Reflexe (fyzika) - Reflection (physics)

Reflexe je změna směru vlnoplochy na rozhraní mezi dvěma různými médii tak, aby se vlnoplocha vrátila do média, ze kterého pochází. Mezi běžné příklady patří odraz světla , zvuku a vodních vln . Zákon odrazu říká, že pro zrcadlovým odrazem úhel, pod kterým se vlna dopadá na povrch se rovná úhlu, v němž se odráží. Zrcadla vykazují zrcadlové odrazy.

V akustice odraz způsobuje ozvěny a používá se v sonaru . V geologii je důležitý při studiu seismických vln . Odraz je pozorován u povrchových vln ve vodních plochách . Odraz je kromě viditelného světla pozorován u mnoha typů elektromagnetických vln . Odraz VKV a vyšších frekvencí je důležitý pro rádiový přenos a pro radar . Dokonce i tvrdé rentgenové a gama záření se mohou odrážet v mělkých úhlech pomocí speciálních „pasoucích se“ zrcadel.

Odraz světla

Odraz světla je buď zrcadlový (zrcadlový) nebo difúzní (zachovává energii , ale ztrácí obraz) v závislosti na povaze rozhraní. Při zrcadlovém odrazu závisí fáze odražených vln na volbě počátku souřadnic, ale relativní fáze mezi polarizacemi s a p (TE a TM) je fixována vlastnostmi média a rozhraní mezi nimi.

Zrcadlo poskytuje nejběžnější model pro zrcadlové odrazy světla a obvykle se skládá ze skleněné tabule s kovovým povlakem, kde dochází k výraznému odrazu. Odraz je v kovech zesílen potlačením šíření vln nad jejich hloubky kůže . K odrazu dochází také na povrchu průhledných médií, jako je voda nebo sklo .

Schéma zrcadlového odrazu

V diagramu světelný paprsek PO zasáhne svislé zrcadlo v bodě O a odražený paprsek je OQ . Tím, že projektuje myšlenou čáru přes bod O kolmý k zrcadlu, známý jak normální , můžeme měřit úhel dopadu , θ i a úhel odrazu , θ r . Zákon odrazu říká, že t Vstup i = t Vstup r , nebo jinými slovy, úhel dopadu se rovná úhlu odrazu.

Ve skutečnosti může k odrazu světla dojít vždy, když světlo cestuje z média daného indexu lomu do média s jiným indexem lomu. V nejobecnějším případě se určitá část světla odráží od rozhraní a zbytek se láme . Řešení Maxwellových rovnic pro světelný paprsek narážející na hranici umožňuje odvození Fresnelových rovnic , které lze použít k předpovědi, kolik světla se odráží a kolik se v dané situaci láme. To je analogické tomu, jak nesoulad impedancí v elektrickém obvodu způsobuje odraz signálů. K úplnému vnitřnímu odrazu světla od hustšího média dochází, pokud je úhel dopadu větší než kritický úhel .

Celkový vnitřní odraz se používá jako prostředek pro zaostřování vln, které nelze účinně odrážet běžnými prostředky. Rentgenové teleskopy jsou konstruovány tak, že vytvářejí sbíhající se „tunel“ pro vlny. Jak vlny interagují pod nízkým úhlem s povrchem tohoto tunelu, odrážejí se směrem k zaostřovacímu bodu (nebo k jiné interakci s povrchem tunelu, nakonec jsou směrovány k detektoru v ohnisku). Konvenční reflektor by byl k ničemu, protože rentgenové paprsky by jednoduše prošly zamýšleným reflektorem.

Když se světlo odráží od materiálu s vyšším indexem lomu než médium, ve kterém cestuje, prochází fázovým posunem o 180 ° . Naopak, když se světlo odráží od materiálu s nižším indexem lomu, odražené světlo je ve fázi s dopadajícím světlem. Toto je důležitý princip v oblasti tenkovrstvé optiky .

Zrcadlový odraz vytváří obrazy . Odraz od rovného povrchu vytváří zrcadlový obraz , který se zdá být obrácen zleva doprava, protože porovnáváme obraz, který vidíme, s tím, co bychom viděli, kdybychom byli otočeni do polohy obrazu. Zrcadlový odraz na zakřiveném povrchu vytváří obraz, který lze zvětšovat nebo demagnifikovat; zakřivená zrcadla mají optickou sílu . Taková zrcadla mohou mít povrchy sférické nebo parabolické .

Lom světla na rozhraní mezi dvěma médii.

Zákony odrazu

Příklad zákona odrazu

Pokud je odrazný povrch velmi hladký, odraz světla, který se objeví, se nazývá zrcadlový nebo pravidelný odraz. Zákony odrazu jsou následující:

  1. Dopadající paprsek, odražený paprsek a kolmý k odrazné ploše v místě dopadu leží ve stejné rovině .
  2. Úhel, který dopadající paprsek svírá s normálkou, se rovná úhlu, který odražený paprsek svírá se stejným normálem.
  3. Odražený paprsek a dopadající paprsek jsou na opačných stranách normálu.

Tyto tři zákony lze všechny odvodit z Fresnelových rovnic .

Mechanismus

2D simulace: odraz kvantové částice. Bílé rozostření představuje rozdělení pravděpodobnosti nalezení částice na daném místě, pokud je měřeno.

V klasické elektrodynamice je světlo považováno za elektromagnetickou vlnu, která je popsána Maxwellovými rovnicemi . Světelné vlny dopadající na materiál vyvolávají malé oscilace polarizace v jednotlivých atomech (nebo oscilace elektronů v kovech), což způsobuje, že každá částice vyzařuje malou sekundární vlnu ve všech směrech, jako dipólová anténa . Všechny tyto vlny se sčítají a poskytují zrcadlový odraz a lom podle Huygens -Fresnelova principu .

V případě dielektrika, jako je sklo, působí elektrické pole světla na elektrony v materiálu a pohybující se elektrony generují pole a stávají se novými zářiči. Lomené světlo ve skle je kombinací dopředného záření elektronů a dopadajícího světla. Odražené světlo je kombinací zpětného záření všech elektronů.

V kovech se elektronům bez vazebné energie říká volné elektrony. Když tyto elektrony oscilují s dopadajícím světlem, fázový rozdíl mezi jejich radiačním polem a dopadajícím polem je π (180 °), takže dopředné záření ruší dopadající světlo a zpětné záření je pouze odražené světlo.

Interakce světelné hmoty z hlediska fotonů je tématem kvantové elektrodynamiky a je podrobně popsána Richardem Feynmanem v jeho populární knize QED: Podivná teorie světla a hmoty .

Difúzní odraz

Obecný mechanismus rozptylu, který poskytuje difúzní odraz pevným povrchem

Když světlo narazí na povrch (nekovového) materiálu, to se odrazí ve všech směrech vzhledem k mnohonásobným reflexím mikroskopickým nesrovnalostí uvnitř materiálu (např hranicích zrn jednoho polykrystalického materiálu, nebo buňky nebo vláken hranic organického materiálu ) a jeho povrchem, pokud je drsný. Nevytváří se tedy „obraz“. Toto se nazývá difúzní odraz . Přesná forma odrazu závisí na struktuře materiálu. Jedním běžným modelem pro difúzní odraz je Lambertova odrazivost , ve které se světlo odráží se stejnou svítivostí (ve fotometrii) nebo zářením (v radiometrii) ve všech směrech, jak je definováno Lambertovým kosinovým zákonem .

Světlo vysílané do našich očí většinou předmětů, které vidíme, je způsobeno difuzním odrazem od jejich povrchu, takže toto je náš primární mechanismus fyzického pozorování.

Odraz reflexe

Princip činnosti rohového reflektoru

Některé povrchy vykazují retroreflexi . Struktura těchto povrchů je taková, že se světlo vrací ve směru, odkud přišlo.

Při létání nad mraky osvětlenými slunečním světlem se oblast viděná kolem stínu letadla jeví jasnější a podobný efekt lze pozorovat z rosy na trávě. Tato částečná zpětná reflexe je vytvořena refrakčními vlastnostmi povrchu zakřivené kapičky a reflexními vlastnostmi na zadní straně kapičky.

Sítnice některých zvířat fungují jako retroreflektory (podrobnější informace viz tapetum lucidum ), protože to účinně zlepšuje noční vidění zvířat. Protože čočky jejich očí recipročně upravují dráhy přicházejícího a odcházejícího světla, účinek je takový, že oči působí jako silný odrazný reflektor, někdy viděný v noci při procházce divokou krajinou s baterkou.

Jednoduchý retroreflektor lze vytvořit umístěním tří obyčejných zrcadel vzájemně kolmých na sebe ( rohový reflektor ). Vytvořený obraz je inverzní k obrazu vytvořenému jediným zrcadlem. Povrch může být částečně retroreflexní nanesením vrstvy malých refrakčních koulí na něj nebo vytvořením malých pyramidových struktur. V obou případech vnitřní odraz způsobí, že se světlo odráží zpět tam, odkud pochází. To se používá k tomu, aby dopravní značky a automobilové poznávací značky odrážely světlo většinou zpět ve směru, odkud přišly. V této aplikaci není žádoucí dokonalý odraz zpětného odrazu, protože světlo by pak bylo směrováno zpět do světlometů protijedoucího auta, nikoli do očí řidiče.

Více odrazů

Více odrazů ve dvou rovinných zrcadlech pod úhlem 60 °.

Když se světlo odráží od zrcadla , objeví se jeden obraz. Dvě zrcadla umístěná přesně tváří v tvář dávají vzhled nekonečného počtu obrazů podél přímky. Vícenásobné obrazy viděné mezi dvěma zrcadly, která k sobě sedí v úhlu, leží nad kruhem. Střed tohoto kruhu se nachází na pomyslném průsečíku zrcadel. Čtverec čtyř zrcadel umístěných tváří v tvář dává zdání nekonečného počtu obrazů uspořádaných v rovině. Vícenásobné obrazy viděné mezi čtyřmi zrcadly sestavujícími pyramidu, ve které každá dvojice zrcadel k sobě drží úhel, leží nad koulí. Pokud je základna pyramidy ve tvaru obdélníku, obrazy se rozloží na část torusu .

Všimněte si, že se jedná o teoretické ideály, vyžadující dokonalé zarovnání dokonale hladkých, dokonale plochých dokonalých reflektorů, které neabsorbují žádné světlo. V praxi lze k těmto situacím přistupovat, ale nelze jich dosáhnout, protože efekty jakýchkoli povrchových nedokonalostí v reflektorech se šíří a zvětšují, absorpce postupně zhasíná obraz a jakékoli pozorovací zařízení (biologické nebo technologické) bude rušit.

Komplexní konjugovaný odraz

V tomto procesu (který je také známý jako fázová konjugace) se světlo odráží přesně zpět ve směru, odkud přišlo kvůli nelineárnímu optickému procesu. Obrátí se nejen směr světla, ale také skutečné vlnoplochy. Reflektor konjugát může být použit k odstranění odchylky z paprsku odráží to a pak předá odrazu přes aberrating optikou podruhé. Pokud by se člověk podíval do složitého konjugujícího se zrcadla, bylo by černé, protože by se do zornice dostaly pouze fotony, které opustily zornici.

Jiné druhy odrazu

Neutronový odraz

Materiály, které odrážejí neutrony , například berylium , se používají v jaderných reaktorech a jaderných zbraních . Ve fyzikálních a biologických vědách se k určení vnitřní struktury materiálu běžně používá odraz neutronů od atomů v materiálu.

Odraz zvuku

Panel pro šíření zvuku pro vysoké frekvence

Když podélná zvuková vlna narazí na plochý povrch, zvuk se odráží soudržným způsobem za předpokladu, že rozměr odrazné plochy je ve srovnání s vlnovou délkou zvuku velký. Všimněte si, že slyšitelný zvuk má velmi široký frekvenční rozsah (od 20 do přibližně 17 000 Hz), a tedy velmi široký rozsah vlnových délek (od přibližně 20 mm do 17 m). V důsledku toho se celková povaha odrazu liší podle textury a struktury povrchu. Například porézní materiály absorbují určitou energii a hrubé materiály (kde hrubý je relativní k vlnové délce) mají tendenci se odrážet v mnoha směrech - aby rozptýlily energii, než aby ji odrážely souvisle. To vede do oblasti architektonické akustiky , protože povaha těchto odrazů je rozhodující pro sluchový vjem prostoru. V teorii zmírňování vnějšího hluku velikost reflexního povrchu mírně odvádí pozornost od konceptu protihlukové stěny tím, že část zvuku odráží do opačného směru. Odraz zvuku může ovlivnit akustický prostor .

Seismický odraz

Seizmické vlny způsobené zemětřesením nebo jinými zdroji (například výbuchy ) se mohou odrážet ve vrstvách na Zemi . Studium hlubokých odrazů vln generovaných zemětřesením umožnilo seismologům určit vrstevnatou strukturu Země . Mělčí odrazy se používají v seismologii reflexe ke studiu zemské kůry obecně, a zejména k vyhlídkám na ložiska ropy a zemního plynu .

Viz také

Reference

externí odkazy