Reflexión especular - Specular reflection

Condición coplanar de reflexión especular, en la cual .
Los reflejos en aguas tranquilas son un ejemplo de reflexión especular.

La reflexión especular , o reflexión regular , es la reflexión similar a un espejo de ondas , como la luz , de una superficie.

La ley de la reflexión establece que un rayo de luz reflejado emerge de la superficie reflectante en el mismo ángulo a la superficie normal que el rayo incidente, pero en el lado opuesto de la superficie normal en el plano formado por los rayos incidente y reflejado. Este comportamiento fue descrito por primera vez por Hero of Alexandria ( c. 10-70 d . C.).

La reflexión especular se puede contrastar con la reflexión difusa , en la que la luz se dispersa desde la superficie en una variedad de direcciones.

Ley de la reflexión

Reflexión especular de una esfera metálica húmeda
Reflexión difusa de una bola de mármol

Cuando la luz encuentra un límite de un material, se ve afectada por las funciones de respuesta óptica y electrónica del material a las ondas electromagnéticas. Los procesos ópticos, que comprenden la reflexión y la refracción , se expresan por la diferencia del índice de refracción en ambos lados del límite, mientras que la reflectancia y la absorción son las partes reales e imaginarias de la respuesta debido a la estructura electrónica del material. El grado de participación de cada uno de estos procesos en la transmisión es función de la frecuencia o longitud de onda de la luz, su polarización y su ángulo de incidencia. En general, la reflexión aumenta al aumentar el ángulo de incidencia y al aumentar la absortividad en el límite. Las ecuaciones de Fresnel describen la física en el límite óptico.

La reflexión puede ocurrir como una reflexión especular, o similar a un espejo, y una reflexión difusa . La reflexión especular refleja toda la luz que llega desde una dirección determinada con el mismo ángulo, mientras que la reflexión difusa refleja la luz en una amplia gama de direcciones. La distinción se puede ilustrar con superficies recubiertas con pintura brillante y pintura mate . Las pinturas mate exhiben una reflexión difusa esencialmente completa, mientras que las pinturas brillantes muestran un componente mayor de comportamiento especular. Una superficie construida con un polvo no absorbente, como yeso, puede ser un difusor casi perfecto, mientras que los objetos metálicos pulidos pueden reflejar la luz de manera especular de manera muy eficiente. El material reflectante de los espejos suele ser aluminio o plata.

La luz se propaga en el espacio como un frente de onda de campos electromagnéticos. Un rayo de luz se caracteriza por la dirección normal al frente de onda ( onda normal ). Cuando un rayo encuentra una superficie, el ángulo que forma la normal de onda con respecto a la normal de la superficie se llama ángulo de incidencia y el plano definido por ambas direcciones es el plano de incidencia . La reflexión del rayo incidente también se produce en el plano de incidencia.

La ley de la reflexión establece que el ángulo de reflexión de un rayo es igual al ángulo de incidencia y que la dirección del incidente, la normal a la superficie y la dirección reflejada son coplanares .

Cuando la luz incide perpendicularmente a la superficie, se refleja directamente en la dirección de la fuente.

El fenómeno de la reflexión surge de la difracción de una onda plana en un límite plano. Cuando el tamaño del límite es mucho mayor que la longitud de onda , los campos electromagnéticos en el límite oscilan exactamente en fase solo para la dirección especular.

Formulación de vectores

La ley de la reflexión también se puede expresar de forma equivalente utilizando álgebra lineal . La dirección de un rayo reflejado está determinada por el vector de incidencia y el vector normal de superficie . Dada una dirección incidente desde la superficie a la fuente de luz y la dirección normal de la superficie, la dirección reflejada especularmente (todos los vectores unitarios ) es:

donde es un escalar obtenido con el producto escalar . Diferentes autores pueden definir las direcciones de incidencia y reflexión con diferentes signos . Suponiendo que estos vectores euclidianos se representan en forma de columna , la ecuación se puede expresar de manera equivalente como una multiplicación matriz-vector:

donde es la llamada matriz de transformación de los jefes de hogar , definida como:

en términos de la matriz de identidad y el doble del producto externo de .

Reflectividad

La reflectividad es la relación entre la potencia de la onda reflejada y la de la onda incidente. Es una función de la longitud de onda de la radiación y está relacionada con el índice de refracción del material expresado por las ecuaciones de Fresnel . En regiones del espectro electromagnético en las que la absorción por el material es significativa, se relaciona con el espectro de absorción electrónico a través del componente imaginario del índice de refracción complejo. Por tanto, el espectro de absorción electrónica de un material opaco, que es difícil o imposible de medir directamente, puede determinarse indirectamente a partir del espectro de reflexión mediante una transformada de Kramers-Kronig . La polarización de la luz reflejada depende de la simetría de la disposición de la luz de sondeo incidente con respecto a las transiciones absorbentes de momentos dipolares en el material.

La medición de la reflexión especular se realiza con espectrofotómetros de reflexión de incidencia variable o normal ( reflectómetro ) utilizando una fuente de luz de exploración de longitud de onda variable. Las mediciones de menor calidad con un medidor de brillo cuantifican el aspecto brillante de una superficie en unidades de brillo .

Consecuencias

Reflexión interna

Cuando la luz se propaga en un material y golpea una interfaz con un material de índice de refracción más bajo , se refleja parte de la luz. Si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico , se produce una reflexión interna total : se refleja toda la luz. Se puede demostrar que el ángulo crítico está dado por

Polarización

Cuando la luz incide en una interfaz entre dos materiales, la luz reflejada generalmente está parcialmente polarizada . Sin embargo, si la luz incide en la interfaz en el ángulo de Brewster , la luz reflejada está completamente polarizada linealmente en paralelo a la interfaz. El ángulo de Brewster está dado por

Imágenes reflejadas

La imagen en un espejo plano tiene estas características:

  • Es la misma distancia detrás del espejo que el objeto al frente.
  • Tiene el mismo tamaño que el objeto.
  • Es el camino correcto hacia arriba (erecto).
  • Está al revés.
  • Es virtual , lo que significa que la imagen parece estar detrás del espejo y no se puede proyectar en una pantalla.

La inversión de imágenes por un espejo plano se percibe de manera diferente según las circunstancias. En muchos casos, la imagen en un espejo parece invertida de izquierda a derecha. Si un espejo plano está montado en el techo, puede parecer que se invierte hacia arriba y hacia abajo si una persona se para debajo de él y lo mira. De manera similar, un automóvil que gira a la izquierda todavía parecerá estar girando a la izquierda en el espejo retrovisor para el conductor de un automóvil que está frente a él. La inversión de direcciones, o la falta de ella, depende de cómo se definan las direcciones. Más específicamente, un espejo cambia la orientación del sistema de coordenadas, un eje del sistema de coordenadas parece estar invertido y la quiralidad de la imagen puede cambiar. Por ejemplo, la imagen de un zapato derecho se verá como un zapato izquierdo.

Ejemplos de

Explanada del Trocadero en París después de la lluvia. La capa de agua exhibe un reflejo especular, reflejando una imagen de la Torre Eiffel y otros objetos.

Un ejemplo clásico de reflexión especular es un espejo , que está diseñado específicamente para la reflexión especular.

Además de la luz visible , la reflexión especular se puede observar en la reflexión ionosférica de ondas de radio y la reflexión de señales de radar de radio o microondas por objetos voladores. La técnica de medición de la reflectividad de rayos X aprovecha la reflectividad especular para estudiar películas delgadas e interfaces con resolución subnanométrica, utilizando fuentes de laboratorio modernas o rayos X de sincrotrón .

Las ondas no electromagnéticas también pueden exhibir una reflexión especular, como en los espejos acústicos que reflejan el sonido y los espejos atómicos , que reflejan los átomos neutros . Para la reflexión eficiente de átomos de un espejo de estado sólido , se utilizan átomos muy fríos y / o incidencia rasante para proporcionar una reflexión cuántica significativa ; Los espejos estriados se utilizan para mejorar la reflexión especular de los átomos. La reflectometría de neutrones utiliza la reflexión especular para estudiar las superficies de los materiales y las interfaces de películas delgadas de forma análoga a la reflectividad de los rayos X.

Ver también

Notas

Referencias