Legea reflexiei

(Diagrama reflexiei speculare)

Legea reflexiei descrie unghiul luminii reflectate: unghiul luminii incidente este același cu unghiul luminii reflectate.

Legea reflexiei decurge din difracția unei unde plane cu o lungime de undă mică pe o suprafață limită plată: atunci când dimensiunea suprafeței limită este mult mai mare decât lungimea de undă, atunci electronii pe suprafața limită sunt văzuți oscilând exact în fază numai dintr-o direcție – direcția speculară. Dacă o oglindă devine foarte mică în comparație cu lungimea de undă, legea reflexiei nu mai rămâne valabilă, iar comportamentul luminii este mai complicat.

Formula vectorială

Legea reflexiei poate fi, de asemenea, exprimată în mod echivalent folosind algebra liniară. Direcția unei raze reflectate este determinată de vectorul incidenței și de vectorul de suprafață normal. Având în vedere o direcție incidentă d_i de la suprafață la sursa de lumină și direcția normală a suprafeței d_n, direcția reflectată specular d_s (toți vectorii unitari) este (d fiind vector matriceal):

d_s = 2 (d_n·d_i) d_n – d_i,

unde d_n·d_i este un scalar obtinut cu produsul dot. Diferiți autori pot defini direcțiile incidentă și reflectată cu semne diferite. Presupunând că acești vectori euclidieni sunt reprezentați în formă de coloană, ecuația poate fi exprimată în mod echivalent ca o multiplicare a vectorului matriceal:

d_s = R d_i,

unde R este așa numita matrice de transformare a Householder, definită ca:

R = I – 2d_n d_n^T;

T reprezintă transpunerea și I este matricea identității.

Reflectivitate

Reflectivitatea este raportul dintre puterea undelor reflectate și cea a undei incidente. Este o funcție a lungimii de undă a radiației și este legată de indicele de refracție al materialului exprimat prin ecuațiile lui Fresnel. În regiunile cu spectru electromagnetic în care absorbția de către material este semnificativă, este legată de spectrul de absorbție electronică prin componenta imaginară a indexului complex de refracție. Spectrul de absorbție electronică al unui material opac, care este dificil sau imposibil de măsurat direct, poate fi, prin urmare, determinat indirect din spectrul de reflecție printr-o transformare Kramers-Kronig. Polarizarea luminii reflectate depinde de simetria dispunerii luminii de detecție incidentă în raport cu momentele de dipol ale tranzițiilor absorbante din material.

Măsurarea reflexiei speculare este efectuată cu spectrofotometre de reflexie cu incidență normală sau variabilă (reflectometru), utilizând o sursă de lumină cu lungime de undă de scanare. Măsurătorile de calitate inferioară, folosind un luciometru, cuantifică aspectul lucios al unei suprafețe în unități lucioase.

Consecințe

Reflecția internă

Când lumina se propagă într-un material și care pe o interfață cu un material cu indice de refracție mai scăzut, o parte din lumină se reflectă. Dacă unghiul de incidență este mai mare decât unghiul critic, apare reflexia internă totală: toată lumina este reflectată. Unghiul critic poate fi arătat de către

θ_crit = arcsin(n₂/n₁).

Polarizare

Atunci când lumina cade pe o interfață între două materiale, lumina reflectată este în general parțial polarizată. Cu toate acestea, dacă lumina cade pe interfață la unghiul lui Brewster, lumina reflectată este polarizată complet liniar paralel cu interfața. Unghiul lui Brewster este dat de

θ_B = arctan(n₂/n₁).

Imagini reflectate

Imaginea dintr-o oglindă plată are următoarele caracteristici:

• Este la aceeași distanță în spatele oglinzii, deoarece obiectul este în față.
• Este de aceeași dimensiune ca și obiectul.
• Este calea dreaptă în sus.
• Este inversată.
• Este virtuală, ceea ce înseamnă că imaginea pare să se afle în spatele oglinzii și nu poate fi proiectată pe un ecran.

Inversarea imaginilor printr-o oglindă plană este percepută diferit, în funcție de circumstanțe. În multe cazuri, imaginea dintr-o oglindă pare să fie inversată de la stânga la dreapta. Dacă o oglindă plată este montată pe tavan, poate părea că se inversează în sus și în jos dacă o persoană se află sub ea și o privește în sus. În mod similar, o mașină care se rotește la stânga va părea totuși să se rotească la stânga în oglinda retrovizoare pentru șoferul unei mașini din fața acesteia. Inversarea direcțiilor sau lipsa acestora depinde de modul în care sunt definite direcțiile. Mai precis, o oglindă schimbă manevrabilitatea sistemului de coordonate, o axă a sistemului de coordonate pare a fi inversată, iar chiralitatea imaginii se poate schimba. De exemplu, imaginea unui pantof drept va arata ca un pantof stâng.

Exemple

(Esplanada Trocadero din Paris după ploaie. Stratul de apă prezintă reflexie speculară, reflectând o imagine a Turnului Eiffel și a altor obiecte.)

Un exemplu clasic de reflexie speculară este o oglindă, care este special concepută pentru reflectarea speculară.

În plus față de lumina vizibilă, reflectarea speculară poate fi observată în reflectarea ionosferică a radiațiilor și reflectarea semnalelor radar radio sau microunde de către obiectele zburătoare. Tehnica de măsurare a reflexiei cu raze X exploatează reflexia speculară pentru a studia filmele subțiri și interfețele cu rezoluția sub-nanometrică, utilizând fie surse moderne de laborator, fie raze X sincrotron.

Undele non-electromagnetice pot prezenta, de asemenea, reflexie speculară, precum în oglinzile acustice care reflectă sunetul, și oglinzile atomice, care reflectă atomi neutri. Pentru reflexia eficientă a atomilor dintr-o oglindă în stare solidă, se folosesc atomi foarte reci și/sau incidență razantă pentru a oferi o reflexie cuantică semnificativă; oglinzile de difracșie Fresnel sunt folosite pentru a spori reflexia speculară a atomilor. Refractometria neutronică utilizează reflexie speculară pentru a studia suprafețele materialelor și interfețele de film subțire într-o manieră similară cu cea a reflexiei cu raze X.