtfotonen en materie worden beschreven als een reeks van absorptie en emissie van fotonen. Als men een enkel molecuul aan het oppervlak van een materiaal onderzoekt, zal een binnenkomend foton worden geabsorbeerd en vrijwel onmiddellijk weer worden uitgezonden. Het “nieuwe” foton kan in elke richting worden uitgezonden, waardoor diffuse reflectie ontstaat.

De speculaire reflectie (volgens de gelijk-hoekige reflectiewet van Hero) is een kwantummechanisch effect dat wordt uitgelegd als de som van de meest waarschijnlijke paden die de fotonen zullen hebben genomen. De wisselwerking tussen licht en materie is een onderwerp in de kwantum-elektrodynamica, en wordt in detail beschreven door Richard Feynman in zijn boek QED: The Strange Theory of Light and Matter.

Aangezien het door het molecuul geabsorbeerde foton overeen kan komen met energetische niveaus van het molecuul (kinetisch, roterend, elektronisch, of vibrerend), kan het foton niet opnieuw worden uitgezonden of als alternatief een deel van zijn energie verliezen in het proces. Het uitgezonden foton zal een iets ander energieniveau hebben. Deze effecten staan bekend als Raman-, Brillouin- en Compton-verstrooiing.

Zie ook

• Diffractie
• Licht
• Refractie

Noten

• ACEPT W3-groep. 1999. De weerkaatsing van licht. 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. Reflectie en het Straalmodel van Licht. De natuurkundeles. Op 10 februari 2007 ontleend.
• Russell, Dan. 2006. Reflectie van golven vanaf grenzen. Kettering University Applied Physics. Op 10 februari 2007