Zrcadlový odraz - Specular reflection

Koplanární stav zrcadlového odrazu, ve kterém .
Odrazy na stojaté vodě jsou příkladem zrcadlového odrazu.

Zrcadlový odraz , nebo pravidelný odraz , je zrcadlo -jako odraz z vlny , jako je světlo , z povrchu.

Zákon odrazu uvádí, že odražený paprsek světla se vynoří z odrazného povrchu pod stejným úhlem k normále povrchu jako dopadajícího paprsku, ale na opačné straně kolmice k povrchu v rovině tvořené dopadajícího i odraženého záření. Toto chování poprvé popsal Hrdina Alexandrie ( asi 10–70 n . L.).

Zrcadlový odraz může být v kontrastu s difuzním odrazem , při kterém je světlo rozptýleno od povrchu v různých směrech.

Zákon odrazu

Zrcadlový odraz od mokré kovové koule
Difúzní odraz od mramorové koule

Když světlo narazí na hranici materiálu, je ovlivněno funkcemi optické a elektronické odezvy materiálu na elektromagnetické vlny. Optické procesy, které obsahují odraz a lom , jsou vyjádřeny rozdílem indexu lomu na obou stranách hranice, zatímco odrazivost a absorpce jsou skutečnými a imaginárními částmi odezvy v důsledku elektronické struktury materiálu. Stupeň účasti každého z těchto procesů na přenosu je funkcí frekvence nebo vlnové délky světla, jeho polarizace a úhlu dopadu. Obecně se odraz zvyšuje s rostoucím úhlem dopadu a se zvyšující se absorpcí na hranici. Tyto Fresnelovy rovnice popisují fyziku na optickém rozhraní.

Odraz může nastat jako zrcadlový nebo zrcadlový odraz a difúzní odraz . Zrcadlový odraz odráží veškeré světlo přicházející z daného směru pod stejným úhlem, zatímco difúzní odraz odráží světlo v širokém rozsahu směrů. Rozdíl může být ilustrován s povrchy potažené lesklou barvou a matným lakem. Matné barvy vykazují v podstatě úplný difúzní odraz, zatímco lesklé barvy vykazují větší složku zrcadlového chování. Povrch vytvořený z neabsorbujícího prášku, jako je sádra, může být téměř dokonalým difuzorem, zatímco leštěné kovové předměty mohou velmi efektivně zrcadlit světlo. Odrazový materiál zrcátek je obvykle hliník nebo stříbro.

Světlo se v prostoru šíří jako vlnová fronta elektromagnetických polí. Paprsek světla je charakterizován směrem kolmým na přední stranu vlny ( vlnovou normálu ). Když paprsek narazí na povrch, úhel, který svírá normála vlny vzhledem k normále povrchu, se nazývá úhel dopadu a rovina definovaná oběma směry je rovina dopadu . K odrazu dopadajícího paprsku dochází také v rovině dopadu.

Zákon odrazu se uvádí, že úhel odrazu paprsku se rovná úhlu dopadu, a že směr dopadu, povrch normální, a odražený směr jsou v jedné rovině .

Když světlo dopadá kolmo na povrch, odráží se přímo zpět ve směru zdroje.

Fenomén odrazu vzniká difrakcí rovinné vlny na ploché hranici. Když je velikost hranice mnohem větší než vlnová délka , pak elektromagnetická pole na hranici oscilují přesně ve fázi pouze pro zrcadlový směr.

Vektorové formulace

Zákon odrazu lze také ekvivalentně vyjádřit pomocí lineární algebry . Směr odraženého paprsku je určen vektorem dopadu a povrchovým normálovým vektorem. Vzhledem k směru dopadu od povrchu ke zdroji světla a normálnímu směru povrchu je zrcadlově odražený směr (všechny jednotkové vektory ):

kde je skalární získán s bodovým součinem . Různí autoři mohou definovat směr incidentu a odrazu různými znameními . Za předpokladu, že jsou tyto euklidovské vektory reprezentovány ve sloupcovém tvaru , lze rovnici ekvivalentně vyjádřit jako násobení matice-vektor:

kde je takzvaná matice transformace vlastníka domu , definovaná jako:

z hlediska matice identity a dvojnásobku vnějšího produktu z .

Odrazivost

Odrazivost je poměr síly odražené vlny k dopadající vlně. Je to funkce vlnové délky záření a souvisí s indexem lomu materiálu vyjádřeným Fresnelovými rovnicemi . V oblastech elektromagnetického spektra, ve kterých je absorpce materiálem významná, souvisí s elektronickým absorpčním spektrem prostřednictvím imaginární složky komplexního indexu lomu. Elektronické absorpční spektrum neprůhledného materiálu, které je obtížné nebo nemožné měřit přímo, lze proto nepřímo určit z spektra odrazu pomocí Kramers-Kronigovy transformace . Polarizace odraženého světla závisí na symetrii uspořádání dopadajícího snímacího světla s ohledem na absorpční přechody dipólové momenty v materiálu.

Měření zrcadlového odrazu se provádí pomocí normálních nebo proměnných spektrálních odrazových spektrofotometrů ( reflektometr ) pomocí skenovacího světelného zdroje s proměnnou vlnovou délkou. Měření nižší kvality pomocí měřiče lesku kvantifikuje lesklý vzhled povrchu v jednotkách lesku .

Důsledky

Vnitřní odraz

Když se světlo šíří v materiálu a narazí na rozhraní s materiálem s nižším indexem lomu , část světla se odrazí. Pokud je úhel dopadu větší než kritický úhel , dojde k úplnému vnitřnímu odrazu : veškeré světlo se odráží. Kritický úhel lze ukázat jako daný

Polarizace

Když světlo zasáhne rozhraní mezi dvěma materiály, odražené světlo je obecně částečně polarizované . Pokud však světlo dopadne na rozhraní pod Brewsterovým úhlem , odražené světlo je zcela lineárně polarizováno rovnoběžně s rozhraním. Brewsterův úhel je dán vztahem

Odrazené obrázky

Obraz v plochém zrcadle má tyto vlastnosti:

  • Je to stejná vzdálenost za zrcadlem jako předmět vpředu.
  • Má stejnou velikost jako objekt.
  • Je to správná cesta vzhůru (vztyčená).
  • Je to obrácené.
  • Je virtuální , což znamená, že se obraz zdá být za zrcadlem a nelze jej promítat na obrazovku.

Převrácení obrazu rovinným zrcadlem je vnímáno různě v závislosti na okolnostech. V mnoha případech se zdá, že obraz v zrcadle je obrácen zleva doprava. Pokud je na strop namontováno ploché zrcadlo, může se zdát, že se otočí nahoru a dolů, pokud pod ním někdo stojí a dívá se nahoru. Podobně se auto, které odbočuje vlevo, bude ve zpětném zrcátku stále otáčet doleva pro řidiče auta před ním. Obrácení směrů nebo jejich nedostatek závisí na tom, jak jsou směry definovány. Přesněji řečeno zrcadlo mění rukojeť souřadného systému, jedna osa souřadnicového systému se zdá být obrácená a chiralita obrazu se může změnit. Například obrázek pravé boty bude vypadat jako levá bota.

Příklady

Esplanáda Trocadera v Paříži po dešti. Vrstva vody vykazuje zrcadlový odraz, který odráží obraz Eiffelovy věže a dalších objektů.

Klasickým příkladem zrcadlového odrazu je zrcadlo , které je speciálně navrženo pro zrcadlový odraz.

Kromě viditelného světla , zrcadlový odraz lze pozorovat v ionosférickou odrazu z radiových vln a odrazu radioaktivně nebo mikrovlnných radarových signálů od létajících objektů. Technika měření rentgenové odrazivosti využívá zrcadlovou odrazivost ke studiu tenkých filmů a rozhraní se subnanometrovým rozlišením, a to buď pomocí moderních laboratorních zdrojů, nebo synchrotronových rentgenových paprsků.

Neelektromagnetické vlny mohou také vykazovat zrcadlové odrazy, jako u akustických zrcadel, která odrážejí zvuk, a atomových zrcadel , která odrážejí neutrální atomy . Pro účinný odraz atomů od zrcadla v pevné fázi se používají velmi studené atomy a/nebo výskyt pastvy, aby se zajistil významný kvantový odraz ; vyvýšená zrcadla se používají ke zvýšení zrcadlového odrazu atomů. Neutronová reflektometrie využívá zrcadlové odrazy ke studiu povrchů materiálů a rozhraní tenkých vrstev analogicky jako u rentgenové odrazivosti.

Viz také

Poznámky

Reference