Отражение — это изменение направления волнового фронта на границе раздела двух различных сред таким образом, что волновой фронт возвращается в среду, из которой он возник. Обычные примеры включают отражение света , звука и водных волн . Закон отражения гласит, что для зеркального отражения (например, от зеркала ) угол, под которым волна падает на поверхность, равен углу, под которым она отражается.
В акустике отражение вызывает эхо и используется в гидролокации . В геологии оно важно при изучении сейсмических волн . Отражение наблюдается у поверхностных волн в водоемах. Отражение наблюдается у многих типов электромагнитных волн , помимо видимого света . Отражение УКВ и более высоких частот важно для радиопередачи и для радаров . Даже жесткие рентгеновские лучи и гамма-лучи могут отражаться под небольшими углами с помощью специальных «скользящих» зеркал.
Отражение света бывает либо зеркальным (зеркальным), либо диффузным (сохраняющим энергию , но теряющим изображение) в зависимости от характера интерфейса. При зеркальном отражении фаза отраженных волн зависит от выбора начала координат, но относительная фаза между s и p (TE и TM) поляризациями фиксируется свойствами сред и интерфейса между ними. [1]
Зеркало обеспечивает наиболее распространенную модель для зеркального отражения света и обычно состоит из стеклянного листа с металлическим покрытием, где происходит значительное отражение. Отражение усиливается в металлах путем подавления распространения волн за пределами их скин-глубины . Отражение также происходит на поверхности прозрачных сред, таких как вода или стекло .
На диаграмме световой луч PO падает на вертикальное зеркало в точке O , а отраженный луч — OQ . Проецируя воображаемую линию через точку O перпендикулярно зеркалу, известную как нормаль , мы можем измерить угол падения , θ i и угол отражения , θ r . Закон отражения гласит, что θ i = θ r , или, другими словами, угол падения равен углу отражения.
Фактически, отражение света может происходить всякий раз, когда свет проходит из среды с заданным 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 светового луча, падающего на границу, позволяет вывести уравнения Френеля , которые можно использовать для прогнозирования того, какая часть света отражается, а какая преломляется в данной ситуации. Это аналогично тому, как несоответствие импеданса 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 конструируются путем создания сходящегося «туннеля» для волн. Поскольку волны взаимодействуют под малым углом с поверхностью этого туннеля, они отражаются к точке фокусировки (или к другому взаимодействию с поверхностью туннеля, в конечном итоге направляясь к детектору в фокусе). Обычный отражатель был бы бесполезен, поскольку рентгеновские лучи просто проходили бы через предполагаемый отражатель.
Когда свет отражается от материала с более высоким показателем преломления, чем у среды, в которой он движется, он претерпевает сдвиг фазы 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 формирует зеркальное изображение , которое кажется перевернутым слева направо, потому что мы сравниваем изображение, которое видим, с тем, что мы увидели бы, если бы были повернуты в положение изображения. Зеркальное отражение на изогнутой поверхности формирует изображение, которое может быть увеличено или уменьшено; изогнутые зеркала имеют оптическую силу . Такие зеркала могут иметь поверхности, которые являются сферическими или параболическими .
Если отражающая поверхность очень гладкая, то возникающее отражение света называется зеркальным или регулярным отражением. Законы отражения следующие:
Все эти три закона можно вывести из уравнений Френеля .
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, подобно дипольной антенне . Все эти волны складываются, давая зеркальное отражение и преломление, согласно принципу Гюйгенса-Френеля .
В случае диэлектриков, таких как стекло, электрическое поле света действует на электроны в материале, и движущиеся электроны генерируют 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 без энергии связи называются свободными электронами. Когда эти электроны колеблются с падающим светом, разность фаз между их полем излучения и падающим полем составляет π (180°), поэтому прямое излучение нейтрализует падающий свет, а обратное излучение — это 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» .
Когда свет падает на поверхность (неметаллического) материала, он отражается во всех направлениях из-за множественных отражений от микроскопических неровностей внутри материала (например, границ зерен поликристаллического материала или границ ячеек или волокон органического материала) и от его поверхности, если она шероховатая. Таким образом, «изображение» не формируется. Это называется диффузным отражением . Точная форма отражения зависит от структуры материала. Одной из распространенных моделей диффузного отражения является ламбертовское отражение , в котором свет отражается с одинаковой яркостью (в фотометрии) или сиянием (в радиометрии) во всех направлениях, как определено законом косинуса Ламберта .
Свет, посылаемый в наши глаза большинством видимых нами объектов, возникает из-за диффузного отражения от их поверхности, поэтому это наш основной механизм физического наблюдения. [2]
Некоторые поверхности демонстрируют ретрорефлексию . Структура этих поверхностей такова, что свет возвращается в том направлении, откуда он пришел.
При полете над облаками, освещенными солнечным светом, область, видимая вокруг тени самолета, будет казаться ярче, и аналогичный эффект можно увидеть от росы на траве. Это частичное ретроотражение создается преломляющими свойствами изогнутой поверхности капли и отражающими свойствами на задней стороне капли.
Сетчатка некоторых животных действует как ретрорефлектор (см. tapetum lucidum для более подробной информации), так как это эффективно улучшает ночное зрение животных. Поскольку хрусталики их глаз изменяют взаимно пути входящего и исходящего света, эффект заключается в том, что глаза действуют как сильный ретрорефлектор, иногда видимый ночью, когда идешь по дикой местности с фонариком.
Простой ретрорефлектор можно сделать, поместив три обычных зеркала взаимно перпендикулярно друг другу ( угловой рефлектор ). Создаваемое изображение является обратным изображению, создаваемому одним зеркалом. Поверхность можно сделать частично световозвращающей, нанеся на нее слой крошечных преломляющих сфер или создав небольшие пирамидальные 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 направлении, откуда он пришел. В этом случае идеальное световозвращение нежелательно, поскольку тогда свет будет направлен обратно в фары встречного автомобиля, а не в глаза водителя.
Когда свет отражается от зеркала , появляется одно изображение. Два зеркала, расположенные строго лицом к лицу, создают видимость бесконечного числа изображений вдоль прямой линии. Множественные изображения, видимые между двумя зеркалами, которые расположены под углом друг к другу, лежат на окружности. [3] Центр этой окружности находится в воображаемом пересечении зеркал. Квадрат из четырех зеркал, расположенных лицом к лицу, создает видимость бесконечного числа изображений, расположенных на плоскости. Множественные изображения, видимые между четырьмя зеркалами, образующими пирамиду, в которой каждая пара зеркал расположена под углом друг к другу, лежат на сфере. Если основание пирамиды имеет форму прямоугольника, изображения распространяются на часть тора . [ 4]
Обратите внимание, что это теоретические идеалы, требующие идеального выравнивания идеально гладких, идеально плоских идеальных отражателей, которые не поглощают свет. На практике к этим ситуациям можно только приблизиться, но не достичь, поскольку эффекты любых поверхностных дефектов в отражателях распространяются и усиливаются, поглощение постепенно гасит изображение, а любое наблюдательное оборудование (биологическое или технологическое) будет мешать.
В этом процессе (который также известен как фазовое сопряжение) свет отражается точно в направлении, из которого он пришел, из-за нелинейного оптического процесса. Не только направление света меняется на противоположное, но и фактические волновые фронты также меняются местами. Сопряженный отражатель может использоваться для устранения аберраций из луча, отражая его, а затем пропуская отражение через аберрирующую оптику второй раз. Если бы кто-то посмотрел в комплексное сопряженное зеркало, оно было бы черным, потому что только фотоны, покинувшие зрачок, достигли бы зрачка.
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.
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 17000 Гц), и, следовательно, очень широкий диапазон длин волн (от примерно 20 мм до 17 м). В результате общий характер отражения меняется в зависимости от текстуры и структуры поверхности. Например, пористые материалы будут поглощать часть энергии, а шероховатые материалы (где шероховатость относится к длине волны) имеют тенденцию отражать во многих направлениях — рассеивать энергию, а не отражать ее когерентно. Это ведет в область архитектурной акустики , поскольку характер этих отражений имеет решающее значение для слухового ощущения пространства. В теории снижения внешнего шума размер отражающей поверхности слегка умаляет концепцию шумового барьера , отражая часть звука в противоположном направлении. Отражение звука может влиять на акустическое пространство .
Сейсмические волны, вызванные землетрясениями или другими источниками (например, взрывами ), могут отражаться слоями внутри Земли . Изучение глубоких отражений волн, вызванных землетрясениями, позволило сейсмологам определить слоистую структуру Земли . Более мелкие отражения используются в сейсмологии отражений для изучения земной коры в целом и, в частности, для разведки месторождений нефти и природного газа .
