Отражение (физика)

Отраже́ние — физический процесс взаимодействия 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 полного внутреннего отражения).
В акустике отражение является причиной эха и используется в гидролокации. В геологии оно играет важную роль в изучении сейсмических волн. Отражение наблюдается на поверхностных волнах в водоёмах. Отражение наблюдается со многими типами электромагнитных волн, не только для видимого света: отражение УКВ и радиоволн более высоких частот имеет важное значение для радиопередач и радиолокации. Даже жёсткое рентгеновское излучение и гамма-лучи могут быть отражены на малых углах к поверхности специально изготовленными зеркалами. В медицине отражение ультразвука на границах раздела тканей и органов используется при проведении УЗИ-диагностики.
Впервые закон отражения упоминается в «Катоптрике» Евклида, датируемой примерно 300 годом до н. э.
Закон отражения света — устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый 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 отражения равен углу падения» 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 раздела двух сред, частично отражающей свет, например, от прозрачного вещества с большим показателем преломления. В этом случае, равно как и закон преломления света, он не описывает интенсивности отражённого света.
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 Ф. И. Фёдоровым в 1954 году, позже было обнаружено экспериментально.
В классической электродинамике, свет рассматривается как электромагнитная волна, которая описывается уравнениями Максвелла.
В зависимости от резонансных частот разных осцилляторов в микроскопической структуре вещества коэффициент отражения зависит от частоты света, поэтому почти все предметы при освещении их белым светом приобретают цвет. Но воспринимаемый цвет объекта определяется не только спектром отражения, но и физиологическими особенностиями зрения (см. Цветовое зрение).
Отражение света может быть зеркальным (то есть таким, как наблюдается при использовании зеркал) или гладких поверхностей или диффузным. При диффузном отражении углы отражения имеют самые разные значения и тогда падающий луч и отражённые лучи не лежат в одной плоскости.
Для зеркального отражения выполняется:
Интенсивность отражённого света (характеризуемая коэффициентом отражения) зависит от угла падения и поляризации падающего пучка лучей (см. Поляризация света), а также от соотношения показателей преломления n2 и n1 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 раздела сред коэффициент отражения не зависит от поляризации падающего пучка и равен:
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 %.
Наблюдается для электромагнитных или звуковых волн на границе раздела двух сред, когда волна падает из среды с меньшей фазовой скоростью распространения, в случае света это среда с бо́льшим показателем преломления).
С увеличением угла падения угол преломления также возрастает, при этом интенсивность отражённого луча растёт, а преломлённого — падает, их сумма равна интенсивности падающего луча. При некотором критическом значении i = i k {\displaystyle i=i_{k}} интенсивность преломлённого луча становится равной нулю и наблюдается полное отражение света. Значение критического угла падения можно найти, положив в законе преломления угол преломления равным 90°:
При отражении света от шероховатой поверхности отражённые лучи расходятся в разные стороны (см. Закон Ламберта). Поэтому нет зеркального изображения. Диффузно отражают поверхности с хаотическими неровностями с размеров свыше длины волны. Таким образом, одна и та же поверхность может быть матовой и диффузно-отражающей для видимого или ультрафиолетового излучения, но гладкой и зеркально отражающей для более длинноволнового излучения например, инфракрасного излучения.