Просмотр кода страницы Отражение (физика)

{{Значения|Отражение}}
[[Файл:Black-necked Stilt (Himantopus mexicanus), Corte Madera.jpg|280пкс|мини|два отражения: от перьев птицы и от воды]]

'''Отраже́ние''' — физический процесс взаимодействия [[Волна|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 [[Полное внутреннее отражение|полного внутреннего отражения]]).

В [[Акустика|акустике]] отражение является причиной [[Эхо|эха]] и используется в [[Гидролокатор|гидролокации]]. В [[Геология|геологии]] оно играет важную роль в изучении [[Сейсмические волны|сейсмических волн]]. Отражение наблюдается на [[Поперечная волна|поверхностных волнах]] в водоёмах. Отражение наблюдается со многими типами [[Электромагнитные волны|электромагнитных волн]], не только для видимого света: отражение [[УКВ]] и [[Радиоизлучение|радиоволн]] более высоких частот имеет важное значение для радиопередач и [[Радиолокация|радиолокации]]. Даже жёсткое [[рентгеновское излучение]] и [[гамма-лучи]] могут быть отражены на малых углах к поверхности [[Рентгеновское зеркало|специально изготовленными зеркалами]]. В медицине отражение [[ультразвук]]а на границах раздела тканей и органов используется при проведении [[Ультразвуковое исследование|УЗИ-диагностики]].

== История ==
Впервые закон отражения упоминается в [[катоптрика|«Катоптрике»]] [[Евклид]]а, датируемой примерно 300 годом до н. э.
{{Дополнить раздел|дата=2017-01-03}}

== Законы отражения. Формулы Френеля ==
{{main|Формулы Френеля}}
Закон отражения света — устанавливает изменение направления хода [[световой луч|светового луча]] в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с [[нормаль]]ю к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части<ref>{{Книга|автор=Ландсберг Г.С.|заглавие=Элементарный учебник физики: Учеб. пособие В 3 т. Т. 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика|ответственный=под ред. Г. С. Ландсберга|год=2009|место=М|издательство=ФИЗМАТЛИТ|страницы=220 - 221|страниц=656|isbn=978-5-9221-0351-0}}</ref>. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол отражения равен углу падения» не указывает точное направление отражения луча. Тем не менее, выглядит это следующим образом:

[[Файл:Angle.svg|250px]]

Этот закон является следствием применения [[принцип Ферма|принципа Ферма]] к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из [[волновая оптика|волновой оптики]]. Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет. В этом случае, равно как и [[закон преломления света]], он ничего не утверждает об [[Интенсивность (физика)|интенсивности]] отражённого света.

{{начало скрытого блока|Заголовок=Вывод закона |Рамка = |Фон_заголовка =}}

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

Выделим из падающего луча плоскополяризованную составляющую, у которой угол между <math>\vec{E}</math> и плоскостью произволен. Тогда если выбрать начальную фазу равной нулю, то
* <math>E = E_m e^{i(\omega t-\vec{k}\vec{r})} = E_m e^{\omega t - k_x x - k_y y} ; </math>
* <math>E' = E'_m e^{i(\omega' t-\vec{k'}\vec{r})} = E'_m e^{\omega' t - k'_x x - k'_y y + \alpha'} ; </math>
* <math>E'' = E''_m e^{i(\omega'' t-\vec{k''}\vec{r})} = E''_m e^{\omega'' t - k''_x x - k''_y y + \alpha''} . </math>

Результирующее поле в первой и второй среде равны соответственно

* <math>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'} ; </math>
* <math>E_2 = E'' = E''_m e^{\omega'' t - k''_x x - k''_y y + \alpha''} . </math>

Очевидно, что тангенциальные составляющие <math>E_1</math> и <math>E_2</math> должны быть равны на границе раздела то есть при <math>y=0 .</math>

Тогда

: <math>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''}</math>

Для того, чтобы последнее уравнение выполнялось для всех <math>t, </math> необходимо, чтобы <math>\omega = \omega' = \omega''</math>, а для того, чтобы оно выполнялось при всех <math>x, </math> необходимо, чтобы
: <math>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''}, </math>
:: где
::: <math>v_1</math> и <math>v_2</math> — скорости волн в первой и второй среде соответственно.

Отсюда следует, что <math>\alpha = \alpha' \blacksquare</math>

{{конец скрытого блока}}

<!-- Этот закон можно рассматривать как частный случай [[закон_преломления_света|закона преломления света]], для которого n'=-n. -->

=== 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 [[Фёдоров, Фёдор Иванович|Ф. И. Фёдоровым]] в [[1954 год]]у, позже обнаружено экспериментально.

== Механизм отражения ==
{{нет ссылок в разделе|дата=1 января 2017}}
В классической [[Электродинамика|электродинамике]], свет рассматривается как электромагнитная волна, которая описывается [[Уравнения Максвелла|уравнениями Максвелла]]. 
* При попадании электромагнитной волны (свет) на поверхность ''[[диэлектрик]]а'': возникают малые колебания диэлектрической поляризации в отдельных атомах, в результате чего каждая частица излучает вторичные волны во всех направлениях (как антенна-[[Диполь (электродинамика)|диполь]]). Все эти волны складываются и — в соответствии с [[Принцип Гюйгенса — Френеля|принципом Гюйгенса — Френеля]] — дают зеркальное отражение и преломление{{прояснить}}{{нет АИ|3|01|2017}}. 
* При попадании электромагнитной волны (свет) на поверхность ''[[Проводник (электричество)|проводника]]'': возникают ''колебания электронов'' ([[электрический ток]]), электромагнитное поле которого стремится компенсировать это воздействие, что приводит к практически полному отражению света.

В зависимости от резонансной частоты колебательных контуров в молекулярной структуре вещества при отражении излучается волна определённой частоты (определённого цвета). Так предметы приобретают цвет. Хотя цвет объекта определяется не только свойствами отражённого света (см. [[Зрительная система#Цветовое зрение|Цветовое зрение]] и [[Цвет#Физиология восприятия цвета|Физиология восприятия цвета]]).

== Виды отражения ==
[[Файл:Reflection_angles.svg|thumb|right|θ<sub>i</sub> = θ<sub>r</sub>.<br />Угол падения равен углу отражения]]
{{переработать раздел|дата=2010-03-15}}
Отражение света может быть ''зеркальным'' (то есть таким, как наблюдается при использовании [[зеркало|зеркал]]) или ''[[Диффузное отражение|диффузным]]'' (в этом случае при отражении не сохраняется путь лучей от объекта, а только [[Энергия|энергетическая составляющая светового потока]]) в зависимости от природы поверхности. <!--Whether the interfaces consists of dielectric-conductor or dielectric-dielectric, the [[phase (waves)|phase]] of the reflected wave may or may not be inverted.-->

=== Зеркальное отражение ===
Зеркальное отражение света отличает определённая связь положений падающего и отражённого лучей: 1) отражённый луч лежит в [[Плоскость падения|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 [[коэффициент отражения (оптика)|коэффициентом отражения]]) зависит от угла падения и поляризации падающего пучка лучей (см. [[Поляризация света]]), а также от соотношения [[Показатель преломления|показателей преломления]] n<sub>2</sub> и n<sub>1</sub> 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 коэффициент отражения не зависит от поляризации падающего пучка и равен

<math>\frac{(n_2 - n_1)^2}{(n_2 + n_1)^2}</math>

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 ===
{{main|Внутреннее отражение}}
Наблюдается для [[Электромагнитное излучение|электромагнитных]] или [[акустика|звуковых волн]] на границе раздела двух сред, когда волна падает из среды с меньшей скоростью распространения (в случае [[световой луч|световых лучей]] это соответствует бо́льшему [[Показатель преломления|показателю преломления]]).

С увеличением угла падения <math>i</math>, угол преломления также возрастает, при этом интенсивность отражённого луча растёт, а преломлённого — падает (их сумма равна интенсивности падающего луча). При некотором критическом значении <math>i = i_k</math> интенсивность преломлённого луча становится равной нулю и происходит полное отражение света. Значение критического угла падения можно найти, положив в [[Закон Снелла|законе преломления]] угол преломления равным 90°:
: <math>\sin{i_k} = n_2/n_1</math>

=== Диффузное отражение света ===
{{main|Диффузное отражение}}

При отражении света от неровной поверхности отражённые лучи расходятся в разные стороны (см. [[Закон Ламберта]]). По этой причине нельзя увидеть своё отражение, глядя на шероховатую (матовую) поверхность. Диффузным отражение становится при неровностях поверхности порядка длины волны и более. Таким образом, одна и та же поверхность может быть матовой, диффузно-отражающей для видимого или [[Ультрафиолетовое излучение|ультрафиолетового излучения]], но гладкой и зеркально-отражающей для [[Инфракрасное излучение|инфракрасного излучения]].
<!-- == Other types of reflection ==
=== Diffuse reflection ===
When light strikes a rough or granular surface, it bounces off in all directions due to the microscopic irregularities of the interface. Thus, an 'image' is not formed. This is called ''diffuse reflection''. The exact form of the reflection depends on the structure of the surface. One common model for diffuse reflection is [[Lambertian reflectance]], in which the light is reflected with equal [[luminance]] (in photometry) or [[radiance]] (in radiometry) in all directions, as defined by [[Lambert's cosine law]].
-->
<!--
{{main|Retroreflector}}
Some surfaces exhibit ''retroreflection''. The structure of these surfaces is such that light is returned in the direction from which it came. A simple retroreflector can be made by placing three ordinary mirrors mutually perpendicular to one another (a [[corner reflector]]). The image produced is the inverse of one produced by a single mirror.

A surface can be made partially retroreflective by depositing a layer of tiny refractive spheres on it or by creating small pyramid like structures (cube corner reflection). In both cases internal reflection causes the light to be reflected back to where it originated.
This is used to make traffic signs and automobile license plates reflect light mostly back in the direction from which it came. In this application perfect retroreflection is not desired, since the light would then be directed back into the headlights of an oncoming car rather than to the driver’s eyes.

=== Complex conjugate reflection ===
Light bounces exactly back in the direction from which it came due to a nonlinear optical process. In this type of reflection, not only the direction of the light is reversed, but the actual wavefronts are reversed as well. A conjugate reflector can be used to remove [[Aberration in optical systems|aberrations]] from a beam by reflecting it and then passing the reflection through the aberrating optics a second time.

=== Neutron reflection ===
Materials that reflect [[neutron]]s, for example [[beryllium]], are used in [[nuclear reactor]]s and [[nuclear weapon]]s. In the physical and biological sciences, the reflection of neutrons off atoms within a material is commonly used to determine its internal structures. [http://www.isis.rl.ac.uk/largescale/Crisp/documents/neut_refl_HD.htm]

=== Sound reflection ===
When a longitudinal [[sound wave]] strikes a flat surface, sound is reflected in a coherent manner provided that the dimension of the reflective surface is large compared to the wavelength of the sound. Note that audible sound has a very wide frequency range (from 20 to about 17000 Hz), and thus a very wide range of wavelengths (from about 20 mm to 17 m). As a result, the overall nature of the reflection varies according to the texture and structure of the surface. For example, porous materials will absorb some energy, and rough materials (where rough is relative to the wavelength) tend to reflect in many directions — to scatter the energy, rather than to reflect it coherently. This leads into the field of [[architectural acoustics]], because the nature of these reflections is critical to the auditory feel of a space.
  
In the theory of exterior [[noise mitigation]], reflective surface size mildly detracts from the concept of a [[noise barrier]] by reflecting some of the sound into the opposite direction.

=== Seismic reflection ===
[[Seismic wave]]s produced by [[earthquake]]s or other sources (such as [[explosion]]s) may be reflected by layers within the [[Earth]]. Study of the deep reflections of waves generated by earthquakes has allowed [[seismologist]]s to determine the layered [[structure of the Earth]]. Shallower reflections are used in [[reflection seismology]] to study the Earth’s [[crust (geology)|crust]] generally, and in particular to prospect for [[petroleum]] and [[natural gas]] deposits.

== Quantum interpretation ==
All interactions between light [[photon]]s and matter are described as a series of absorption and emission of photons. If one examines a single molecule at the surface of a material, an arriving photon will be absorbed and almost immediately reemitted. The ‘new’ photon may be emitted in any direction, thus causing diffuse reflection.

The specular reflection (following [[Hero of Alexandria|Hero]]'s equi-angular reflection law) is a [[quantum mechanic#Quantum mechanical effects|quantum mechanical effect]] explained as the sum of the most likely paths the photons will have taken. Light-matter interaction is a topic in [[quantum electrodynamics]], and is described in detail by [[Richard Feynman]] in his book ''[[QED (book)|QED: The Strange Theory of Light and Matter]]''.

As the photon absorbed by the molecule may match energetic levels of the molecule ([[Kinetic energy|kinetic]], [[Rotational energy|rotational]], [[Energy level|electronic]] or [[Vibrational spectroscopy|vibrational]]), the photon may not be reemitted or alternatively may lose some of its energy in the process. The emitted photon will have a slightly different level of energy. These effects are known as [[Raman scattering|Raman]], [[Brillouin scattering|Brillouin]] and [[Compton scattering]].
-->== Примечания ==
<references />

== Ссылки ==
{{навигация|Викисловарь=отражение}}
* [[Внутреннее отражение]]
* [[Уголковый отражатель]]
* [[Принцип Гюйгенса — Френеля]]

<!-- 
* [http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/viewtopic.php?t=32 Java explanatory animation-close relation to refraction] /бита/
* [http://www.acoustics.salford.ac.uk/feschools/waves/reflect.htm Acoustic reflection] - нет ценности/
-->
{{нет ссылок|дата=1 января 2017}}

<!--
<gallery>
Файл:Reflection_angles.svg|θ<sub>i</sub> = θ<sub>r</sub>.<br />Угол падения равен углу отражения
Файл:Corner-reflector.svg|Принцип действия уголкового отражателя
</gallery>
(следующий рис — не на коммонз!):
[[Файл:Diffuse_reflection.PNG|thumb|right|Диффузное отражение]]
-->

[[Категория:Волновая оптика]]
[[Категория:Геометрическая оптика]]