反射 (物理學)

反射（reflection）是一種物理現象，指波陣面從一個介質進入另一個介質時，部分或全部的波在兩介質界面處，傳播方向發生改變且返回原介質的現象。常見的例子包括光、聲波和水波的反射。

在光學方面，無論是漫反射還是鏡面反射都遵從光的反射定律，即在反射現象中，反射光線，入射光線，法線在同一平面內，反射角等於入射角，反射光線與入射光線分居法線兩側。平面鏡成像就是光的反射造成的。

在聲學方面，反射會引起回聲，這在聲納上得到很好應用。在地質學方面，研究地震波時，反射是十分重要的部分，通過對次聲波的檢測以研究地震與海嘯。反射可以在水體的面波上被觀察到，也可以在包括可見光和紅外光在內的多種電磁波上被觀測到。甚高頻以及更高頻的波的反射對於無線電傳輸和雷達十分重要。甚至硬X射線和伽馬射線在角度較淺時，也可以被「擦邊」鏡反射。

## 光的反射

光的反射可以是鏡面反射（如同鏡子）或漫反射（保留了能量，但丟失了像，但仍遵從反射定律），取決於界面性質。

一面鏡子就可以提供光的鏡面反射的最常見模型，鏡子往往由一塊有著金屬塗層的薄玻璃板組成，而這金屬塗層才是反射實際發生的地方。反射在金屬中會增強，因為金屬對於超出它們集膚深度的波能起到抑制傳播的作用。反射同樣能在透明介質的界面上發生，例如水和玻璃。

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在示意圖中，一束光線$PO$在點$O$處射到了一面豎直鏡子上，反射光線是$OQ$。在點$O$處作出一條假想的與鏡面垂直的直線，叫做法線(normal)。有了法線，我們可以測量出入射角 $\theta_i$，和反射角 $\theta_r$。反射定律表述為$\theta_r=\theta_i$，換句話說，反射角等於入射角，同時反射光線，入射光線，法線在同一平面內，反射光線與入射光線分局法線兩側。

事實上，只要光從一個有著特定折射率的介質傳播進入一個有著不同折射率的介質，光的反射就會發生。在絕大多數情況下，只有一部分光會從界面反射，餘下的則會折射。通過解在一束光線射到一個界面上的情況下的麥克斯韋方程組，派生出了菲涅耳方程組，用它可以預測在特定情況下，多少光發生反射和多少光發生折射。這與阻抗失配在一個電迴路中引起信號反射的方式類似。當光從光密介質入射時，如果入射角大於臨界角，全內反射就會發生。

全內反射被用來使波集中，此時用一般方法不能將波有效地反射。X射線望遠鏡是通過為波創造一個輻輳「軌道」來建造的。波以低角度與這個軌道的表面相互作用，與此同時，它們也就朝著目標點反射（或是朝著與軌道表面的另一個相互作用點，最終被導向位於目的地的探測器）。普通的反光體此時無法發揮作用，因為X射線會輕易穿過設計好的反光體。

當光反射離開一個比外部介質更密（折射率更高）的材料時，它會經受一次極性倒轉。反之，一個更疏、折射率更低的材料會使光同相位反射。這在薄膜光學領域中是一個重要法則。

鏡面反射會形成圖像。平坦表面上的反射形成的是鏡像，它看起來是左右顛倒的，因為我們會把我們看到的圖像，與我們在轉到圖像的位置後的所見作比較。在彎曲表面上的鏡面反射會形成一個放大或縮小的圖像；曲面鏡擁有光學倍率。像這樣的鏡子可能會有著球形或是拋物面形的表面。

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### 反射定律

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如果反射的表面非常光滑，光發生的反射就被稱作鏡面反射或單向反射。無論鏡面反射還是漫反射都遵從反射定律，反射定律如下：

- 反射光線、入射光線和反射面在反射發生處的法線位於同一個平面。
- 反射角等於入射角
- 反射光線和入射光線處在法線的相對兩邊。

這三條定律全部可以由菲涅爾方程組導出。

#### 機制

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在經典電動力學中，光被看作一種電磁波，一種通過麥克斯韋方程組描述的波。射到材料上的入射光導致了單個原子極化的微小振動（若是金屬材料，則是電子的振動），造成了每一個粒子都向四面八方輻射出微弱的次級波，就像一個偶極子天線。根據惠更斯－菲涅耳原理，所有這些波加起來就給出了鏡面反射和折射。

對於像玻璃這樣的介電質，光的電場影響了材料裡的電子，這些移動的電子形成了場並變成新的輻射體。玻璃中的折射光是向前的輻射與入射光的聯合。反射光是所有電子產生的向後的輻射的聯合。

在金屬中，沒有結合能的電子被稱作自由電子。當這些電子隨著入射光振動時，它們的輻射的場和入射光的場之間的相位差是$\pi$(180°)，所以向前的輻射終止了入射光，而向後的輻射就是反射光。

在光量子方面的光-物質相互作用是量子電動力學的話題，詳細的描述在理察·費曼的暢銷書QED：光和物質的奇妙理論中有所提及。

### 漫反射

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當光射到一個（非金屬的）材料表面上時，它會向各個方向彈離，這是因為材料內部極小的不規則（例如，多晶材料的晶粒邊界，有機材料的細胞或纖維邊界），或是因為材料的表面粗糙，因而發生了繁多的反射造成的。因此，不會形成「圖像」。這被稱作漫反射。反射的確切的樣子取決於材料的結構。漫反射的一個普通的模型是朗伯反射率，此時光在各個方向以相同的亮度（光度學上）或輻射率（輻射度學上）進行反射，這在朗伯餘弦定律中有描述。

大多數物體發送到我們眼中的光，都是由於它們表面發生了漫反射，所以這便是我們進行肉眼觀察的主要機制。

註：漫反射時仍遵循反射定律

### 逆反射

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有些表面會展示出逆反射。這些表面的結構使之將光向射入的方向反射。

當飛過被太陽光照亮的雲層時，飛行器的陰影周圍的區域看起來更亮，相似的效果也會出現在草的露珠上。這種不完整的逆反射的產生，是因為水滴的彎曲表面具有折射的特性，而水滴的後邊具有反射的特性。

一些動物的視網膜起到了逆反射器的作用，這有效地提高了動物的夜視能力。因為它們眼中的許多透鏡往復地改變進出的光線的路徑，眼睛就有了強的逆反射器一樣的效果，所以當它們晚上在荒地上行走時，有時會看到它們的眼睛會發光。

將三面平常的鏡子兩兩垂直地放置，就製成了一個簡單的逆反射器（角反射器）。形成的圖像與單面鏡子所成的相反。在一個表面上放一層微小的具有折射能力的球，或創造一些金字塔形的結構，就可以讓一個表面具有一部分的逆反射特性。在這兩種情況下，內部的反射造成光向它發源的地方反射回去。這被用來使交通標誌和汽車牌照能基本上將光反射回它射來的地方。在這種應用中，完美的逆反射並不是想要的，因為這樣的話，光就會徑直地向駛來的車的車燈射去，而不是射入司機的眼睛。

### 多重反射

當光從一面鏡子反射出來，一個圖像就會出現。兩面精確面對面的鏡子，就會顯出一條直線上有無窮多個圖像的樣子。如果兩面鏡子成一定角度，在它們之間看到的多重圖像就會位於一個圓上。那個圓的圓心位於鏡子假想的相交處。四面鏡子面對面排成方形，就會顯出無窮多個圖像排列在一個平面內的樣子。如果每對鏡子彼此都成一定角度，組成一個金字塔，那麼在它們之間看到的多重圖像就會位於一個球上。如果金字塔的底部是矩形，圖像就會遍布一段環面。

注意這些都是在理想狀況下的完美模型，需要把絕對光滑、絕對平坦、不吸收任何光的完美反射器完美地校準。實際中，這些情形只能去趨近卻不能去達到，因為反射器表面的任何瑕疵造成的影響都會增加、放大，而對光的吸收會逐漸使圖像黯淡、消失，而且所有的觀測設備（生物的或技術的）都會有干擾。

### 複雜共軛反射

在這個過程中（也被理解為相位共軛），由於經過非線性的光學處理，光精確地向射來的方向反射回去。不僅光的方向顛倒了，而且實際的波陣面也被顛倒了。共軛反射器可以將光線反射，並使反射光再次通過有像差的光學儀器，因此可以用來消除像差。

## 其他類型的反射

### 中子反射

能反射中子的材料，例如鈹，被用於核反應堆和核武器。在物理和生物科學中，將材料的原子中的中子反射出來普遍用於測定材料內部結構。

### 聲反射

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當縱向的聲波射到一個平坦表面上時，聲音以一種連貫的方式反射，由反射面的大小與聲音的波長相比有多大來提供。注意可聽聲的頻率範圍廣泛（從20赫茲到大約17000赫茲），於是波長範圍也很廣泛（從大約20毫米到17米）。因此反射的總體特性會根據表面的質地和結構而變化。例如，多孔的材料會吸收一些能量，而粗糙（相對于波長而言）的材料往往向多方向反射——將能量擴散而不是協調一致地反射。這就引入了建築聲學的領域，因為這些反射的特性對於一個空間的聽覺感受來說是挑剔的。在外部噪聲控制的理論中，通過將一部分聲音向相反方向反射，反射表面的大小會從隔音屏障的設想中得到輕微減損。

### 地震反射

由於地震或其他來源（例如爆炸）產生的地震波可能會被地球內部許多地層反射。研究地震引起的波的深度反射，使得地震學家可以測定地球的分層結構。更淺的反射通常被用於反射地震學來研究地球的地殼，尤其用於勘探石油和天然氣儲量。

## 參照

- 增透膜
- 衍射
- 惠更斯－菲涅耳原理
- 負折射
- 海浪
- 反射係數
- 反射率
- 折射
- 斯涅爾定律
- 太陽反輝