Отражение (физика)

Отражение — это изменение направления волнового фронта на границе раздела двух разных сред , в результате которого волновой фронт возвращается в среду, из которой он возник. Общие примеры включают отражение света , звука и водных волн . Закон отражения гласит, что при зеркальном отражении (например, от зеркала ) угол, под которым волна падает на поверхность, равен углу, под которым она отражается.

В акустике отражение вызывает эхо и используется в гидролокаторах . В геологии это важно при изучении сейсмических волн . Отражение наблюдается от поверхностных волн в водоемах. Отражение наблюдается для многих типов электромагнитных волн , помимо видимого света . Отражение УКВ и более высоких частот важно для радиопередачи и радиолокации . Даже жесткие рентгеновские и гамма-лучи можно отражать под небольшими углами с помощью специальных «скользящих» зеркал.

Отражение света

Отражение света бывает либо зеркальным (зеркальным), либо рассеянным (сохраняющим энергию , но теряющим изображение) в зависимости от характера границы раздела. При зеркальном отражении фаза отраженных волн зависит от выбора начала координат, но относительная фаза между s- и p-поляризациями (ТЕ и ТМ) фиксируется свойствами сред и границы раздела между ними. ^[1]

Зеркало представляет собой наиболее распространенную модель зеркального отражения света и обычно состоит из листа стекла с металлическим покрытием, в котором происходит значительное отражение. Отражение усиливается в металлах за счет подавления распространения волн за пределы их скин-слоя . Отражение также происходит на поверхности прозрачных сред, таких как вода или стекло .

На диаграмме луч света PO падает на вертикальное зеркало в точке O , а отраженный луч равен OQ . Проецируя воображаемую линию через точку , зеркалу, известную как , можем измерить угол падения θi θr _O и угол отражения перпендикулярную нормаль _. мы Закон отражения гласит, что = _θi θr _, или, другими словами, угол падения равен углу отражения.

Фактически, отражение света может происходить всякий раз, когда свет перемещается из среды с данным показателем преломления в среду с другим показателем преломления. В самом общем случае определенная часть света отражается от границы раздела, а остальная часть преломляется . Решение уравнений Максвелла для луча света, падающего на границу, позволяет вывести уравнения Френеля , которые можно использовать для предсказания того, какая часть света отражается, а какая преломляется в данной ситуации. Это аналогично тому, как несогласование импедансов в электрической цепи вызывает отражение сигналов. Полное внутреннее отражение света от более плотной среды происходит, если угол падения больше критического угла .

Полное внутреннее отражение используется как средство фокусировки волн, которые не могут быть эффективно отражены обычными средствами. Рентгеновские телескопы построены путем создания сходящегося «туннеля» для волн. Поскольку волны взаимодействуют под малым углом с поверхностью этого туннеля, они отражаются к точке фокуса (или к другому взаимодействию с поверхностью туннеля и в конечном итоге направляются к детектору в фокусе). Обычный отражатель был бы бесполезен, поскольку рентгеновские лучи просто проходили бы через намеченный отражатель.

Когда свет отражается от материала с более высоким показателем преломления, чем у среды, в которой он распространяется, он претерпевает фазовый сдвиг на 180° . Напротив, когда свет отражается от материала с более низким показателем преломления, отраженный свет находится в фазе с падающим светом. Это важный принцип в области тонкопленочной оптики .

Зеркальное отражение формирует изображения . Отражение от плоской поверхности образует зеркальное изображение , которое кажется перевернутым слева направо, потому что мы сравниваем изображение, которое видим, с тем, что мы увидели бы, если бы нас повернули в положение изображения. Зеркальное отражение на изогнутой поверхности образует изображение, которое можно увеличивать или уменьшать; изогнутые зеркала обладают оптической силой . Такие зеркала могут иметь поверхности сферической или параболической формы .

Законы отражения

Если отражающая поверхность очень гладкая, возникающее отражение света называется зеркальным или регулярным отражением. Законы отражения заключаются в следующем:

Падающий луч, отраженный луч и нормаль к отражающей поверхности в точке падения лежат в одной плоскости .
Угол, который падающий луч составляет с нормалью, равен углу, который отраженный луч составляет с той же нормалью.
Отраженный луч и падающий луч находятся на противоположных сторонах нормали.

Все эти три закона могут быть выведены из уравнений Френеля .

Механизм

2D-моделирование: отражение квантовой частицы. Белое размытие представляет собой распределение вероятности обнаружения частицы в данном месте при измерении.

В классической электродинамике свет рассматривается как электромагнитная волна, которая описывается уравнениями Максвелла . Световые волны, падающие на материал, вызывают небольшие колебания поляризации в отдельных атомах (или колебания электронов в металлах), заставляя каждую частицу излучать небольшую вторичную волну во всех направлениях, как в дипольной антенне . Все эти волны в сумме дают зеркальное отражение и преломление в соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля .

В случае диэлектриков, таких как стекло, электрическое поле света действует на электроны в материале, а движущиеся электроны создают поля и становятся новыми излучателями. Преломленный свет в стекле представляет собой комбинацию прямого излучения электронов и падающего света. Отраженный свет представляет собой комбинацию обратного излучения всех электронов.

В металлах электроны, не имеющие энергии связи, называются свободными электронами. Когда эти электроны колеблются вместе с падающим светом, разность фаз между их полем излучения и падающим полем равна π (180 °), поэтому прямое излучение нейтрализует падающий свет, а обратное излучение представляет собой просто отраженный свет.

Взаимодействие света и материи с точки зрения фотонов является темой квантовой электродинамики и подробно описано Ричардом Фейнманом в его популярной книге «КЭД: странная теория света и материи» .

Диффузное отражение

Когда свет падает на поверхность (неметаллического) материала, он отражается во всех направлениях из-за многократного отражения от микроскопических неровностей внутри материала (например, границ зерен материала поликристаллического или границ ячеек или волокон органического материала). ) и по его поверхности, если она шероховатая. Таким образом, «имидж» не формируется. Это называется диффузным отражением . Точная форма отражения зависит от структуры материала. Одной из распространенных моделей диффузного отражения является коэффициент отражения Ламберта , при котором свет отражается с одинаковой яркостью (в фотометрии) или яркостью (в радиометрии) во всех направлениях, как это определено законом косинуса Ламберта .

Свет, попадающий в наши глаза от большинства видимых нами объектов, возникает в результате диффузного отражения от их поверхности, так что это наш основной механизм физического наблюдения. ^[2]

Световозражение

Некоторые поверхности обладают световозражением . Структура этих поверхностей такова, что свет возвращается в том направлении, откуда он пришел.

При полете над облаками, освещенными солнечным светом, область вокруг тени самолета будет казаться ярче, аналогичный эффект можно увидеть при росе на траве. Это частичное светоотражение создается за счет преломляющих свойств изогнутой поверхности капли и отражающих свойств на задней стороне капли.

некоторых животных Сетчатка действует как ретрорефлекторы ( см. Tapetum lucidum подробнее ), поскольку это эффективно улучшает ночное зрение животных. Поскольку линзы их глаз взаимно изменяют пути входящего и исходящего света, глаза действуют как сильный светоотражатель, который иногда можно увидеть ночью, когда гуляешь по дикой местности с фонариком.

Простой ретрорефлектор можно изготовить, поместив три обычных зеркала, взаимно перпендикулярных друг другу ( угловой отражатель ). Создаваемое изображение является обратным изображению, создаваемому одним зеркалом. Поверхность можно сделать частично световозвращающей, нанеся на нее слой крошечных преломляющих сфер или создав небольшие пирамидоподобные структуры. В обоих случаях внутреннее отражение заставляет свет отражаться обратно туда, где он возник. Это используется для того, чтобы дорожные знаки и автомобильные номерные знаки отражали свет в основном обратно в том направлении, откуда он пришел. В этом случае идеальное световозражение нежелательно, поскольку тогда свет будет направлен обратно в фары встречного автомобиля, а не в глаза водителю.

Множественные отражения

Многократное отражение в двух плоских зеркалах под углом 60°.

Когда свет отражается от зеркала , появляется одно изображение. Два зеркала, расположенные точно лицом к лицу, создают вид бесконечного числа изображений вдоль прямой линии. Множественные изображения, видимые между двумя зеркалами, расположенными под углом друг к другу, лежат по кругу. ^[3] Центр этого круга находится на воображаемом пересечении зеркал. Квадрат из четырех зеркал, расположенных лицом к лицу, создает впечатление бесконечного числа изображений, расположенных в плоскости. Множественные изображения, видимые между четырьмя зеркалами, образующими пирамиду, в которой каждая пара зеркал расположена под углом друг к другу, лежат над сферой. Если основание пирамиды имеет форму прямоугольника, изображения распространяются по сечению тора . ^[4]

Обратите внимание, что это теоретические идеалы, требующие идеального выравнивания идеально гладких, идеально плоских отражателей, которые не поглощают свет. На практике к этим ситуациям можно лишь приблизиться, но не достичь их, поскольку эффекты любых дефектов поверхности отражателей распространяются и усиливаются, поглощение постепенно гасит изображение, а любое наблюдательное оборудование (биологическое или технологическое) будет создавать помехи.

Комплексно-сопряженное отражение

В этом процессе (который также известен как ОВФ) свет отражается точно обратно в том направлении, откуда он пришел, благодаря нелинейному оптическому процессу. Меняется не только направление света, но и сами волновые фронты. Сопряженный отражатель можно использовать для устранения аберраций луча путем его отражения и последующего пропускания отражения через аберрирующую оптику во второй раз. Если бы кто-то посмотрел в сложное сопряженное зеркало, оно было бы черным, потому что только фотоны, покинувшие зрачок, достигли бы зрачка.

Другие виды отражения

Отражение нейтрона

Материалы, отражающие нейтроны , например бериллий , используются в ядерных реакторах и ядерном оружии . В физических и биологических науках отражение нейтронов от атомов внутри материала обычно используется для определения внутренней структуры материала.

Звуковое отражение

Когда продольная звуковая волна ударяется о плоскую поверхность, звук отражается когерентным образом при условии, что размер отражающей поверхности велик по сравнению с длиной волны звука. Обратите внимание, что слышимый звук имеет очень широкий диапазон частот (от 20 до примерно 17 000 Гц) и, следовательно, очень широкий диапазон длин волн (примерно от 20 мм до 17 м). В результате общий характер отражения варьируется в зависимости от текстуры и структуры поверхности. Например, пористые материалы будут поглощать некоторую энергию, а грубые материалы (где грубость относится к длине волны) имеют тенденцию отражаться во многих направлениях — рассеивать энергию, а не отражать ее когерентно. Это ведет в область архитектурной акустики , поскольку природа этих отражений имеет решающее значение для слухового ощущения пространства. В теории подавления внешнего шума размер отражающей поверхности слегка умаляет концепцию шумового барьера , отражая часть звука в противоположном направлении. Отражение звука может повлиять на акустическое пространство .

Сейсмическое отражение

Сейсмические волны, производимые землетрясениями или другими источниками (например, взрывами ), могут отражаться от слоев внутри Земли . Исследование глубоких отражений волн, порождаемых землетрясениями, позволило сейсмологам определить слоистое строение Земли . Более мелкие отражения используются в сейсмологии отражений для изучения земной коры в целом и, в частности, для поиска месторождений нефти и природного газа .

См. также

Ссылки

^ Лекнер, Джон (1987). Теория отражения электромагнитных волн и корпускулярных волн . Спрингер. ISBN 9789024734184 .
^ Мандельштам, Л.И. (1926). «Рассеяние света неоднородными средами». Ж. Расс. Физ-Хим. Ова . 58 : 381.
^ М. Иона (1982). «Виртуальные зеркала». Учитель физики . 20 (5): 278. Бибкод : 1982PhTea..20..278G . дои : 10.1119/1.2341067 .
^ И. Морено (2010). «Выходная освещенность конических световодов» (PDF) . ЖОСА А. 27 (9): 1985–1993. Бибкод : 2010JOSAA..27.1985M . дои : 10.1364/JOSAA.27.001985 . ПМИД 20808406 . S2CID 5844431 . Архивировано из оригинала (PDF) 31 марта 2012 г. Проверено 3 сентября 2011 г.

Внешние ссылки

Акустическое отражение. Архивировано 4 января 2019 г. в Wayback Machine.
Анимации, демонстрирующие оптическое отражение с помощью QED
Моделирование законов отражения звука , Университет Амрита

[1] Лекнер, Джон (1987). Теория отражения электромагнитных волн и корпускулярных волн . Спрингер. ISBN 9789024734184 .

[y-2] Мандельштам, Л.И. (1926). «Рассеяние света неоднородными средами». Ж. Расс. Физ-Хим. Ова . 58 : 381.

[3] М. Иона (1982). «Виртуальные зеркала». Учитель физики . 20 (5): 278. Бибкод : 1982PhTea..20..278G . дои : 10.1119/1.2341067 .

[4] И. Морено (2010). «Выходная освещенность конических световодов» (PDF) . ЖОСА А. 27 (9): 1985–1993. Бибкод : 2010JOSAA..27.1985M . дои : 10.1364/JOSAA.27.001985 . ПМИД 20808406 . S2CID 5844431 . Архивировано из оригинала (PDF) 31 марта 2012 г. Проверено 3 сентября 2011 г.

[1]

[2]

[3]

[4]