Refleksion (fysik)

Refleksion er en fysisk proces af interaktion af bølger eller partikler med en overflade, en ændring i retningen af en bølgefront ved grænsen af to medier med forskellige egenskaber, hvor bølgefronten vender tilbage til det medium, hvorfra den kom. Samtidig med refleksion af bølger ved grænsefladen mellem medier sker der som regel brydning af bølger (med undtagelse af tilfælde af total intern refleksion ).

I akustik er refleksion årsagen til ekko og bruges i ekkolod . I geologien spiller den en vigtig rolle i studiet af seismiske bølger . Refleksion observeres på overfladebølger i vandområder. Refleksion observeres med mange typer elektromagnetiske bølger , ikke kun for synligt lys: Refleksionen af VHF og højfrekvente radiobølger er afgørende for radiotransmissioner og radar . Selv hårde røntgen- og gammastråler kan reflekteres i små vinkler til overfladen af specialfremstillede spejle . I medicin bruges refleksionen af ultralyd ved grænsefladerne mellem væv og organer i ultralydsdiagnostik .

Historie

For første gang omtales loven om refleksion i Euklids Catoptric , der stammer fra omkring 300 f.Kr. e.

Refleksionens love. Fresnel-formler

Loven om lysreflektion - etablerer en ændring i lysstrålens retning som følge af et møde med en reflekterende (spekulær) overflade: de indfaldende og reflekterede stråler ligger i samme plan med normalen til den reflekterende overflade i punktet af indfald, og denne normal deler vinklen mellem strålerne i to lige store dele. Den meget anvendte, men mindre nøjagtige formulering "reflektionsvinkel er lig med indfaldsvinkel" angiver ikke strålens nøjagtige refleksionsretning. Det ser dog sådan ud:

Denne lov er en konsekvens af anvendelsen af Fermats princip på en reflekterende overflade og er, ligesom alle love for geometrisk optik, afledt af bølgeoptik . Loven gælder ikke kun for perfekt reflekterende overflader, men også for grænsen mellem to medier, delvist reflekterende lys. I dette tilfælde, såvel som loven om lysets brydning , står der ikke noget om intensiteten af det reflekterede lys.

Afledning af loven

Lad det ligge i tegningens plan. Lad aksen rettes vandret, aksen - lodret. Det følger af symmetriovervejelser, at , og skal ligge i samme plan. $\vec{k}$ $x$ $y$ $\vec{k}$ $\vec{k'}$ $\vec{k''}$

Lad os udskille en plan-polariseret komponent fra den indfaldende stråle, hvor vinklen mellem og planet er vilkårlig. Så hvis vi vælger den indledende fase lig med nul, så ${\vec {E}}$

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

Det resulterende felt i det første og det andet miljø er hhv

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

Det er indlysende, at de tangentielle komponenter og skal være ens ved grænsefladen, det vil sige kl $E_1$ $E_2$ $y=0.$

Derefter

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''}

For at den sidste ligning skal holde for alle , er det nødvendigt , at og for at den skal holde for alle , er det nødvendigt, at $t,$ $\omega = \omega' = \omega''$ $x,$

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''},

hvor

v_{1}

og er bølgehastighederne i henholdsvis det første og andet medie.

v_{2}

Derfor følger det $\alpha = \alpha' \blackquare$

Fedorovs skift

Fedorov-skiftet er fænomenet med en lille (mindre end en bølgelængde) lateral forskydning af en lysstråle med cirkulær eller elliptisk polarisering med total intern refleksion. Som et resultat af forskydningen ligger den reflekterede stråle ikke i samme plan som den indfaldende stråle, som loven om refleksion af lys i geometrisk optik erklærer.

Fænomenet blev teoretisk forudsagt af F. I. Fedorov i 1954 , senere opdaget eksperimentelt.

Refleksmekanisme

I klassisk elektrodynamik betragtes lys som en elektromagnetisk bølge, som er beskrevet af Maxwells ligninger .

Når en elektromagnetisk bølge (lys) rammer overfladen af et dielektrikum : der opstår små udsving i dielektrisk polarisering i individuelle atomer, som et resultat af, at hver partikel udstråler sekundære bølger i alle retninger (som en antennedipol ) . Alle disse bølger lægger sig sammen og giver - i overensstemmelse med Huygens-Fresnel princippet - en spejlrefleksion og refraktion[ ryd op ] .
Når en elektromagnetisk bølge (lys) rammer overfladen af en leder : elektroner oscillerer ( elektrisk strøm ), hvis elektromagnetiske felt har en tendens til at kompensere for denne effekt, hvilket fører til næsten fuldstændig reflektion af lys.

Afhængig af resonansfrekvensen af svingningskredsløbene i et stofs molekylære struktur udsendes en bølge med en bestemt frekvens (en bestemt farve) ved refleksion. Sådan får objekter farve. Selvom farven på et objekt ikke kun bestemmes af egenskaberne af reflekteret lys (se Farvesyn og fysiologi af farveopfattelse ).

Typer af refleksion

Refleksion af lys kan være spejlende (det vil sige som observeret ved brug af spejle ) eller diffus (i dette tilfælde bevarer refleksionen ikke strålernes vej fra objektet, men kun energikomponenten af lysstrømmen ) afhængigt af overfladens beskaffenhed.

Spejlrefleksion

Spekulær reflektion af lys er kendetegnet ved et vist forhold mellem positionerne af de indfaldende og reflekterede stråler: 1) den reflekterede stråle ligger i et plan, der passerer gennem den indfaldende stråle og normalen til den reflekterende overflade, genoprettet ved indfaldspunktet; 2) reflektionsvinklen er lig med indfaldsvinklen. Intensiteten af det reflekterede lys (karakteriseret ved refleksionskoefficienten ) afhænger af indfaldsvinklen og polariseringen af den indfaldende stråle af stråler (se Lyspolarisation ), såvel som af forholdet mellem brydningsindeksene n 2 og n 1 af 2. og 1. medie. Kvantitativt er denne afhængighed (for et reflekterende medium - et dielektrikum) udtrykt ved Fresnel-formlerne . Især af dem følger det, at når lys falder ind langs normalen til overfladen, afhænger refleksionskoefficienten ikke af polariseringen af den indfaldende stråle og er lig med

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

I et vigtigt specialtilfælde af normal forekomst fra luft eller glas til deres grænseflade (luftbrydningsindeks = 1,0; glas = 1,5), er det 4%.

Total intern refleksion

Det observeres for elektromagnetiske eller lydbølger ved grænsefladen mellem to medier, når bølgen falder fra et medium med en lavere udbredelseshastighed (i tilfælde af lysstråler svarer dette til et højere brydningsindeks ).

Med en stigning i indfaldsvinklen øges brydningsvinklen også, mens intensiteten af den reflekterede stråle øges, og den af den brydte aftager (deres sum er lig med intensiteten af den indfaldende stråle). Ved en vis kritisk værdi bliver intensiteten af den brudte stråle nul, og total refleksion af lyset opstår. Værdien af den kritiske indfaldsvinkel kan findes ved at sætte brydningsvinklen lig med 90° i brydningsloven : $jeg$ $i = i_k$

\sin{i_k} = n_2/n_1

Diffus refleksion af lys

Når lys reflekteres fra en ujævn overflade, divergerer de reflekterede stråler i forskellige retninger (se Lamberts lov ). Af denne grund kan du ikke se din refleksion, når du ser på en ru (mat) overflade. Diffus refleksion bliver, når overfladen er ujævn i størrelsesordenen en bølgelængde eller mere. Den samme overflade kan således være mat, diffust reflekterende for synlig eller ultraviolet stråling , men glat og spejlende reflekterende for infrarød stråling .