Отражение света

Отражение в воде.

Отражение в трёх сферах из различного материала (компьютерная модель)

Отражение света — физический процесс взаимодействия света с поверхностью, в котором волновой фронт полностью или частично возвращается в среду, из которой он пришёл. Оптика исследует отражение света (в общем случае — электромагнитного поля) на границе двух сред с разными свойствами (коэффициентами преломления).

Несмотря на кажущуюся идентичность изображений, сформированных световым потоком от пейзажа и от его отражения, свет, отражённый от поверхности воды, частично поляризован. Это означает, что отражение менее ярко, нежели оригинал (часть света поглощается или преломляется водой).

Взаимодействие поля с веществом, в форме отражения света, неразрывно связано с поглощением и преломлением света: не отражённый свет либо поглощается, либо преломляется.

История

Впервые закон отражения упоминается в «Катоптрике» Евклида, датируемой примерно 300 до н. э.

В истории существовал период, когда общепринятой была корпускулярной теории света, позже была разработана волновая теория. Отражение и преломление света может быть непротиворечиво рассмотрено с позиций обеих теорий, в результате чего была выдвинута теория о корпускулярно-волновом дуализме, единстве вещества и электромагнитного поля.

Законы отражения. Формулы Френеля

Закон отражения света устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол падения равен углу отражения» не указывает точное направление отражения луча. Тем не менее, выглядит это следующим образом. Этот закон является следствием применения принципа Ферма к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из 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 интенсивности отражённого света.

Этот закон можно рассматривать как частный случай закона преломления света, для которого n'=-n.

Виды отражения

Отражение света может быть зеркальным (то есть таким, как наблюдается при использовании зеркал) или диффузным (в этом случае при отражении не сохраняется путь лучей от объекта, а только энергетическая составляющая светового потока) в зависимости от природы поверхности. В случае, если граница разделяет среды проводник-диэлектрик, либо диэлектрик-диэлектрик, фаза отражённой волны меняется, либо не инвертируется.

Отражение в плоской и сферической поверхности

θ_i = θ_r.
Угол падения равен углу отражения

Отражение наклонных лучей

Зеркало обеспечивает самую общую модель зеркального отражения и состоит из стеклянного листа перед металлическим покрытием, где происходит отражение. Отражение в металлах обеспечивает распространения волны в их глубине. Это также возможно при отражении от поверхности прозрачных сред, например, воды или стакана

Полное внутреннее отражение

Отражение рыбки Black triggerfish из-под воды, в поверхности раздела вода-воздух

и увеличении угла падения $i$, угол преломления тоже увеличивается, при этом интенсивность отраженного луча растет, а преломленного — падает (их сумма равна интенсивности падающего луча). При каком-то значении $i = i_k$ угол $r=\pi/2$, интенсивность преломленного луча станет равной нулю, весь свет отразится. При дальнейшем увеличении угла $i > i_k$ преломленного луча не будет, происходит полное отражение света.

Значение критического угла падения, при котором начинается полное отражение найдем, положим в законе преломления $r = \pi/2$, тогда $\sin{r} = 1$, значит: $$\sin{i_k} = n_2/n_1$$

• Полное внутреннее отражение электромагнитных волн — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. К тому же, коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

• Неполное внутреннее отражение электромагнитных волн — внутреннее отражение, при условии, что угол падения меньше критического угла. В этом случае луч раздваивается на преломлённый и отражённый.

Этот оптический феномен наблюдается для лучей широкого спектра электромагнитного излучения включая и спектр Рентгеновских лучей.

В рамках геометрической оптики объяснение явления тривиально: опираясь на закон Снелла и учитывая, что угол преломления не может превышать 90°, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего коэффициента преломления к большему коэффициенту, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.

Диффузное рассеяние света

Вид солнца при диффузном рассеянии лучей атмосферой

Диффузное рассеяние света происходит вследствие рассеяния его на молекулах, твёрдых частицах в атмосфере, или при отражении от поверхностей, имеющих различные неровности, хаотическую шероховатость с величиной больше длины волны. При этом имеет место рассеянное отражение, под разными углами к углу падающих лучей света.

Отражение и поляризация света

Отражение света от поверхности металлических и диэлектрических материалов существенно различается. Отражённый от диэлектриков (стекло, вода, полимеры) свет в большой степени поляризован.

Отражение в разных видах отражающих устройств

Обратное отражение

Некоторые «поверхности» (точнее структуры) обладают свойством обратного отражения - свет возвращается в том направлении, из которого приходит. Наиболее известные структуры: уголковый отражатель и менее эффективный отражатель, катафот изготовленный из поверхности, покрытой преломляющими свет микросферами.

См. также

• Отражение (физика)
• Зеркало
• Коэффициент отражения en:Reflection coefficient
• Диффракция
• en:Reflectivity
• en:Anti-reflective coating
• en:Huygens-Fresnel principle

Внешние ссылки

На английском языке

• Java explanatory animation-close relation to refraction
• Acoustic reflection