Հայելային արտացոլում

մինի|Հանգիստ ջրի վրա անդրադարձման հայելային արտացոլման օրինակ

**Հայելային** կամ **սպեկուլյար անդրադարձում,** կամ **ճշգրիտ արտապատկերում** (**), օպտիկական երևույթ, ալիքների հայելանման անդրադարձում, ինչպես լույսն արտացոլվում է հանդարտ ջրի մակերեսից։

Ըստ անդրադարձման օրենքի՝ մակերևույթից անդրադարձող լույսի արտացոլված ճառագայթը դուրս է գալիս մակերևույթի նորմալի նկատմամբ նույն անկյան տակ, ինչ անկյան տակ ընկնում է։ Սա առաջին անգամ նկարագրել է Հերոն Ալեքսանդրիացին (մ.թ. մոտ 10-70 թթ.):

Հայելային անդրադարձումը տարբերվում է ցրված կամ դիֆուզիոն անդրադարձումից, որի դեպքում լույսը ցրվում է մակերեսից տարբեր ուղղություններով։

## Անդրադարձման օրենք
մինի|Հայելային անդրադարձում թաց մետաղական գնդի վրա
մինի|Ցրված անդրադարձում մարմարե գնդի վրա

Երբ լույսը հանդիպում է նյութի սահմանին, դրա վրա ազդում են էլեկտրամագնիսական ալիքների նկատմամբ նյութի օպտիկական և էլեկտրոնային արձագանքման գործառույթները։ Օպտիկական գործընթացները, որոնք ներառում են արտացոլումը և բեկումը, արտահայտվում են սահմանի երկու կողմերում բեկման ցուցիչի տարբերությամբ, մինչդեռ ռեֆլետիվությունը (անդրադարձման ունակությունը) և կլանումը նյութի էլեկտրոնային կառուցվածքով են պայմանավորված։ Այս պրոցեսներից յուրաքանչյուրի բևեռացման աստիճանը կախված է լույսի հաճախականությունից կամ ալիքի երկարությունից, բևեռացումից և անկման անկյունից։ Ընդհանուր առմամբ, անդրադարձումը մեծանում է անկման անկյան մեծացմամբ և սահմանի վրա կլանման մեծացմամբ։ Ֆրենելի բանաձևերով նկարագրվում են ֆիզիկական երևույթները օպտիկական սահմանի վրա։

Արտապատկերումը կարող է առաջանալ որպես սպեկուլյար կամ հայելանման անդրադարձում և դիֆուզիոն անդրադարձում։ Հայելանման անդրադարձումն արտացոլում է ամբողջ լույսը, որը գալիս է տվյալ ուղղությամբ նույն անկյան տակ, մինչդեռ դիֆուզիոն անդրադարձումն արտացոլում է լույսը ուղղությունների լայն շրջանակով։ Արտապատկերումը կարելի է ցույց տալ փայլուն և փայլատ (матовой) ներկերով պատված մակերեսներով։ Փայլատ ներկերն ըստ էության ցուցադրում են ամբողջական դիֆուզիոն (ցրված) անդրադարձումը, մինչդեռ փայլուն ներկերն ավելի շատ ցույց են տալիս սպեկուլյար (հայելային) վարք։ Մակերեւույթը, որը կառուցված է ոչ կլանող փոշուց, ինչպիսին է գաջը, կարող է համարյա կատարյալ դիֆուզիոն լինել, մինչդեռ փայլեցված մետաղական առարկաները կարող են ակնառու կերպով շատ արդյունավետ կերպով անդրադարձնել լույսը։ Հայելիների պատրաստման համար օգտագործվում է անդրադարձնող նյութ, որը սովորաբար ալյումին է կամ արծաթ։

Լույսը տարածվում է տիեզերքում որպես էլեկտրամագնիսական դաշտերի ալիքային ճակատ։ Լույսի ճառագայթը բնութագրվում է մակերևույթի վրա ալիքի նորմալի ուղղությամբ։ Երբ ճառագայթը բախվում է մակերևույթին, այն անկյունը, որը ալիքի նորմալը կազմում է մակերեսի նորմալի նկատմամբ, կոչվում է անկման անկյուն, իսկ երկու ուղղություններով սահմանված հարթությունը՝ անկման հարթություն։ Ընկնող ճառագայթի անդրադարձում տեղի է ունենում նաև անկման հարթությունում։

շրջափակել|հայելային անդրադարձման համահարթ վեկտորական անդրադարձումը, որտեղ անկման և անդրադարձման անկյունները հարթության նորմալի նկատմամաբ հավասար են՝ <math>\theta _i = \theta _r</math>

Արտացոլման օրենքն ասում է, որ ճառագայթի անդրադարձման անկյունը հավասար է նորմալի նկատմամբ անկման անկյունին, և որ անկման ուղղությունը, մակերևույթի նորմալը և անդրադարձած ուղղությունը գտնվում են մի հարթության մեջ, այսինքն համահարթ են (coplanar)։

Երբ լույսն ընկնում է մակերեսին ուղղահայաց, այն անդրադառնում է աղբյուրի ուղղությամբ ուղիղ ետ։

Անդրադարձման երեւույթն առաջանում է հարթ սահմանի վրա հարթ ալիքի դիֆրակցիայից։ Երբ սահմանի չափը շատ ավելի մեծ է, քան ալիքի երկարությունը, ապա սահմանի վրա գտնվող էլեկտրամագնիսական դաշտերը տատանվում են հենց փուլային միայն սպեկուլյար ուղղությամբ։

### Վեկտորային ձևակերպում
Անդրադարձման օրենքը կարող է համարժեք արտահայտվել նաև գծային հանրահաշվում։ Անդրադարձած ճառագայթի ուղղությունը որոշվում է անկման վեկտորով և մակերևույթի նորմալի վեկտորով։ Հաշվի առնելով անկման \mathbf{\hat{d}}_\mathrm{i} ուղղությունը և մակերևույթի նորմալի \mathbf{\hat{d}}_\mathrm{n} ուղղությունը, հայելային անդրադարձման \mathbf{\hat{d}}_\mathrm{s} ուղղությունը (բոլորը միավոր վեկտորներ) հետևյալն է.

: \mathbf{\hat{d}}_\mathrm{s} = 2 \left(\mathbf{\hat{d}}_\mathrm{n} \cdot \mathbf{\hat{d}}_\mathrm{i}\right) \mathbf{\hat{d}}_\mathrm{n} - \mathbf{\hat{d}}_\mathrm{i},

որտեղ \mathbf{\hat{d}}_\mathrm{n} \cdot \mathbf{\hat{d}}_\mathrm{i} ստացված սկալյարն է սկալյար արտադրյալով։ Տարբեր հեղինակներ կարող են սահմանել անկման և անդրադարձման ուղղությունները տարբեր նշաններով։ Ենթադրելով, որ այս Էվկլիդյան վեկտորները ներկայացված են սյունի տեսքով, հավասարումը կարող է համարժեք արտահայտվել որպես մատրիցա-վեկտորի արտադրյալ.

: \mathbf{\hat{d}}_\mathrm{s} = \mathbf{R} \; \mathbf{\hat{d}}_\mathrm{i},

որտեղ \mathbf{R} -ը, այսպես կոչված, Հաուզհոլդերի արտապատկերման մատրիցն է, որը սահմանվում է որպես.

: \mathbf{R} = \mathbf{I} - 2 \mathbf{\hat{d}}_\mathrm{n} \mathbf{\hat{d}}_\mathrm{n}^\mathrm{T};

այսինքն \mathbf{I} նույնականության մատրիցայի և \mathbf{\hat{d}}_\mathrm{n} արտաքին արտադրյալի կրկնապատիկի տարբերությունը։

## Ռեֆլեկտիվություն
*Ռեֆլեկտիվությունը* կամ անդրադարձման ունակությունը անդրադարձած ալիքի ուժի հարաբերությունն է ընկնող ալիքի ուժին։ Այն ճառագայթման ալիքի երկարության ֆունկցիան է և կապված է նյութի բեկման ցուցիչի հետ, որն արտահայտվում է Ֆրենսելի հավասարումներով։ Էլեկտրամագնիսական սպեկտրի այն շրջաններում, որտեղ նյութի կողմից կլանումը նշանակալի է, այն կապված է կլանման էլեկտրոնային սպեկտրի հետ՝ կոմպլեքս բեկման ինդեքսի կեղծ բաղադրիչի (imaginary component) միջոցով։ Անթափանց նյութի էլեկտրոնային կլանման սպեկտրը, որը դժվար է կամ անհնար է ուղղակիորեն չափել, հետևաբար կարող է անուղղակիորեն որոշվել անդրադարձման սպեկտրից Կրամերս-Կրոնիգի փոխակերպմամբ։ Անդրադարձված լույսի բևեռացումը կախված է ներթափանցող լույսի դասավորության համաչափությունից՝ նյութի մեջ ներծծող անցումների դիպոլային մոմենտների նկատմամբ։

Հայելային անդրադարձման չափումը կատարվում է նորմալ կամ փոփոխական անկման անկյամբ արտացոլման սպեկտրոֆոտոմետրերով (ռեֆլեկտոմետր)՝ օգտագործելով սկանավորող փոփոխական ալիքի երկարության լույսի աղբյուր։ Ցածր որակի չափումները՝ օգտագործելով փայլաչափ, քանակականացնում են մակերեսի փայլուն տեսքը փայլի միավորներով։

## Հետևանքներ
### Ներքին անդրադարձում

Երբ լույսը թափանցում է նյութի մեջ՝ ընկնելով բեկման ավելի ցածր ցուցիչով նյութի մակերևույթին, ապա լույսի մի մասն է արտացոլվում։ Եթե անկման անկյունն ավելի մեծ է, քան կրիտիկական անկյունը, տեղի է ունենում լրիվ ներքին անդրադարձում. ամբողջ լույսն անդրադառնում է։ Կրիտիկական անկյունը կարելի է արտահայտել հետևյալ հավասարումով.

: \theta_\text{crit} = \arcsin\!\left(\frac{n_2}{n_1}\right)\!։

### Բևեռացում
Երբ լույսն ընկնում է երկու նյութերի բաժանման սահմանի վրա, անդրադարձած լույսը հիմնականում մասամբ բևեռացված է։ Այնուամենայնիվ, եթե լույսն ընկնում է բաժանման սահմանի վրա բևեռացման անկյան (կամ Բրյուսթերի անկյան) տակ, ապա արտացոլված լույսն *ամբողջովին* գծային բևեռացված է՝ հարթության բաժանման սահմանին զուգահեռ։ Բրյուսթերի անկյունը որոշվում է հետևյալ բանաձևով.

: \theta_\mathrm{B} = \arctan\!\left(\frac{n_2}{n_1}\right)\!։
:

### Պատկերի արտացոլում
Հարթ հայելու մեջ արտացոլվում է հայելային պատկերը։ Հայելու մեջ արտացլված առարկան.

* նույն հեռավորության վրա է հայելուց, ինչ հայելու դիմաց գտնվող առարկան
* նույն չափի է, ինչ հայելու դիմաց գտնվող առարկան
* հայելու դիմաց գտնվող առարկայի հակադարձված պատկերն է
* *վիրտուալ* է, ինչը նշանակում է, որ պատկերը կարծես հայելու հետևում է և չի կարող պրոյեկտվել էկրանի վրա։

Հարթ հայելու միջոցով պատկերների հակադարձումը տարբեր կերպ է ընկալվում՝ կախված հանգամանքներից։ Շատ դեպքերում հայելու մեջ պատկերը շրջվում է ձախից աջ (180° անկյամբ շրջված)։ Եթե հարթ հայելին ամրացված է առաստաղի վրա, այն կարող է թվալ, որ շրջվում է *վեր* ու *վար*, եթե մարդը կանգնում է դրա տակ և նայում է դրան։ Նույն կերպ, *ձախ* թեքվող մեքենան հետևի տեսադաշտի հայելու մեջ դեռևս *ձախ* է շրջվում դիմացի մեքենայի վարորդի համար։ Ուղղությունների հակադարձումը կամ դրանց բացակայությունը կախված է նրանից, թե ինչպես են սահմանվում ուղղությունները։ Ավելի կոնկրետ՝ հայելին փոխում է կոորդինատային համակարգի ուղղությունը, կոորդինատային համակարգի մի առանցքը, կարծես, շրջված է, հայելում անդրադարձած պատկերը ասիմետրիկ է, իսկ պատկերի խիրալությունը կարող է փոխվել։ Օրինակ՝ աջ կոշիկի պատկերը ձախ կոշիկի տեսք կունենա։

## Օրինակներ
մինի|Ռենտգենյան սպեկուլյար անդրադարձման սխեմատիկ պատկեր
[մինի|[Շայո պալատ|Տրոկադերո պալատի էսպլանադան (զբոսավայր) Փարիզում անձրևից հետո: Ջրի շերտը ցուցադրում է ակնառու անդրադարձում` արտացոլելով Էյֆելյան աշտարակի և այլ առարկաների պատկերը:]]

Հայելային անդրադարձման դասական օրինակ է հայելին, որը հատուկ նախատեսված է հայելային արտացոլման համար։

Բացի տեսանելի լույսից, հայելային արտացոլում կարող է դիտվել ռադիոալիքների իոնոսֆերային անդրադարձման և թռչող օբյեկտների կողմից ռադիո- կամ միկրոալիքային ռադարային ազդանշանների անդրադարձման մեջ։ Ռենտգենյան անդրադարձման ունակության չափման տեխնիկան օգտագործում է սպեկուլյար անդրադարձողականությունը՝ ուսումնասիրելու ենթանանոմետրային լուծաչափով բարակ թաղանթները և մակերևույթի սահմանները՝ օգտագործելով կա՛մ ժամանակակից լաբորատոր աղբյուրներ, կա՛մ սինխրոտրոնային ռենտգենյան ճառագայթներ։

Ոչ էլեկտրամագնիսական ալիքները նույնպես կարող են ունենալ հայելային անդրադարձում, ինչպես ակուստիկ հայելիներում, որոնք անդրադարձնում են ձայնը, և ատոմային հայելիներում, որոնք անդրադարձնում են չեզոք ատոմներ։ Պինդ մարմնի հայելուց  ատոմների արդյունավետ անդրադարձման համար օգտագործվում են շատ սառը ատոմներ և/կամ սահող անկում (grazing incidence)՝ զգալի քվանտային արտացոլում ապահովելու համար։ Օրինակ, Ֆրենելի կրկնակի հայելիներն օգտագործվում են ատոմների հայելային արտացոլումն ուժեղացնելու համար։ Նեյտրոնային ռեֆլեկտոմետրիան օգտագործում է հայելային անդրադարձ՝ նյութի մակերեսները և բարակ թաղանթների բաժանման սահմանները ուսումնասիրելու համար (ռենտգենյան ճառագայթների անդրադարձման ունակության անալոգիայով)։

## Տես նաև
* Զույգություն
* Երկրաչափական օպտիկա

## Ծանոթագրություններ

Կատեգորիա:Ալիքային տեսություն
Կատեգորիա:Երկրաչափական օպտիկա
Կատեգորիա:Լույս
Կատեգորիա:Մթնոլորտային օպտիկական երևույթներ
Կատեգորիա:Քվանտային օպտիկա
Կատեգորիա:Օպտիկական երևույթներ
Կատեգորիա:Ֆիզիկական էֆեկտներ և երևույթներ
Կատեգորիա:Ֆիզիկական օպտիկա
Կատեգորիա:Ֆիզիկայի օրենքներ