Spesiell refleksjon - Specular reflection

Koplanar tilstand av speilrefleksjon, der .

{\ displaystyle \ theta _ {i} = \ theta _ {r}}

Refleksjoner på stille vann er et eksempel på spekulær refleksjon.

Speilende refleksjon , eller regelmessig refleksjon , er det speil -lignende refleksjon av bølger , for eksempel lys , fra en overflate.

Den lov av refleksjons sier at en reflektert stråle av lys som kommer ut fra den reflekterende overflaten i samme vinkel i forhold til overflatenormalen som den innfallende stråle, men på den motstående side av overflatenormalen i det plan som dannes av den innfallende og reflekterte stråler. Denne oppførselen ble først beskrevet av Hero of Alexandria ( ca. 10–70 e.Kr. ).

Speilrefleksjon kan stå i kontrast med diffus refleksjon , der lys spres bort fra overflaten i en rekke retninger.

Lov om refleksjon

Spesiell refleksjon fra en våt metallkule

Diffus refleksjon fra en marmorkule

Når lys møter en grense for et materiale, påvirkes det av materialets optiske og elektroniske responsfunksjoner på elektromagnetiske bølger. Optiske prosesser, som omfatter refleksjon og brytning , uttrykkes ved forskjellen i brytningsindeksen på begge sider av grensen, mens refleksjon og absorpsjon er de virkelige og imaginære delene av responsen på grunn av materialets elektroniske struktur . Graden av deltakelse av hver av disse prosessene i overføringen er en funksjon av lysets frekvens, eller bølgelengde, polarisering og forekomstvinkel. Generelt øker refleksjonen med økende forekomstvinkel, og med økende absorpsjonsevne ved grensen. De Fresnel ligninger beskriver fysikken på den optiske grensen.

Refleksjon kan forekomme som spekulær eller speilaktig, refleksjon og diffus refleksjon . Speilrefleksjon reflekterer alt lys som kommer fra en gitt retning i samme vinkel, mens diffus refleksjon reflekterer lys i et bredt spekter av retninger. Skillet kan illustreres med overflater belagt med blank maling og matt maling. Matt maling viser i hovedsak fullstendig diffus refleksjon, mens blanke maling viser en større komponent i spekulær oppførsel. En overflate bygget av et ikke-absorberende pulver, som gips, kan være en nesten perfekt diffusor, mens polerte metalliske gjenstander kan reflektere lys veldig effektivt. Speilets reflekterende materiale er vanligvis aluminium eller sølv.

Lys forplanter seg i verdensrommet som en bølgefront av elektromagnetiske felt. En lysstråle er preget av retningen normal til bølgefronten ( bølge normal ). Når en stråle møter en overflate, kalles vinkelen som bølgen normaliserer med hensyn til overflatenormalen for innfallsvinkelen, og planet definert av begge retninger er forekomstplanet . Refleksjon av hendelsesstrålen forekommer også i forekomstplanet.

Den lov av refleksjon fastslår at refleksjonsvinkelen for en stråle som er lik innfallsvinkelen, og at den innfallende retning, overflatenormalen, og den reflekterte retning er i samme plan .

Når lyset treffer vinkelrett på overflaten, reflekteres det rett tilbake i kilderetningen.

Refleksjonsfenomenet oppstår fra diffraksjonen av en plan bølge på en flat grense. Når grensestørrelsen er mye større enn bølgelengden , svinger de elektromagnetiske feltene ved grensen nøyaktig i fase bare for den spekulære retningen.

Vektorformulering

Loven om refleksjon kan også uttrykkes ekvivalent ved hjelp av lineær algebra . Retningen til en reflektert stråle bestemmes av forekomstvektoren og overflatens normale vektor. Gitt en hendelsesretning fra overflaten til lyskilden og overflatens normale retning, er den speilreflekterte retningen (alle enhetsvektorer ): ${\ displaystyle \ mathbf {\ hat {d}} _ {\ mathrm {i}}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {\ hat {d}} _ {\ mathrm {n}},}$ ${\ displaystyle \ mathbf {\ hat {d}} _ {\ mathrm {s}}}$

{\ displaystyle \ mathbf {\ hat {d}} _ {\ mathrm {s}} = 2 \ venstre (\ mathbf {\ hat {d}} _ {\ mathrm {n}} \ cdot \ mathbf {\ hat { d}} _ {\ mathrm {i}} \ right) \ mathbf {\ hat {d}} _ {\ mathrm {n}}-\ mathbf {\ hat {d}} _ {\ mathrm {i}}, }

hvor oppnås en skalar med prikkproduktet . Ulike forfattere kan definere hendelses- og refleksjonsretninger med forskjellige tegn . Forutsatt at disse euklidiske vektorene er representert i kolonneform , kan ligningen uttrykkes ekvivalent som en matrise-vektormultiplikasjon: ${\ displaystyle \ mathbf {\ hat {d}} _ {\ mathrm {n}} \ cdot \ mathbf {\ hat {d}} _ {\ mathrm {i}}}$

{\ displaystyle \ mathbf {\ hat {d}} _ {\ mathrm {s}} = \ mathbf {R} \; \ mathbf {\ hat {d}} _ {\ mathrm {i}},}

hvor er den såkalte Householder transformasjonsmatrisen , definert som: ${\ displaystyle \ mathbf {R}}$

{\ displaystyle \ mathbf {R} = \ mathbf {I} -2 \ mathbf {\ hat {d}} _ {\ mathrm {n}} \ mathbf {\ hat {d}} _ {\ mathrm {n}} ^{\ mathrm {T}};}

når det gjelder identitetsmatrisen og det dobbelte av det ytre produktet av . ${\ displaystyle \ mathbf {I}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {\ hat {d}} _ {\ mathrm {n}}}$

Reflektivitet

Reflektivitet er forholdet mellom kraften til den reflekterte bølgen og den til hendelsen. Det er en funksjon av bølgelengden til stråling, og er relatert til brytningsindeksen til materialet uttrykt ved Fresnels ligninger . I områder av det elektromagnetiske spekteret der absorpsjon av materialet er signifikant, er det relatert til det elektroniske absorpsjonsspekteret gjennom den imaginære komponenten i den komplekse brytningsindeksen. Det elektroniske absorpsjonsspekteret til et ugjennomsiktig materiale, som er vanskelig eller umulig å måle direkte, kan derfor indirekte bestemmes fra refleksjonsspekteret av en Kramers-Kronig-transform . Polarisasjonen av det reflekterte lyset avhenger av symmetrien til arrangementet av det innfallende sonderingslyset med hensyn til de absorberende overgangene dipolmomentene i materialet.

Måling av speilrefleksjon utføres med normale eller varierende forekomstrefleksjonsspektrofotometre ( reflektometer ) ved bruk av en skannende variabel bølgelengde lyskilde. Lavere kvalitet målinger ved hjelp av en glansmåler kvantifisere det blanke utseende av en overflate i glansenheter .

Konsekvenser

Intern refleksjon

Når lys forplanter seg i et materiale og rammer et grensesnitt med et materiale med lavere brytningsindeks , reflekteres noe av lyset. Hvis forekomstvinkelen er større enn den kritiske vinkelen , skjer total intern refleksjon : alt lyset reflekteres. Den kritiske vinkelen kan vises som gitt av

{\ displaystyle \ theta _ {\ text {crit}} = \ arcsin \! \ venstre ({\ frac {n_ {2}} {n_ {1}}} \ høyre) \ !.}

Polarisering

Når lys rammer et grensesnitt mellom to materialer, blir det reflekterte lyset vanligvis delvis polarisert . Men hvis lyset rammer grensesnittet i Brewsters vinkel , er det reflekterte lyset fullstendig lineært polarisert parallelt med grensesnittet. Brewsters vinkel er gitt av

{\ displaystyle \ theta _ {\ mathrm {B}} = \ arctan \! \ venstre ({\ frac {n_ {2}} {n_ {1}}} \ høyre) \ !.}

Reflekterte bilder

Bildet i et flatt speil har disse funksjonene:

Det er samme avstand bak speilet som objektet er foran.
Det er samme størrelse som objektet.
Det er den rette veien opp (oppreist).
Det er omvendt.
Det er virtuelt , noe som betyr at bildet ser ut til å ligge bak speilet og ikke kan projiseres på en skjerm.

Reversering av bilder av et plant speil oppfattes ulikt avhengig av omstendighetene. I mange tilfeller ser det ut til at bildet i et speil er reversert fra venstre til høyre. Hvis et flatt speil er montert i taket, kan det se ut til å snu opp og ned hvis en person står under det og ser opp på det. På samme måte ser det fortsatt ut til at en bil som svinger til venstre svinger til venstre i bakspeilet for føreren av en bil foran den. Omvendelsen av retninger, eller mangel på disse, avhenger av hvordan retningene defineres. Nærmere bestemt endrer et speil hendigheten til koordinatsystemet, en akse av koordinatsystemet ser ut til å være reversert, og chiraliteten til bildet kan endres. For eksempel vil bildet av en høyre sko se ut som en venstre sko.

Eksempler

Esplanade av Trocadero i Paris etter regn. Vannlaget viser speilende refleksjon, som gjenspeiler et bilde av Eiffeltårnet og andre gjenstander.

Et klassisk eksempel på speilrefleksjon er et speil , som er spesielt designet for speilrefleksjon.

I tillegg til synlig lys kan spekulær refleksjon observeres i ionosfærisk refleksjon av radiobølger og refleksjon av radio- eller mikrobølge radarsignaler fra flygende gjenstander. Måleteknikken for røntgenreflektivitet utnytter spekulær reflektivitet for å studere tynne filmer og grensesnitt med sub-nanometeroppløsning, ved bruk av enten moderne laboratoriekilder eller synkrotronrøntgen .

Ikke-elektromagnetiske bølger kan også vise speilrefleksjon, som i akustiske speil som reflekterer lyd, og atomspeil , som reflekterer nøytrale atomer . For effektiv refleksjon av atomer fra et solid-state speil, brukes veldig kalde atomer og/eller beiteinnfall for å gi betydelig kvanterefleksjon ; riflete speil brukes til å forsterke den spekulære refleksjonen av atomer. Nøytronreflektometri bruker speilrefleksjon for å studere materialoverflater og tynne filmgrensesnitt på en analog måte til røntgenreflektivitet.

Se også

Merknader

Referanser

Hecht, Eugene (1987). Optikk (2. utg.). Addison Wesley. ISBN 0-201-11609-X.

Languages

In other projects