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반사(물리학)

Reflection (physics)
거울 호수에 비친 후드산의 모습.

반사는 두 개의 다른 매체 사이의 인터페이스에서의 파면의 방향을 변화시켜 파면이 원래 매체로 되돌아가는 것입니다.일반적인 예로는 빛, 소리, 물의 파동의 반사가 있습니다.반사 법칙에 따르면 거울에 비친 반사(예를 들어 거울에 비친 반사)의 경우 파형이 반사되는 각도와 같습니다.

음향학에서는 반사가 반향을 일으켜 음파탐지기에 사용됩니다.지질학에서는 지진파를 연구하는 데 중요하다.반사는 수역의 표면파와 함께 관찰된다.반사는 가시광선 외에 많은 종류의 전자파로 관찰된다.VHF 이상의 주파수의 반사는 무선 전송과 레이더에 중요하다.심지어 딱딱한 X선과 감마선도 특별한 "그레이징" 거울을 통해 얕은 각도로 반사될 수 있다.

빛의 반사

빛의 반사는 인터페이스의 성질에 따라 경면(거울 모양) 또는 확산(에너지는 유지되지만 이미지는 손실됨) 중 하나입니다.반사 시 반사파의 위상은 좌표의 원점 선택에 따라 달라지지만, s와 p(TE와 TM) 편광 사이의 상대 위상은 매체의 특성과 [1]그 사이의 계면에 의해 고정된다.

거울은 가장 일반적인 반사 모델을 제공하며, 일반적으로 상당한 반사가 발생하는 금속 코팅이 있는 유리 시트로 구성됩니다.금속의 피부 깊이를 넘는 파동 전파를 억제함으로써 반사가 강화됩니다.물이나 유리 같은 투명한 매체의 표면에서도 반사가 발생합니다.

경면 반사도

그림에서 광선 PO는 점 O에 수직거울에 부딪혀 반사선은 OQ이다.거울에 수직인 점 O를 통해 법선이라고 하는 가상의 선을 투영함으로써 입사각 θ와i 반사각 θ를r 측정할 수 있습니다.반사의 법칙은 θi = ,, 즉r 입사각은 반사각과 같다고 말한다.

실제로 빛의 반사는 빛이 주어진 굴절률의 매체에서 다른 굴절률을 가진 매체로 이동할 때마다 발생할 수 있다.가장 일반적인 경우, 빛의 특정 부분은 계면으로부터 반사되고 나머지는 굴절된다.경계에 부딪히는 광선에 대한 맥스웰의 방정식을 풀면 플레넬 방정식을 도출할 수 있는데, 플레넬 방정식은 빛의 양과 주어진 상황에서 얼마나 굴절되는지 예측하는 데 사용될 수 있습니다.이는 전기회로의 임피던스 미스매치가 신호의 반사를 일으키는 방식과 유사합니다.입사각이 임계각보다 클 경우 고밀도 매질에서 나오는 빛의 총 내부 반사가 발생한다.

총내부반사는 일반적인 방법으로 효과적으로 반사할 수 없는 파장의 집속수단으로 이용된다.X선 망원경은 파동을 위한 "터널"을 수렴하여 제작됩니다.파동이 이 터널의 표면과 낮은 각도로 상호작용하면 초점 쪽으로 반사된다(또는 터널 표면과의 또 다른 상호작용으로 결국 초점에 있는 검출기로 향한다).기존의 반사체는 X선이 단순히 의도한 반사체를 통과하기 때문에 무용지물이다.

빛이 이동 중인 매질보다 굴절률이 높은 물질에서 반사되면 180°의 위상 편이를 겪습니다.반대로 빛이 굴절률이 낮은 물질에서 반사되면 반사광은 입사광과 위상이 일치한다.이것은 박막광학 분야에서 중요한 원리이다.

경면 반사는 이미지를 형성합니다.평면으로부터의 반사는 거울상을 형성합니다.이거는 왼쪽에서 오른쪽으로 반전된 것처럼 보입니다.이는 우리가 보는 이미지를 우리가 이미지의 위치로 회전했을 때 볼 수 있는 것과 비교하기 때문입니다.곡면에서의 경면 반사는 확대 또는 분해를 할 수 있는 이미지를 형성합니다.곡면 미러는 광학적인 힘을 가집니다.이러한 거울은 구형 또는 포물선 형태의 표면을 가질 수 있다.

두 매체 사이의 계면에서의 빛의 굴절.

반사의 법칙

반사의 법칙의 예
주요 기사:거울 반사

반사면이 매우 매끄럽다면 발생하는 빛의 반사를 경반사 또는 규칙반사라고 합니다.반사의 법칙은 다음과 같습니다.

  1. 입사 광선, 반사 광선 및 입사 지점의 반사 표면에 대한 법선은 동일한 평면에 있다.
  2. 입사 광선이 법선을 이루는 각도는 반사 광선이 같은 법선을 이루는 각도와 같습니다.
  3. 반사 광선과 입사 광선은 법선의 반대편에 있습니다.

이 세 가지 법칙은 모두 프레넬 방정식에서 도출할 수 있습니다.

메커니즘

2D 시뮬레이션: 양자 입자의 반사입니다.흰색 흐림은 측정 시 특정 위치에서 입자를 찾을 확률 분포를 나타냅니다.

고전 전기역학에서 빛은 맥스웰 방정식으로 설명되는 전자파로 간주됩니다.물질에 입사하는 광파는 개별 원자에 작은 편파 진동(또는 금속의 전자 진동)을 유발하여 각 입자가 쌍극자 안테나처럼 모든 방향으로 작은 2차파를 방사하게 합니다.Huygens-Fresnel 원리에 따라 이러한 모든 파동이 합해져 반사 및 굴절을 일으킵니다.

유리와 같은 유전체의 경우 빛의 전계가 재료 중의 전자에 작용하여 움직이는 전자가 자기장을 발생시켜 새로운 방사체가 된다.유리 안의 굴절광은 전자의 전방 방사선과 입사광의 조합입니다.반사된 빛은 모든 전자의 역방사의 조합입니다.

금속에서 결합 에너지가 없는 전자는 자유 전자라고 불립니다.이들 전자가 입사광과 함께 진동할 때 복사영역과 입사영역의 위상차가 θ(180°)이므로 순방향 복사는 입사광을 상쇄하고 역방향 복사는 반사광일 뿐이다.

광자의 관점에서 빛과 물질의 상호작용은 양자 전기역학의 주제이며 리처드 파인만은 그의 유명한 저서 QED에서 자세히 설명합니다. 빛과 물질의 이상한 이론.

확산 반사

고체 표면에 의한 확산 반사를 주는 일반적인 산란 기구
주요 기사: 확산 반사

빛이 (비금속) 물질의 표면에 닿으면 재료 내부의 미세한 불규칙성(예: 다결정 물질의 입자 경계 또는 유기 물질의 세포 또는 섬유 경계)과 표면이 거칠면 여러 반사로 인해 모든 방향으로 튕겨 나간다.따라서 '이미지'는 형성되지 않습니다.이것을 확산 반사라고 합니다.반사의 정확한 형태는 재료의 구조에 따라 달라집니다.확산 반사에 대한 한 가지 일반적인 모델은 램버트의 코사인 법칙에 의해 정의된 것처럼 빛이 모든 방향에서 동일한 휘도(광도 측정) 또는 광도(방사선 측정)로 반사되는 램버트 반사율이다.

우리가 보는 대부분의 물체에 의해 우리 눈에 보내지는 빛은 표면으로부터의 확산 반사에 기인합니다. 그래서 이것이 우리의 주된 물리적 [2]관찰 메커니즘입니다.

역반사

코너 리플렉터의 작동 원리
주요 기사:역반사기

일부 표면은 역반사를 보인다.이러한 표면의 구조는 빛이 온 방향으로 되돌아가는 구조입니다.

햇빛이 비치는 구름 위를 비행할 때 항공기 그림자 주위가 더 밝게 보일 것이며, 풀잎에 맺힌 이슬에서도 비슷한 효과를 볼 수 있을 것이다.이 부분 역반사는 곡면 물방울 표면의 굴절 특성과 물방울 뒷면의 반사 특성에 의해 생성됩니다.

몇몇 동물의 망막은 역반사체 역할을 하는데, 이것은 동물의 야간 시력을 효과적으로 향상시키기 때문입니다.그들의 눈의 렌즈가 들어오는 빛과 나가는 빛의 경로를 상호 수정하기 때문에, 그 효과는 눈이 강한 역반사체 역할을 하는데, 때때로 손전등을 들고 황야를 걸을 때 보입니다.

간단한 역반사기는 3개의 일반 거울을 서로 수직으로 배치함으로써 만들 수 있다(코너 반사기).생성된 이미지는 단일 거울에 의해 생성된 이미지와는 반대입니다.표면 위에 작은 굴절구층을 쌓거나 작은 피라미드 형태의 구조를 만들어 표면을 부분적으로 역반사시킬 수 있다.두 경우 모두 내부 반사가 빛을 원래 위치로 반사시킵니다.이것은 교통 표지판과 자동차 번호판이 빛을 대부분 원래 방향으로 반사시키는 데 사용됩니다.이 응용 프로그램에서는 빛이 운전자의 눈이 아닌 마주 오는 차량의 헤드라이트로 다시 향하기 때문에 완벽한 역반사가 바람직하지 않습니다.

다중 반사

60° 각도의 평면 미러에 다중 반사.

빛이 거울에 반사되면 하나의 이미지가 나타납니다.정확히 마주보고 배치된 두 개의 거울은 일직선을 따라 무한한 수의 이미지를 보여줍니다.서로 비스듬히 놓여 있는 두 개의 거울 사이에 보이는 여러 개의 이미지가 [3]원 위에 놓여 있습니다.그 원의 중심은 거울의 가상의 교차점에 있습니다.4개의 거울이 마주보고 배치된 정사각형은 평면상에 배치된 무한한 수의 이미지를 보여준다.피라미드를 구성하는 네 개의 거울 사이에 보이는 여러 개의 상은 각 한 쌍의 거울이 서로 각도를 이루며 구 위에 놓여 있다.피라미드의 밑부분이 직사각형 모양일 경우, 이미지는 토러스 [4]부분에 걸쳐 퍼집니다.

이것들은 이론적인 이상이며, 빛을 전혀 흡수하지 않는 완벽하게 매끄럽고 평평한 완벽한 반사체의 완벽한 정렬이 필요합니다.실제로 이러한 상황은 접근만 할 수 있지만, 반사체의 표면 결함의 영향이 전파 및 확대되고, 흡수가 이미지를 점차 소멸하며, 관찰 장비(생물학적 또는 기술적)가 간섭하기 때문에 달성할 수 없다.

복소공역반사

이 과정(위상 공역이라고도 함)에서 빛은 비선형 광학 과정으로 인해 정확히 원래 방향으로 되돌아갑니다.빛의 방향이 반전될 뿐만 아니라 실제 파장도 반전된다.공역반사기는 빔을 반사시킨 후 그 반사를 두 번째 이상광학계를 통과시킴으로써 빔에서 이상을 제거하기 위해 사용할 수 있다.복잡한 켤레 거울을 들여다보면, 동공을 떠난 광자만이 동공에 닿기 때문에 검은색일 것이다.

기타 반사 유형

중성자 반사

중성자를 반사하는 물질(예: 베릴륨)은 원자로와 핵무기에 사용된다.물리학과 생물과학에서는 물질의 내부 구조를 결정하기 위해 물질 내의 원자에서 중성자의 반사를 흔히 사용한다.

음향 반사

고주파용 사운드 확산 패널
다음 항목도 참조하십시오.음향 거울

종방향 음파가 평면에 닿으면 반사면의 치수가 음의 파장에 비해 클 경우 음이 일관되게 반사된다.가청음에는 매우 넓은 주파수 범위(20~약 17000Hz)가 있으며, 따라서 매우 넓은 파장 범위(약 20mm~17m)가 있습니다.그 결과 표면의 텍스처나 구조에 따라 반사의 전체적인 성질이 달라진다.예를 들어, 다공질 재료는 에너지를 흡수하고 거친 재료(파장에 비해 거친 재료)는 여러 방향으로 반사하는 경향이 있습니다. 즉, 에너지를 일관성 있게 반사하기보다는 분산시키는 것입니다.이는 건축 음향학 분야로 이어집니다. 왜냐하면 이러한 반사의 특성은 공간의 청각적 느낌에 매우 중요하기 때문입니다.외부 소음 완화 이론에서 반사 표면 크기는 소리의 일부를 반대 방향으로 반사함으로써 소음 장벽의 개념을 약간 약화시킨다.음향 반사는 음향 공간에 영향을 미칠 수 있습니다.

지진 반사

상세정보 : 반사지진학

지진이나 기타 발생원(폭발 등)에 의해 발생하는 지진파는 지구 내의 층에 의해 반사될 수 있다.지진에 의해 발생하는 파도의 깊은 반사에 대한 연구는 지진학자들이 지구의 층상 구조를 결정할 수 있게 해주었다.얕은 곳의 반사는 반사 지진학에서 일반적으로 지구의 지각, 특히 석유와 천연가스 매장량을 조사하기 위해 사용된다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Lekner, John (1987). Theory of Reflection, of Electromagnetic and Particle Waves. Springer. ISBN 9789024734184.
  2. ^ Mandelstam, L.I. (1926). "Light Scattering by Inhomogeneous Media". Zh. Russ. Fiz-Khim. Ova. 58: 381.
  3. ^ M. Iona (1982). "Virtual mirrors". Physics Teacher. 20 (5): 278. Bibcode:1982PhTea..20..278G. doi:10.1119/1.2341067.
  4. ^ I. Moreno (2010). "Output irradiance of tapered lightpipes" (PDF). JOSA A. 27 (9): 1985–1993. Bibcode:2010JOSAA..27.1985M. doi:10.1364/JOSAA.27.001985. PMID 20808406. S2CID 5844431.

외부 링크

Wikimedia Commons에는 Reflection 관련 미디어가 있습니다.
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