Reflektion (fysik)

Reflektion är en fysisk process av interaktion mellan vågor eller partiklar med en yta, en förändring i riktningen av en vågfront vid gränsen mellan två medier med olika egenskaper, där vågfronten återgår till det medium som den kom från. Samtidigt med reflektion av vågor vid gränssnittet mellan media, sker som regel brytning av vågor (med undantag för fall av total intern reflektion ).

Inom akustik är reflektion orsaken till ekot och används i ekolod . Inom geologi spelar den en viktig roll i studiet av seismiska vågor . Reflektion observeras på ytvågor i vattendrag. Reflektion observeras med många typer av elektromagnetiska vågor , inte bara för synligt ljus: reflektionen av VHF och högre frekvens radiovågor är avgörande för radiosändningar och radar . Även hårda röntgen- och gammastrålar kan reflekteras i små vinklar mot ytanspecialgjorda speglar . Inom medicin används reflektion av ultraljud vid gränssnitten mellan vävnader och organ i ultraljudsdiagnostik .

Historik

För första gången nämns reflektionslagen i Euclids Catoptric , som dateras från omkring 300 f.Kr. e.

Lagar för reflektion. Fresnel-formler

Lagen för ljusreflektion - etablerar en förändring i ljusstrålens riktning som ett resultat av ett möte med en reflekterande (spegel) yta: de infallande och reflekterade strålarna ligger i samma plan med normalen till den reflekterande ytan vid punkten av infall, och denna normal delar upp vinkeln mellan strålarna i två lika delar. Den allmänt använda men mindre exakta formuleringen "reflektionsvinkel är lika med infallsvinkel" indikerar inte strålens exakta reflektionsriktning. Det ser dock ut så här:

Denna lag är en konsekvens av tillämpningen av Fermats princip på en reflekterande yta och härleds, liksom alla lagar för geometrisk optik, från vågoptik . Lagen gäller inte bara för perfekt reflekterande ytor, utan också för gränsen mellan två medier, delvis reflekterande ljus. I det här fallet, liksom lagen om ljusets brytning , säger den inget om intensiteten av det reflekterade ljuset.

Härledning av lagen

Låt den ligga i ritningens plan. Låt axeln riktas horisontellt, axeln - vertikalt. Det följer av symmetriöverväganden att , och måste ligga i samma plan. $\vec{k}$ $x$ $y$ $\vec{k}$ $\vec{k'}$ $\vec{k''}$

Låt oss peka ut en planpolariserad komponent från den infallande strålen, där vinkeln mellan och planet är godtycklig. Om vi sedan väljer den initiala fasen lika med noll, då ${\vec {E}}$

$E=E_{m}e^{{i(\omega t-{\vec {k}}{\vec {r}})))=E_{m}e^{{\omega t-k_{x} x-k_{y}y}};$
$E'=E'_{m}e^{{i(\omega 't-{\vec {k'}}{\vec {r}})))=E'_{m}e^{{\ omega 'tk'_{x}xk'_{y}y+\alpha '}};$
$E''=E''_{m}e^{{i(\omega ''t-{\vec {k''}}{\vec {r))))}}=E''_{m } e^{{\omega ''tk''_{x}xk''_{y}y+\alpha ''}}.$

Det resulterande fältet i den första och andra miljön är lika

$E_{1}=E+E'=E_{m}e^{{\omega t-k_{x}x-k_{y}y}}+E'_{m}e^{{\omega 'tk '_{x}xk'_{y}y+\alpha '}};$
$E_2 = E'' = E''_m e^{\omega'' t - k''_x x - k''_y y + \alpha''} .$

Det är uppenbart att de tangentiella komponenterna och måste vara lika vid gränssnittet, det vill säga vid $E_1$ $E_2$ $y=0.$

Sedan

E_m e^{\omega t - k_x x - k_y y} + E'_m e^{\omega' t - k'_x x - k'_y y + \alpha'} = E''_m e^{\omega ''t - k''_x x - k''_y y + \alpha''}

För att den sista ekvationen ska gälla för alla är det nödvändigt att , och för att den ska hålla för alla , är det nödvändigt att $t,$ $\omega = \omega' = \omega''$ $x,$

k_x = k'_x = k''_x \Leftrightarrow k\sin{\alpha} = k'\sin{\alpha'} = k''\sin{\alpha''} \Leftrightarrow \cfrac {\omega } { v_1} \sin{\alpha} = \cfrac {\omega} {v_1} \sin{\alpha'} = \cfrac {\omega} {v_2} \sin{\alpha''},

var

v_{1}

och är våghastigheterna i det första respektive andra mediet.

v_{2}

Därav följer det $\alpha = \alpha' \blackquare$

Fedorovs skift

Fedorov-förskjutningen är fenomenet med en liten (mindre än en våglängd) sidoförskjutning av en ljusstråle med cirkulär eller elliptisk polarisation med total intern reflektion. Som ett resultat av förskjutningen ligger den reflekterade strålen inte i samma plan som den infallande strålen, som lagen om reflektion av ljus i geometrisk optik förklarar.

Fenomenet förutspåddes teoretiskt av F. I. Fedorov 1954 , senare upptäcktes experimentellt.

Reflexionsmekanism

I klassisk elektrodynamik ses ljus som en elektromagnetisk våg, vilket beskrivs av Maxwells ekvationer .

När en elektromagnetisk våg (ljus) träffar ytan av ett dielektrikum : små fluktuationer i dielektrisk polarisation uppstår i enskilda atomer, som ett resultat av vilka varje partikel utstrålar sekundära vågor i alla riktningar (som en antenndipol ) . Alla dessa vågor summerar och ger - i enlighet med Huygens-Fresnel principen - en spegelreflektion och brytning[ klara upp ] .
När en elektromagnetisk våg (ljus) träffar ytan på en ledare : elektroner oscillerar ( elektrisk ström ), vars elektromagnetiska fält tenderar att kompensera för denna effekt, vilket leder till nästan fullständig reflektion av ljus.

Beroende på resonansfrekvensen hos svängningskretsarna i ett ämnes molekylära struktur sänds en våg av en viss frekvens (en viss färg) ut vid reflektion. Det är så föremål får färg. Även om färgen på ett föremål bestäms inte bara av egenskaperna hos reflekterat ljus (se Färgseende och färguppfattningens fysiologi ).

Typer av reflektion

Reflektion av ljus kan vara spegelvänd (det vill säga, som observerats vid användning av speglar ) eller diffus (i det här fallet bevarar reflektionen inte strålarnas väg från objektet, utan bara energikomponenten i ljusflödet ) beroende på ytans beskaffenhet.

Spegelreflektion

Spegelreflektion av ljus kännetecknas av ett visst förhållande mellan positionerna för infallande och reflekterade strålar: 1) den reflekterade strålen ligger i ett plan som passerar genom den infallande strålen och normalen till den reflekterande ytan, återställd vid infallspunkten; 2) reflektionsvinkeln är lika med infallsvinkeln. Intensiteten hos det reflekterade ljuset (kännetecknas av reflektionskoefficienten ) beror på infallsvinkeln och polariseringen av den infallande strålen (se Ljuspolarisation ), såväl som på förhållandet mellan brytningsindexen n 2 och n 1 av 2:a och 1:a media. Kvantitativt uttrycks detta beroende (för ett reflekterande medium - ett dielektrikum) av Fresnel-formlerna . Särskilt av dem följer att när ljus infaller längs normalen till ytan, beror reflektionskoefficienten inte på polariseringen av den infallande strålen och är lika med

$\frac{(n_2 - n_1)^2}{(n_2 + n_1)^2}$

I ett viktigt specialfall av normal incidens från luft eller glas till deras gränssnitt (luftbrytningsindex = 1,0; glas = 1,5), är det 4 %.

Total intern reflektion

Det observeras för elektromagnetiska vågor eller ljudvågor vid gränssnittet mellan två medier, när vågen faller från ett medium med lägre utbredningshastighet (i fallet med ljusstrålar motsvarar detta ett högre brytningsindex ).

Med en ökning av infallsvinkeln ökar också brytningsvinkeln, medan intensiteten hos den reflekterade strålen ökar, och den för den bryta minskar (deras summa är lika med intensiteten hos den infallande strålen). Vid ett visst kritiskt värde blir intensiteten hos den brutna strålen noll och total reflektion av ljuset uppstår. Värdet på den kritiska infallsvinkeln kan hittas genom att ställa in brytningsvinkeln lika med 90° i brytningslagen : $i$ $i = i_k$

\sin{i_k} = n_2/n_1

Diffus reflektion av ljus

När ljus reflekteras från en ojämn yta divergerar de reflekterade strålarna i olika riktningar (se Lamberts lag ). Av denna anledning kan du inte se din reflektion när du tittar på en grov (matt) yta. Diffus reflektion blir när ytan är ojämn i storleksordningen en våglängd eller mer. Således kan samma yta vara matt, diffust reflekterande för synlig eller ultraviolett strålning , men jämn och spegelreflekterande för infraröd strålning .