החזרה דיפוזית

החזרה דיפוזית (באנגלית: Diffuse reflection) היא החזרה ממשטח של אור או גלים וחלקיקים אחרים באופן כזה שקרן הפוגעת במשטח מפוזרת ממנו בזוויות רבות ביחס לאנך למשטח, בשונה מהמקרה של החזר ראי שבו הקרן מוחזרת בזווית יחידה. נאמר שמשטח מחזיר דיפוזי הוא אידיאלי אם הוא מפגין התנהגות למברטיאנית, שפירושה שאלמנט השטח של המשטח נצפה כבעל בהירות שווה בכל הכיוונים בחצי המרחב המוגדר על ידי אלמנט השטח. משטח שעשוי מאבק שלא בולע אור כמו טיח, או מסיבים כמו למשל נייר, או מחומרים רב-גבישיים כמו שיש לבן, בדרך כלל מחזיר אור דיפוזית ביעילות רבה. חומרים נפוצים רבים מפגינים התנהגות אופטית שהיא ערבוב של החזרת ראי והחזרה דיפוזית. הנראות של עצמים, להוציא מן הכלל עצמים פולטי אור, נגרמת בראש ובראשונה על ידי החזרה דיפוזית של האור; זהו האור המפוזר דיפוזית שיוצר את הדמות של העצם בעינו של הצופה. החזרה דיפוזית ממוצקים בדרך כלל לא נגרמת מחספוס פני השטח שלהם. משטח חלק יחסית נדרש כדי ליצור החזר ראי, אך אין תנאי זה מונע החזרה דיפוזית. חתיכה של שיש לבן מלוטש ביותר נשארת לבנה; לא משנה כמה ליטוש יבוצע עליה, היא לא תהפוך למראה. ליטוש אכן עוזר להפיק מעט החזר ראי, אבל האור הנותר עדיין ממשיך להיות מוחזר דיפוזית. המנגנון הכללי שבו נוצרת החזרה דיפוזית מפני המשטח לא מערב בדיוק את צורת פני השטח שלו: רוב האור מתפזר על ידי מרכזי פיזור מתחת לפני השטח שלו, כמומחש באיור 1. אם מדמים את החומר באיור זה לשלג, ואת המצולעים שבו לגבישוני קרח שקופים זעירים, אז קרן פוגעת מוחזרת חלקית על ידי החלקיק הראשון, נכנסת לתוכו, לאחר מכן מוחזרת שוב בממשק עם חלקיק שני, נכנסת לתוכו, פוגעת בשלישי, וכך הלאה, באופן כזה שנוצרת סדרה של קרניים "ראשוניות" המפוזרות בכיוונים אקראיים, אשר בתורן, דרך אותו המנגנון, יוצרות סדרה של קרניים מפוזרות "שניוניות", אשר יוצרות קרניים "שלישוניות" וכן הלאה. כל קרני האור הללו "מהלכות" בין ודרך גבישוני הקרח, אשר לא בולעים אור, עד אשר הן מגיעות לפני השטח ויוצאות בכיוונים אקראיים. התוצאה היא שהאור שנשלח החוצה מוחזר בכל הכיוונים, כך שהשלג לבן למרות שהוא מורכב מחומר שקוף (גבישי קרח). מנגנון זה הוא כללי מאוד, בגלל שכמעט כל החומרים הנפוצים עשויים מ"חתיכות קטנות" המוחזקות יחדיו. חומרים מינרליים הם בדרך כלל רב-גבישיים; ניתן לתאר אותם כפסיפס תלת-ממדי של גבישים קטנים ובעלי צורה מאוד אי-סדירה. חומרים אורגניים בדרך כלל מורכבים מסיבים או תאים, עם הממברנות והמבנה הפנימי המורכב שלהם. כל ממשק, אי-הומוגניות או פגם מבני יכול להסיט, להחזיר או לפזר אור, מה שמשחזר את המנגנון שתואר מקודם. מעט חומרים לא מפגינים החזרה דיפוזית: בין אלו נכללים המתכות, אשר דבק האלקטרונים החופשיים שבהן לא מאפשר לאור לחדור פנימה לתוכן; גזים, נוזלים, זכוכית, וחומרים פלסטיים שקופים (שלהם מבנה מיקרוסקופי אמורפי דמוי-נוזל); גבישים יחידניים, כמו אבני חן מסוימות וגבישי מלח; וכמה חומרים מיוחדים מאוד, כמו הרקמות המרכיבות את הקרנית והעדשה של עין. עם זאת, חומרים אלו יכולים להחזיר אור דיפוזית אם המשטח שלהם מחוספס מיקרוסקופית, כמו בסוגים מסוימים של זכוכית (ראו איור 2), או כאשר המבנה ההומוגני שלהם נפגם, כמו למשל במחלת הקטרקט בעדשות עיניים. כפי שצוין מקודם, משטח יכול להפגין גם החזרת ראי וגם החזרה דיפוזית, כמו במקרה של צבעים מבריקים שמשתמשים בהם בציור ביתי, אשר מספקים שבריר של החזרת ראי, זאת בעוד גיליונות צבע מספקים כמעט 100% החזרה דיפוזית. רוב החומרים יכולים לספק מעט החזרת ראי, בהינתן שהמשטח שלהם מלוטש במידה מספיקה כדי להעלים אי סדירויות מסדר גודל של אורך הגל של האור (שבר של מיקרומטר). בתלות בחומר ובחספוס פני השטח, ההחזרה יכולה להיות בעיקר החזרת ראי, בעיקר דיפוזית, או כל התנהגות ברצף שביניהן. מעט חומרים, כמו נוזלים וגזים, חסרים את חלוקות המבנה הפנימיות אשר מפיקות מנגנון תת-המשטחים המפזרים שתואר מקודם, ולכן נותנים רק החזרת ראי. בין החומרים הנפוצים, רק מתכות מלוטשות יכולים לספק החזרת ראי ביעילות גבוהה, כמו בציפוי אלומיניום או כסף שבהם נעשה שימוש במראות. כל החומרים הנפוצים האחרים, אפילו כאשר הם מלוטשים באופן מושלם, בדרך כלל לא מספקים יותר מכמה אחוזים של החזר ראי, למעט מקרים מיוחדים, כמו בהחזרה גמורה במנסרת זכוכית, או כאשר המבנה האופטי הכולל הוא מורכב כמו למשל בעור הכסוף של זני דגים רבים או במשטח המחזיר של מראה דיאלקטרית. עד כה נידונו רק עצמים לבנים, אשר לא בולעים אור, אבל הסכמה לעיל ממשיכה להיות תקפה גם במקרה שהחומר בולע אור. במקרה זה, הקרניים המפוזרות יאבדו חלק מאורכי גל כתוצאה מהשיטוט שלהן בתוך החומר, וכך יופיע צבע העצם. ההילוך האקראי של קרני האור בהחזרה דיפוזית משפיע באופן משמעותי על הצבע הנראה של העצם מכיוון שהוא קובע את אורך המסלול הממוצע של האור בחומר, וכך גם קובע את המידה שבה אורכי הגל השונים ייבלעו. דיו אדום נראה שחור כאשר הוא עודנו בבקבוק שלו. צבעו האדום החינני נראה רק כאשר הוא מושם על יריעה דקה של חומר סופג (למשל נייר). זה נובע מכך שמסלול האור דרך סיבי הנייר (ודרך שכבת הדיו הדקיקה) הוא באורך של רק שבריר המילימטר. לעומת זאת, האור מהדיו שבבקבוק חצה מספר סנטימטרים של דיו ולכן נבלע משמעותית, אפילו באורכי הגל האדומים שלו. בנוסף, כאשר חומר צבעוני מגלה גם החזר ראי וגם החזרה דיפוזית, בדרך כלל רק המרכיב הדיפוזי הוא צבעוני. דובדבן מחזיר דיפוזית אור אדום, בולע את כל הצבעים האחרים ויש לו גם החזר ראי המהווה אור לבן (אם האור הפוגע הוא לבן). זוהי עובדה כללית מאוד, שכן, למעט המקרה של מתכות, מידת ההחזרה של רוב החומרים תלויה במקדם השבירה שלהם, אשר משתנה מעט עם אורך הגל (למרות שזהו בדיוק השינוי הזה שגורם לנפיצה הכרומטית במנסרה), כך שכל הצבעים מוחזרים פחות או יותר באותה עוצמה. מדיה וקבצים בנושא החזרה דיפוזית בוויקישיתוף