Heijastus (fysiikka)

Heijastus on aaltojen tai hiukkasten fyysinen vuorovaikutusprosessi pinnan kanssa, aaltorintaman suunnan muutos kahden ominaisuuksiltaan erilaisen väliaineen rajalla, jossa aaltorintama palaa väliaineeseen, josta se tuli. Samanaikaisesti aaltojen heijastuksen kanssa välineiden välisellä rajapinnalla tapahtuu pääsääntöisesti aaltojen taittuminen (poikkeuksena tapaukset, joissa on sisäinen kokonaisheijastus ).

Akustiikassa heijastus on kaiun syy ja sitä käytetään kaikuluotaimessa . Geologiassa sillä on tärkeä rooli seismisten aaltojen tutkimuksessa . Heijastumista havaitaan vesistöjen pinta-aaltoissa . Heijastumista havaitaan monentyyppisillä sähkömagneettisilla aalloilla , ei vain näkyvässä valossa: VHF- ja korkeataajuisten radioaaltojen heijastus on välttämätöntä radiolähetyksissä ja tutkassa . Jopa kovat röntgen- ja gamma-säteet voivat heijastua pienissä kulmissa pintaan erityisesti valmistettujen peilien avulla . Lääketieteessä ultraäänen heijastusta kudosten ja elinten välisissä rajapinnoissa käytetään ultraäänidiagnostiikassa .

Historia

Ensimmäistä kertaa heijastuslaki mainitaan Eukleideen katoptriikassa , joka on peräisin noin vuodelta 300 eaa. e.

Heijastuksen lait. Fresnel-kaavat

Valon heijastuksen laki - määrittää valonsäteen suunnan muutoksen heijastavan (peilaavan) pinnan kohtaamisen seurauksena: tuleva ja heijastuva säteet ovat samassa tasossa heijastavan pinnan normaalin kanssa pisteessä ja tämä normaali jakaa säteiden välisen kulman kahteen yhtä suureen osaan. Laajalti käytetty mutta vähemmän tarkka muotoilu "heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokulma" ei osoita säteen tarkkaa heijastussuuntaa. Se näyttää kuitenkin tältä:

Tämä laki on seurausta Fermatin periaatteen soveltamisesta heijastavaan pintaan ja, kuten kaikki geometrisen optiikan lait, on johdettu aaltooptiikasta . Laki ei päde vain täydellisesti heijastaville pinnoille, vaan myös kahden, osittain valoa heijastavan väliaineen rajalle. Tässä tapauksessa, samoin kuin valon taittumislaki , se ei kerro mitään heijastuneen valon intensiteetistä .

Lain johtaminen

Anna sen olla piirustuksen tasossa. Olkoon akseli suunnattu vaakasuoraan, akseli - pystysuoraan. Symmetrianäkökohdista seuraa, että , ja on oltava samassa tasossa. $\vec{k}$ $x$ $y$ $\vec{k}$ $\vec{k'}$ $\vec{k''}$

Erotetaan tulevasta säteestä tasopolarisoitu komponentti, jossa kulma ja tason välinen kulma on mielivaltainen. Sitten jos valitsemme alkuvaiheen yhtä suureksi kuin nolla, niin ${\vec {E}}$

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

Tuloksena oleva kenttä ensimmäisessä ja toisessa ympäristössä on vastaavasti sama

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

On selvää, että tangentiaalikomponenttien ja on oltava samat rajapinnassa, eli at $E_1$ $E_2$ $y=0.$

Sitten

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''}

Jotta viimeinen yhtälö pätee kaikkiin , on välttämätöntä , että ja jotta se pätee kaikkiin , on välttämätöntä , että $t,$ $\omega = \omega' = \omega''$ $x,$

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''},

missä

v_{1}

ja ovat aallonnopeudet ensimmäisessä ja toisessa väliaineessa, vastaavasti.

v_{2}

Tästä seuraa siis $\alpha = \alpha' \musta neliö$

Fedorovin vuoro

Fedorov-siirtymä on ilmiö valonsäteen pienestä (alle aallonpituudesta) sivuttaissiirtymästä, jossa on pyöreä tai elliptinen polarisaatio ja täydellinen sisäinen heijastus. Siirtymän seurauksena heijastuva säde ei ole samassa tasossa tulevan säteen kanssa, kuten geometrisen optiikan valon heijastuslaki ilmoittaa.

F. I. Fedorov ennusti ilmiön teoreettisesti vuonna 1954 , ja se löydettiin myöhemmin kokeellisesti.

Heijastusmekanismi

Klassisessa sähködynamiikassa valoa pidetään sähkömagneettisena aaltona, jota kuvataan Maxwellin yhtälöillä .

Kun sähkömagneettinen aalto (valo) osuu eristeen pintaan : yksittäisissä atomeissa esiintyy pieniä vaihteluja dielektrisessä polarisaatiossa, minkä seurauksena jokainen hiukkanen säteilee toisioaaltoja kaikkiin suuntiin (kuten antennidipoli ) . Kaikki nämä aallot summautuvat ja - Huygens-Fresnel-periaatteen mukaisesti - antavat peiliheijastuksen ja taittumisen[ tyhjentää ] .
Kun sähkömagneettinen aalto (valo) osuu johtimen pintaan : elektronit värähtelevät ( sähkövirta ), jonka sähkömagneettinen kenttä pyrkii kompensoimaan tätä vaikutusta, mikä johtaa lähes täydelliseen valon heijastumiseen.

Riippuen aineen molekyylirakenteessa olevien värähtelypiirien resonanssitaajuudesta, heijastuessaan säteilee tietyn taajuuden (tietyn värin) aalto. Näin esineet saavat väriä. Vaikka kohteen väriä ei määritä vain heijastuneen valon ominaisuudet (katso Värinäkö ja värin havaitsemisen fysiologia ).

Heijastuksen tyypit

Valon heijastus voi olla peilikuvaa (eli peilejä käytettäessä havaittu ) tai diffuusia (tässä tapauksessa heijastus ei säilytä säteiden reittiä kohteesta, vaan vain valovirran energiakomponentin ) riippuen pinnan luonne.

Peiliheijastus

Valon peiliheijastukselle on ominaista tietty suhde tulevan ja heijastuneen säteen asennon välillä: 1) heijastunut säde sijaitsee tasossa, joka kulkee tulevan säteen ja heijastavan pinnan normaalin läpi, palautuen tulopisteeseen; 2) heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokulma. Heijastuneen valon intensiteetti (jolle on ominaista heijastuskerroin ) riippuu tulevan säteen tulokulmasta ja polarisaatiosta (katso Valon polarisaatio ) sekä valon taitekertoimien n 2 ja n 1 suhteesta . 2. ja 1. media. Kvantitatiivisesti tämä riippuvuus (heijastavalle väliaineelle - dielektrille) ilmaistaan Fresnel-kaavoilla . Erityisesti niistä seuraa, että kun valo osuu normaalia pitkin pintaan, heijastuskerroin ei riipu tulevan säteen polarisaatiosta ja on yhtä suuri kuin

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

Tärkeässä erikoistapauksessa normaalin ilmaan tai lasin rajapinnalle (ilman taitekerroin = 1,0; lasi = 1,5) se on 4 %.

Sisäinen kokonaisheijastus

Se havaitaan sähkömagneettisille tai ääniaalloille kahden väliaineen rajapinnassa, kun aalto putoaa väliaineesta, jonka etenemisnopeus on pienempi ( valosäteiden tapauksessa tämä vastaa korkeampaa taitekerrointa ).

Tulokulman kasvaessa myös taitekulma kasvaa, kun taas heijastuneen säteen intensiteetti kasvaa ja taittuneen pienenee (niiden summa on yhtä suuri kuin tulevan säteen intensiteetti). Tietyllä kriittisellä arvolla taittuneen säteen intensiteetti on nolla ja valon kokonaisheijastus tapahtuu. Kriittisen tulokulman arvo saadaan asettamalla taitekulmaksi 90° taittumislaissa : $i$ $i = i_k$

\sin{i_k} = n_2/n_1

Valon hajaheijastus

Kun valo heijastuu epätasaisesta pinnasta, heijastuneet säteet hajaantuvat eri suuntiin (katso Lambertin laki ). Tästä syystä et voi nähdä heijastustasi, kun katsot karkeaa (matta) pintaa. Diffuusi heijastus tulee, kun pinta on aallonpituuden luokkaa tai enemmän epätasainen. Näin ollen sama pinta voi olla matta, diffuusisti heijastava näkyvälle tai ultraviolettisäteilylle , mutta sileä ja peilimäisesti heijastava infrapunasäteilylle .