Reflexion (Physik)

Die Reflexion von Licht ist je nach Art der Schnittstelle entweder spiegelnd (spiegelförmig) oder diffus (Beibehaltung der Energie, aber Verlust des Bildes). Bei der Spiegelreflexion hängt die Phase der reflektierten Wellen von der Wahl des Koordinatenursprungs ab, aber die relative Phase zwischen s-und p-Polarisationen (TE und TM) wird durch die Eigenschaften der Medien und der Grenzfläche zwischen ihnen festgelegt.,

Ein Spiegel bietet das gebräuchlichste Modell für die spiegelnde Lichtreflexion und besteht typischerweise aus einer Glasscheibe mit einer metallischen Beschichtung, bei der die signifikante Reflexion auftritt. Die Reflexion wird in Metallen durch Unterdrückung der Wellenausbreitung über ihre Hautiefen hinaus verstärkt. Die Reflexion erfolgt auch an der Oberfläche transparenter Medien wie Wasser oder Glas.

Im Diagramm trifft ein Lichtstrahl PO auf einen vertikalen Spiegel am Punkt O und der reflektierte Strahl ist OQ., Indem wir eine imaginäre Linie durch den Punkt O senkrecht zum Spiegel projizieren, die als Normal bezeichnet wird, können wir den Einfallswinkel θi und den Reflexionswinkel θr messen. Das Gesetz der Reflexion besagt, dass θi = θr oder mit anderen Worten, der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel ist.

Tatsächlich kann die Reflexion von Licht auftreten, wenn Licht von einem Medium mit einem bestimmten Brechungsindex in ein Medium mit einem anderen Brechungsindex wandert. Im allgemeinsten Fall wird ein bestimmter Teil des Lichts von der Grenzfläche reflektiert und der Rest wird gebrochen., Das Lösen von Maxwells Gleichungen für einen Lichtstrahl, der auf eine Grenze trifft, ermöglicht die Ableitung der Fresnel-Gleichungen, die verwendet werden können, um vorherzusagen, wie viel von dem Licht reflektiert wird und wie viel in einer bestimmten Situation gebrochen wird. Dies ist analog zu der Art und Weise Impedanz Nichtübereinstimmung in einem Stromkreis verursacht Reflexion von Signalen. Die gesamte innere Reflexion von Licht aus einem dichteren Medium tritt auf, wenn der Einfallswinkel größer als der kritische Winkel ist.

Die gesamte interne Reflexion wird als Mittel zur Fokussierung von Wellen verwendet, die nicht effektiv mit herkömmlichen Mitteln reflektiert werden können., Röntgenteleskope werden durch die Schaffung eines konvergierenden „Tunnels“ für die Wellen konstruiert. Wenn die Wellen in einem niedrigen Winkel mit der Oberfläche dieses Tunnels interagieren, werden sie zum Fokuspunkt reflektiert (oder zu einer anderen Interaktion mit der Tunneloberfläche, die schließlich auf den Detektor im Fokus gerichtet ist). Ein herkömmlicher Reflektor wäre nutzlos, da die Röntgenstrahlen einfach durch den vorgesehenen Reflektor hindurchgehen würden.

Wenn Licht von einem Material mit einem höheren Brechungsindex reflektiert wird als das Medium, in dem es sich bewegt, erfährt es eine 180° – Phasenverschiebung., Im Gegensatz dazu, wenn Licht von einem Material mit niedrigerem Brechungsindex reflektiert wird, befindet sich das reflektierte Licht in Phase mit dem einfallenden Licht. Dies ist ein wichtiges Prinzip im Bereich der Dünnschichtoptik.

Spiegelreflexion bildet Bilder. Die Reflexion von einer ebenen Fläche bildet ein Spiegelbild, das von links nach rechts umgekehrt zu sein scheint, weil wir das Bild, das wir sehen, mit dem vergleichen, was wir sehen würden, wenn wir in die Position des Bildes gedreht würden. Spiegelreflexion an einer gekrümmten Oberfläche bildet ein Bild, das vergrößert oder entmagnetisiert werden kann; gekrümmte Spiegel haben optische Leistung., Solche Spiegel können Oberflächen haben, die kugelförmig oder parabolisch sind.

Gesetze der Reflexion

Wenn die reflektierende Oberfläche sehr glatt ist, wird die auftretende Lichtreflexion als Spiegelreflexion oder regelmäßige Reflexion bezeichnet., Die Gesetze der Reflexion sind wie folgt:

1. Der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und die normale zur Reflexionsfläche am Einfallspunkt liegen in derselben Ebene.
2. Der Winkel, den der einfallende Strahl mit der Normalen macht, ist gleich dem Winkel, den der reflektierte Strahl mit der gleichen Normalen macht.
3. Der reflektierte Strahl und der einfallende Strahl befinden sich auf den gegenüberliegenden Seiten der Norm.

Diese drei Gesetze können alle aus den Fresnel-Gleichungen abgeleitet werden.,

Mechanismus

In der klassischen Elektrodynamik wird Licht als elektromagnetische Welle betrachtet, die durch Maxwells Gleichungen beschrieben wird., Auf ein Material einfallende Lichtwellen induzieren kleine Polarisationsschwingungen in den einzelnen Atomen (oder Schwingungen von Elektronen in Metallen), wodurch jedes Teilchen wie eine Dipolantenne eine kleine Sekundärwelle in alle Richtungen ausstrahlt. Alle diese Wellen summieren sich zu Spiegelreflexion und Brechung nach dem Huygens–Fresnel-Prinzip.

Bei Dielektrika wie Glas wirkt das elektrische Feld des Lichts auf die Elektronen im Material, und die sich bewegenden Elektronen erzeugen Felder und werden zu neuen Strahlern., Das gebrochene Licht im Glas ist die Kombination der Vorwärtsstrahlung der Elektronen und des einfallenden Lichts. Das reflektierte Licht ist die Kombination der Rückwärtsstrahlung aller Elektronen.

In Metallen werden Elektronen ohne Bindungsenergie als freie Elektronen bezeichnet. Wenn diese Elektronen mit dem einfallenden Licht oszillieren, beträgt die Phasendifferenz zwischen ihrem Strahlungsfeld und dem einfallenden Feld π (180°), so dass die Vorwärtsstrahlung das einfallende Licht aufhebt und die Rückwärtsstrahlung nur das reflektierte Licht ist.,

Die Wechselwirkung von Licht und Materie in Bezug auf Photonen ist ein Thema der Quantenelektrodynamik und wird von Richard Feynman in seinem populären Buch QED: The Strange Theory of Light and Matter ausführlich beschrieben.,

Diffuse Reflexion

Wenn Licht auf die Oberfläche eines (nichtmetallischen) Materials trifft, springt es aufgrund mehrerer Reflexionen durch die mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten im Inneren des Materials (z. B. die Korngrenzen eines polykristallines Material oder die Zell-oder Fasergrenzen eines organischen Materials) und durch seine Oberfläche, wenn es rau ist. Somit wird kein „Bild“ gebildet., Dies wird diffuse Reflexion genannt. Die genaue Form der Reflexion hängt von der Struktur des Materials ab. Ein gängiges Modell für diffuse Reflexion ist die Lambertische Reflexion, bei der das Licht mit gleicher Luminanz (in der Photometrie) oder Radianz (in der Radiometrie) in alle Richtungen reflektiert wird, wie durch Lamberts Kosinusgesetz definiert.

Das Licht, das die meisten Objekte, die wir sehen, an unsere Augen senden, beruht auf diffuser Reflexion von ihrer Oberfläche, so dass dies unser primärer Mechanismus der physischen Beobachtung ist.,

Retroreflektion

Einige Oberflächen weisen Retroreflektion auf. Die Struktur dieser Oberflächen ist so, dass Licht in die Richtung zurückgegeben wird, aus der es kam.

Wenn Sie über Wolken fliegen, die durch Sonnenlicht beleuchtet werden, erscheint der Bereich um den Schatten des Flugzeugs heller, und ein ähnlicher Effekt kann durch Tau auf Gras gesehen werden., Diese partielle Rückreflexion wird durch die Brechungseigenschaften der Oberfläche des gekrümmten Tröpfchens und die reflektierenden Eigenschaften an der Rückseite des Tröpfchens erzeugt.

Einige Netzhaut der Tiere wirken als Retroreflektoren (siehe Tapetum lucidum für mehr Details), da dies effektiv die Nachtsicht der Tiere verbessert. Da die Linsen ihrer Augen die Pfade des ein-und ausgehenden Lichts wechselseitig verändern, wirken die Augen als starker Retroreflektor, der manchmal nachts gesehen wird, wenn man mit einer Taschenlampe durch Wildnis geht.,

Ein einfacher Retroreflektor kann hergestellt werden, indem drei gewöhnliche Spiegel senkrecht zueinander platziert werden (ein Eckreflektor). Das erzeugte Bild ist das Gegenteil von einem, das von einem einzelnen Spiegel erzeugt wird. Eine Oberfläche kann teilweise retroreflektierend gemacht werden, indem eine Schicht winziger brechender Kugeln darauf abgelegt wird oder indem kleine pyramidenartige Strukturen erzeugt werden. In beiden Fällen bewirkt die interne Reflexion, dass das Licht wieder dorthin reflektiert wird, wo es entstanden ist. Dies wird verwendet, um Verkehrszeichen und Kfz-Kennzeichen Licht meist zurück in die Richtung, aus der es kam reflektieren zu machen., Bei dieser Anwendung ist eine perfekte Retroreflektion nicht erwünscht, da das Licht dann eher in die Scheinwerfer eines entgegenkommenden Autos als in die Augen des Fahrers gerichtet wird.

Mehrfachreflexionen

Wenn Licht von einem Spiegel reflektiert wird, erscheint ein Bild. Zwei Spiegel, die genau von Angesicht zu Angesicht platziert sind, geben den Anschein einer unendlichen Anzahl von Bildern entlang einer geraden Linie., Die mehrfachen Bilder, die zwischen zwei Spiegeln gesehen werden,die in einem Winkel zueinander sitzen, liegen über einem Kreis. Der Mittelpunkt dieses Kreises befindet sich am imaginären Schnittpunkt der Spiegel. Ein Quadrat aus vier Spiegeln, die von Angesicht zu Angesicht angeordnet sind, gibt den Anschein einer unendlichen Anzahl von Bildern, die in einer Ebene angeordnet sind. Die mehrfachen Bilder, die zwischen vier Spiegeln gesehen werden, die eine Pyramide zusammensetzen, in der jedes Paar Spiegel einen Winkel zueinander sitzt, liegen über einer Kugel. Wenn die Basis der Pyramide rechteckig ist, verteilen sich die Bilder über einen Abschnitt eines Torus.,

Beachten Sie, dass dies theoretische Ideale sind, die eine perfekte Ausrichtung perfekt glatter, perfekt flacher perfekter Reflektoren erfordern, die kein Licht absorbieren. In der Praxis können diese Situationen nur angegangen, aber nicht erreicht werden, da sich die Auswirkungen von Oberflächenunreinheiten in den Reflektoren ausbreiten und vergrößern, die Absorption das Bild allmählich löscht und jede Beobachtungsausrüstung (biologisch oder technologisch) stört.,

Komplexe konjugierte Reflexion

Bei diesem Prozess (der auch als Phasenkonjugation bezeichnet wird) springt das Licht aufgrund eines nichtlinearen optischen Prozesses genau in die Richtung zurück, aus der es gekommen ist. Nicht nur die Richtung des Lichts wird umgekehrt, sondern auch die tatsächlichen Wellenfronten werden umgekehrt. Ein konjugierter Reflektor kann verwendet werden, um Aberrationen von einem Strahl zu entfernen, indem er reflektiert und dann die Reflexion ein zweites Mal durch die Aberrationsoptik geleitet wird., Wenn man in einen komplexen konjugierenden Spiegel schauen würde, wäre er schwarz, weil nur die Photonen, die die Pupille verlassen, die Pupille erreichen würden.