Reflexión (física)

La reflexión es un proceso físico de interacción de ondas o partículas con una superficie, un cambio en la dirección de un frente de onda en el límite de dos medios con diferentes propiedades, en el que el frente de onda regresa al medio de donde provino. Simultáneamente con la reflexión de las ondas en la interfaz entre los medios, por regla general, se produce la refracción de las ondas (a excepción de los casos de reflexión interna total ).

En acústica , la reflexión es la causa del eco y se utiliza en el sonar . En geología , juega un papel importante en el estudio de las ondas sísmicas . La reflexión se observa en las ondas superficiales en los cuerpos de agua. El reflejo se observa con muchos tipos de ondas electromagnéticas , no solo para la luz visible: el reflejo de las ondas de radio VHF y de mayor frecuencia es esencial para las transmisiones de radio y el radar . Incluso los rayos X duros y los rayos gamma pueden reflejarse en ángulos pequeños en la superficie mediante espejos especialmente fabricados . En medicina, el reflejo del ultrasonido en las interfaces entre tejidos y órganos se utiliza en el diagnóstico por ultrasonido .

Historia

Por primera vez, la ley de la reflexión se menciona en la Catóptrica de Euclides , que data de alrededor del 300 a. mi.

Leyes de la reflexión. Fórmulas de Fresnel

La ley de la reflexión de la luz: establece un cambio en la dirección del haz de luz como resultado de un encuentro con una superficie reflectante (especular): los rayos incidente y reflejado se encuentran en el mismo plano con la normal a la superficie reflectante en el punto de incidencia, y esta normal divide el ángulo entre los rayos en dos partes iguales. La formulación ampliamente utilizada pero menos precisa "ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia" no indica la dirección exacta de reflexión del haz. Sin embargo, se ve así:

Esta ley es consecuencia de la aplicación del principio de Fermat a una superficie reflectante y, como todas las leyes de la óptica geométrica, se deriva de la óptica ondulatoria . La ley es válida no solo para superficies que reflejan perfectamente, sino también para el límite de dos medios, que reflejan parcialmente la luz. En este caso, además de la ley de refracción de la luz , no dice nada sobre la intensidad de la luz reflejada.

Derivación de la ley

Déjalo reposar en el plano del dibujo. Deje que el eje se dirija horizontalmente, el eje - verticalmente. De las consideraciones de simetría se sigue que , y deben estar en el mismo plano. $\vec{k}$ $X$ $y$ $\vec{k}$ $\vec{k'}$ $\vec{k''}$

Destaquemos una componente polarizada en el plano del haz incidente, en la que el ángulo entre y el plano es arbitrario. Entonces si elegimos la fase inicial igual a cero, entonces ${\ vec {E}}$

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

El campo resultante en el primer y segundo entorno son iguales respectivamente

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

Es obvio que las componentes tangenciales y deben ser iguales en la interfaz, es decir, en $E_1$ $E_2$ $y=0 .$

Después

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''}

Para que la última ecuación se cumpla para todas , es necesario que , y para que se cumpla para todas , es necesario que $yo,$ $\omega = \omega' = \omega''$ $X,$

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''},

dónde

v_{1}

y son las velocidades de onda en el primer y segundo medio, respectivamente.

v_{2}

De ahí se sigue que $\alfa = \alfa' \cuadrado negro$

El turno de Fedorov

El desplazamiento de Fedorov es el fenómeno de un pequeño desplazamiento lateral (menos de una longitud de onda) de un haz de luz con polarización circular o elíptica con reflexión interna total. Como resultado del desplazamiento, el haz reflejado no se encuentra en el mismo plano que el haz incidente, como declara la ley de reflexión de la luz en óptica geométrica.

El fenómeno fue predicho teóricamente por F. I. Fedorov en 1954 , luego descubierto experimentalmente.

Mecanismo de reflexión

En la electrodinámica clásica , la luz se ve como una onda electromagnética, que se describe mediante las ecuaciones de Maxwell .

Cuando una onda electromagnética (luz) golpea la superficie de un dieléctrico : se producen pequeñas fluctuaciones en la polarización dieléctrica en átomos individuales, como resultado de lo cual cada partícula irradia ondas secundarias en todas las direcciones (como un dipolo de antena ). Todas estas ondas se suman y, de acuerdo con el principio de Huygens-Fresnel , dan una reflexión y refracción especular.[ aclarar ] .
Cuando una onda electromagnética (luz) choca contra la superficie de un conductor : los electrones oscilan ( corriente eléctrica ), cuyo campo electromagnético tiende a compensar este efecto, lo que conduce a una reflexión casi total de la luz.

Dependiendo de la frecuencia de resonancia de los circuitos oscilatorios en la estructura molecular de una sustancia, se emite una onda de cierta frecuencia (un cierto color) por reflexión. Así es como los objetos adquieren color. Aunque el color de un objeto está determinado no solo por las propiedades de la luz reflejada (ver Visión del color y Fisiología de la percepción del color ).

Tipos de reflexión

La reflexión de la luz puede ser especular (es decir, como se observa cuando se utilizan espejos ) o difusa (en este caso, la reflexión no conserva la trayectoria de los rayos desde el objeto, sino solo la componente energética del flujo luminoso ) dependiendo de la naturaleza de la superficie.

Reflejo de espejo

La reflexión especular de la luz se distingue por una cierta relación entre las posiciones de los rayos incidente y reflejado: 1) el rayo reflejado se encuentra en un plano que pasa por el rayo incidente y la normal a la superficie reflectante, restaurada en el punto de incidencia; 2) el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia. La intensidad de la luz reflejada (caracterizada por el coeficiente de reflexión ) depende del ángulo de incidencia y polarización del haz de rayos incidente (ver Polarización de la luz ), así como de la relación de los índices de refracción n 2 y n 1 de los 2do y 1er medio. Cuantitativamente, esta dependencia (para un medio reflectante - un dieléctrico) se expresa mediante las fórmulas de Fresnel . De ellos, en particular, se sigue que cuando la luz incide a lo largo de la normal a la superficie, el coeficiente de reflexión no depende de la polarización del haz incidente y es igual a

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

En un caso especial importante de incidencia normal del aire o el vidrio a su interfaz (índice de refracción del aire = 1,0; vidrio = 1,5), es del 4%.

Reflexión interna total

Se observa para ondas electromagnéticas o sonoras en la interfase entre dos medios, cuando la onda cae de un medio con menor velocidad de propagación (en el caso de los rayos de luz, esto corresponde a un mayor índice de refracción ).

Al aumentar el ángulo de incidencia , también aumenta el ángulo de refracción, mientras que aumenta la intensidad del haz reflejado y disminuye la del refractado (su suma es igual a la intensidad del haz incidente). En un cierto valor crítico , la intensidad del haz refractado se vuelve cero y se produce la reflexión total de la luz. El valor del ángulo crítico de incidencia se puede encontrar igualando el ángulo de refracción a 90° en la ley de refracción : $i$ $yo = yo_k$

\sin{i_k} = n_2/n_1

Reflexión difusa de la luz

Cuando la luz se refleja en una superficie irregular, los rayos reflejados divergen en diferentes direcciones (ver la ley de Lambert ). Por esta razón, no puede ver su reflejo cuando mira una superficie rugosa (mate). La reflexión difusa se vuelve cuando la superficie es irregular en el orden de una longitud de onda o más. Así, la misma superficie puede ser mate, difusamente reflectante para la radiación visible o ultravioleta , pero lisa y especularmente reflectante para la radiación infrarroja .