Reflexe (fyzika)

Odraz je fyzikální proces interakce vln nebo částic s povrchem, změna směru čela vlny na rozhraní dvou prostředí s různými vlastnostmi, při které se čelo vlny vrací do prostředí, ze kterého vzešlo. Současně s odrazem vlnění na rozhraní mezi prostředími zpravidla dochází k lomu vlnění (s výjimkou případů úplného vnitřního odrazu ).

V akustice je odraz příčinou ozvěny a používá se v sonaru . V geologii hraje důležitou roli při studiu seismických vln . Odraz je pozorován na povrchových vlnách ve vodních útvarech. Odraz je pozorován u mnoha typů elektromagnetických vln , nejen u viditelného světla: odraz VHF a vysokofrekvenčních rádiových vln je nezbytný pro rádiové přenosy a radary . Dokonce i tvrdé rentgenové paprsky a gama paprsky mohou být odraženy v malých úhlech k povrchu pomocí speciálně vyrobených zrcadel . V medicíně se v ultrazvukové diagnostice využívá odraz ultrazvuku na rozhraní mezi tkáněmi a orgány .

Historie

Poprvé, zákon odrazu je zmíněn v Euklidově Catoptric , datovat se od asi 300 př.nl. E.

Zákony odrazu. Fresnelovy vzorce

Zákon odrazu světla - určuje změnu směru světelného paprsku v důsledku setkání s odrazným (zrcadlovým) povrchem: dopadající a odražené paprsky leží ve stejné rovině s normálou k odraznému povrchu v bodě a tato normála rozděluje úhel mezi paprsky na dvě stejné části. Široce používaná, ale méně přesná formulace „úhel odrazu se rovná úhlu dopadu“ neudává přesný směr odrazu paprsku. Nicméně to vypadá takto:

Tento zákon je důsledkem aplikace Fermatova principu na odraznou plochu a jako všechny zákony geometrické optiky je odvozen z vlnové optiky . Zákon platí nejen pro dokonale odrážející povrchy, ale i pro rozhraní dvou prostředí, částečně odrážejících světlo. V tomto případě, stejně jako zákon lomu světla , nevypovídá nic o intenzitě odraženého světla.

Odvození zákona

Nechte jej ležet v rovině výkresu. Nechte osu nasměrovat vodorovně, osu - svisle. Z úvah o symetrii vyplývá, že , a musí ležet ve stejné rovině. $\vec{k}$ $X$ $y$ $\vec{k}$ $\vec{k'}$ $\vec{k''}$

Z dopadajícího paprsku vyčleňme rovinně polarizovanou složku, ve které je úhel mezi rovinou a rovinou libovolný. Pokud tedy zvolíme počáteční fázi rovnou nule, pak ${\vec {E}}$

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

Výsledné pole v prvním a druhém prostředí je stejné

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

Je zřejmé, že tečné složky a musí být stejné na rozhraní, tj $E_1$ $E_2$ $y=0.$

Pak

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''}

Aby poslední rovnice platila pro všechny , je nutné , a aby platila pro všechny , je nutné , aby $t,$ $\omega = \omega' = \omega''$ $X,$

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

kde

v_{1}

a jsou vlnové rychlosti v prvním a druhém médiu.

v_{2}

Z toho tedy vyplývá $\alpha = \alpha' \blacksquare$

Fedorovův posun

Fedorovův posun je jev malého (menšího než vlnová délka) bočního posunutí světelného paprsku s kruhovou nebo eliptickou polarizací s úplným vnitřním odrazem. V důsledku posunutí neleží odražený paprsek ve stejné rovině jako paprsek dopadající, jak deklaruje zákon odrazu světla v geometrické optice.

Tento jev teoreticky předpověděl F. I. Fedorov v roce 1954 , později experimentálně objevený.

Odrazový mechanismus

V klasické elektrodynamice je světlo chápáno jako elektromagnetická vlna, která je popsána Maxwellovými rovnicemi .

Když elektromagnetická vlna (světlo) dopadá na povrch dielektrika : v jednotlivých atomech dochází k malým výkyvům polarizace dielektrika, v důsledku čehož každá částice vyzařuje sekundární vlny ve všech směrech (jako anténa- dipól ). Všechny tyto vlny se sčítají a - v souladu s Huygens-Fresnelovým principem - poskytují zrcadlový odraz a lom[ vyčistit ] .
Když elektromagnetická vlna (světlo) dopadne na povrch vodiče : elektrony oscilují ( elektrický proud ), jejichž elektromagnetické pole má tendenci tento efekt kompenzovat, což vede k téměř úplnému odrazu světla.

V závislosti na rezonanční frekvenci oscilačních obvodů v molekulární struktuře látky je při odrazu emitována vlna o určité frekvenci (určité barvě). Takto získávají předměty barvu. I když barvu předmětu neurčují pouze vlastnosti odraženého světla (viz Barevné vidění a Fyziologie vnímání barev ).

Typy odrazů

Odraz světla může být zrcadlový (tj. pozorovaný při použití zrcadel ) nebo difúzní (v tomto případě odraz nezachovává dráhu paprsků od objektu, ale pouze energetickou složku světelného toku ) v závislosti na povaha povrchu.

Zrcadlový odraz

Zrcadlový odraz světla se vyznačuje určitým vztahem mezi polohami dopadajících a odražených paprsků: 1) odražený paprsek leží v rovině procházející dopadajícím paprskem a normálou k odraznému povrchu, obnovené v místě dopadu; 2) úhel odrazu se rovná úhlu dopadu. Intenzita odraženého světla (charakterizovaná koeficientem odrazu ) závisí na úhlu dopadu a polarizaci dopadajícího svazku paprsků (viz Polarizace světla ), jakož i na poměru indexů lomu n 2 a n 1 2. a 1. médium. Kvantitativně je tato závislost (pro odrazné médium - dielektrikum) vyjádřena Fresnelovými vzorci . Z nich zejména vyplývá, že když světlo dopadá podél normály k povrchu, koeficient odrazu nezávisí na polarizaci dopadajícího paprsku a je roven

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

V důležitém speciálním případě normálního dopadu ze vzduchu nebo skla na jejich rozhraní (index lomu vzduchu = 1,0; sklo = 1,5) je to 4 %.

Totální vnitřní odraz

Pozoruje se u elektromagnetických nebo zvukových vln na rozhraní dvou prostředí, kdy vlna dopadá z prostředí s nižší rychlostí šíření (u světelných paprsků to odpovídá vyššímu indexu lomu ).

S rostoucím úhlem dopadu roste i úhel lomu, zatímco intenzita odraženého paprsku roste a lomeného klesá (jejich součet se rovná intenzitě dopadajícího paprsku). Při určité kritické hodnotě se intenzita lámaného paprsku stane nulovou a dojde k úplnému odrazu světla. Hodnotu kritického úhlu dopadu lze zjistit nastavením úhlu lomu rovného 90° v zákoně lomu : $i$ $i = i_k$

\sin{i_k} = n_2/n_1

Difúzní odraz světla

Při odrazu světla od nerovného povrchu se odražené paprsky rozcházejí v různých směrech (viz Lambertův zákon ). Z tohoto důvodu nevidíte svůj odraz při pohledu na drsný (matný) povrch. K difúznímu odrazu dochází, když je povrch nerovný řádově o vlnové délce nebo více. Stejný povrch tedy může být matný, difúzně odrazivý pro viditelné nebo ultrafialové záření , ale hladký a zrcadlově odrazivý pro infračervené záření .