Отражение (физика)

Отраже́ние — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения).

В акустике отражение является причиной эха и используется в гидролокации. В геологии оно играет важную роль в изучении сейсмических волн. Отражение наблюдается на поверхностных волнах в водоёмах. Отражение наблюдается со многими типами электромагнитных волн, не только для видимого света: отражение УКВ и радиоволн более высоких частот имеет важное значение для радиопередач и радиолокации. Даже жёсткое рентгеновское излучение и гамма-лучи могут быть отражены на малых углах к поверхности специально изготовленными зеркалами. В медицине отражение ультразвука на границах раздела тканей и органов используется при проведении УЗИ-диагностики.

История

Впервые закон отражения упоминается в «Катоптрике» Евклида, датируемой примерно 300 годом до н. э.

Законы отражения. Формулы Френеля

Закон отражения света — устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части^[1]. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол отражения равен углу падения» не указывает точное направление отражения луча. Тем не менее, выглядит это следующим образом:

Рисунок к выводу закона отражения из принципа Ферма

Этот закон является следствием применения принципа Ферма к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из волновой оптики. Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы раздела двух сред, частично отражающей свет, например, от прозрачного вещества с большим показателем преломления. В этом случае, равно как и закон преломления света, он не описывает интенсивности отражённого света.

Вывод закона

Пусть ${\vec {k}}$ лежит в плоскости чертежа. Пусть ось $x$ направлена горизонтально, ось $y$ — вертикально. Из соображений симметрии следует, что ${\vec {k}}$ , ${\vec {k'}}$ и ${\vec {k''}}$ должны лежать в одной плоскости.

Неполяризованный свет можно представить как сумму двух световых плоскополяризованных потоков со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. Выделим из падающего пучка одну из плоскополяризованных составляющих, у которой угол между ${\vec {E}}$ и плоскостью произволен. Тогда, если выбрать начальную фазу светового колебания равной нулю, то:

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 't-k'_{x}x-k'_{y}y+\alpha '};

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

Результирующее поле в первой и второй среде равны соответственно

E_{1}=E+E'=E_{m}e^{\omega t-k_{x}x-k_{y}y}+E'_{m}e^{\omega 't-k'_{x}x-k'_{y}y+\alpha '};

E_{2}=E''=E''_{m}e^{\omega ''t-k''_{x}x-k''_{y}y+\alpha ''}.

Очевидно, что тангенциальные составляющие $E_{1}$ и $E_{2}$ должны быть равны на границе раздела, то есть, при $y=0.$

Тогда:

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 ''}.

Для того, чтобы последнее уравнение выполнялось для всех $t,$ необходимо, чтобы $\omega =\omega '=\omega '',$ а для того, чтобы оно выполнялось при всех $x,$ необходимо, чтобы:

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 ''},

где

v_{1}

и

v_{2}

— скорости волн в первой и второй среде соответственно.

Отсюда следует, что $\alpha =\alpha '\blacksquare .$

Сдвиг Фёдорова

Сдвиг Фёдорова — явление малого (меньше длины волны) бокового смещения луча света с круговой или эллиптической поляризацией при полном внутреннем отражении. В результате смещения отражённый луч не лежит в одной плоскости с падающим лучом, как это декларирует закон отражения света геометрической оптики.

Явление теоретически предсказано Ф. И. Фёдоровым в 1954 году, позже было обнаружено экспериментально.

Механизм отражения

В классической электродинамике, свет рассматривается как электромагнитная волна, которая описывается уравнениями Максвелла.

При падении электромагнитной волны (например, свет) на поверхность диэлектрика: возбуждаются малые колебания электронов в отдельных атомах и молекулах, в результате чего каждая частица излучает вторичные волны во всех направлениях (как антенна-диполь). Все эти волны складываются и — в соответствии с принципом Гюйгенса — Френеля и поэтому дают зеркальное отражение и преломление^{[прояснить]}^{[источник не указан 3024 дня]}.
При попадании электромагнитной волны (света) на поверхность проводника: возникают колебания электронов (электрический ток), электромагнитное поле которого стремится компенсировать это воздействие, что приводит к практически полному отражению электромагнитной волны для частот видимого света и более низких частот.

В зависимости от резонансных частот разных осцилляторов в микроскопической структуре вещества коэффициент отражения зависит от частоты света, поэтому почти все предметы при освещении их белым светом приобретают цвет. Но воспринимаемый цвет объекта определяется не только спектром отражения, но и физиологическими особенностиями зрения (см. Цветовое зрение).

Виды отражения

Угол падения (

\theta _{i}

) равен углу отражения (

\theta _{r}

)

Отражение света может быть зеркальным (то есть таким, как наблюдается при использовании зеркал) или гладких поверхностей или диффузным. При диффузном отражении углы отражения имеют самые разные значения и тогда падающий луч и отражённые лучи не лежат в одной плоскости.

Зеркальное отражение

Для зеркального отражения выполняется:

1) отражённый луч лежит в плоскости падения, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, восстановленную в точке падения;

2) угол отражения равен углу падения.

Интенсивность отражённого света (характеризуемая коэффициентом отражения) зависит от угла падения и поляризации падающего пучка лучей (см. Поляризация света), а также от соотношения показателей преломления n₂ и n₁ 2-й и 1-й сред. Количественно эту зависимость (для отражающей среды — диэлектрика) выражают формулы Френеля. Из них, в частности, следует, что при падении света по нормали к поверхности раздела сред коэффициент отражения не зависит от поляризации падающего пучка и равен:

{\frac {(n_{2}-n_{1})^{2}}{(n_{2}+n_{1})^{2}}}.

В важном частном случае нормального падения из воздуха или стекла на границу их раздела (показатель преломления воздуха ≈1,0; стекла ≈1,5) он составляет 4 %.

Полное внутреннее отражение

Наблюдается для электромагнитных или звуковых волн на границе раздела двух сред, когда волна падает из среды с меньшей фазовой скоростью распространения, в случае света это среда с бо́льшим показателем преломления).

С увеличением угла падения угол преломления также возрастает, при этом интенсивность отражённого луча растёт, а преломлённого — падает, их сумма равна интенсивности падающего луча. При некотором критическом значении $i=i_{k}$ интенсивность преломлённого луча становится равной нулю и наблюдается полное отражение света. Значение критического угла падения можно найти, положив в законе преломления угол преломления равным 90°:

\sin {i_{k}}=n_{2}/n_{1}.

Диффузное отражение света

Диффузное отражение от неровной поверхности

При отражении света от шероховатой поверхности отражённые лучи расходятся в разные стороны (см. Закон Ламберта). Поэтому нет зеркального изображения. Диффузно отражают поверхности с хаотическими неровностями с размеров свыше длины волны. Таким образом, одна и та же поверхность может быть матовой и диффузно-отражающей для видимого или ультрафиолетового излучения, но гладкой и зеркально отражающей для более длинноволнового излучения например, инфракрасного излучения.

Примечания

↑ Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики: Учеб. пособие В 3 т. Т. 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика / под ред. Г. С. Ландсберга. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. — С. 220—221. — 656 с. — ISBN 978-5-9221-0351-0.

Ссылки

[1] Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики: Учеб. пособие В 3 т. Т. 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика / под ред. Г. С. Ландсберга. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. — С. 220—221. — 656 с. — ISBN 978-5-9221-0351-0.

[1]