La reflexión es el cambio de dirección de un frente de onda en una interfaz entre dos medios diferentes, de modo que el frente de onda regresa al medio del que se originó. Los ejemplos comunes incluyen el reflejo de la luz , el sonido y las ondas de agua . La ley de la reflexión dice que para la reflexión especular (por ejemplo, en un espejo ), el ángulo con el que la onda incide sobre la superficie es igual al ángulo con el que se refleja.
En acústica , la reflexión provoca ecos y se utiliza en sonar . En geología, es importante en el estudio de las ondas sísmicas . La reflexión se observa con ondas superficiales en cuerpos de agua. La reflexión se observa con muchos tipos de ondas electromagnéticas , además de la luz visible . La reflexión de VHF y frecuencias más altas es importante para la transmisión de radio y el radar . Incluso los rayos X duros y los rayos gamma pueden reflejarse en ángulos poco profundos con espejos "rasantes" especiales.
El reflejo de la luz es especular (parecido a un espejo) o difuso (reteniendo la energía , pero perdiendo la imagen), dependiendo de la naturaleza de la interfaz. En la reflexión especular, la fase de las ondas reflejadas depende de la elección del origen de las coordenadas, pero la fase relativa entre las polarizaciones s y p (TE y TM) está fijada por las propiedades de los medios y de la interfaz entre ellos. [1]
Un espejo proporciona el modelo más común para la reflexión especular de la luz y normalmente consiste en una lámina de vidrio con un revestimiento metálico donde se produce la reflexión significativa. La reflexión se ve reforzada en los metales mediante la supresión de la propagación de ondas más allá de la profundidad de su piel . La reflexión también se produce en la superficie de medios transparentes , como el agua o el vidrio .
En el diagrama, un rayo de luz PO incide en un espejo vertical en el punto O y el rayo reflejado es OQ . Proyectando una línea imaginaria a través del punto O perpendicular al espejo, conocida como normal , podemos medir el ángulo de incidencia , θ i y el ángulo de reflexión , θ r . La ley de la reflexión establece que θ i = θ r , o en otras palabras, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
De hecho, la reflexión de la luz puede ocurrir siempre que la luz viaje desde un medio con un índice de refracción determinado a un medio con un índice de refracción diferente. En el caso más general, una determinada fracción de la luz se refleja desde la interfaz y el resto se refracta . Resolver las ecuaciones de Maxwell para un rayo de luz que incide en un límite permite derivar las ecuaciones de Fresnel , que pueden usarse para predecir cuánta luz se refleja y cuánta se refracta en una situación determinada. Esto es análogo a la forma en que el desajuste de impedancias en un circuito eléctrico provoca la reflexión de las señales. La reflexión interna total de la luz desde un medio más denso se produce si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico .
La reflexión interna total se utiliza como medio para enfocar ondas que no pueden reflejarse eficazmente por medios comunes. Los telescopios de rayos X se construyen creando un "túnel" convergente para las ondas. A medida que las ondas interactúan en un ángulo bajo con la superficie de este túnel, se reflejan hacia el punto focal (o hacia otra interacción con la superficie del túnel, y eventualmente se dirigen al detector en el foco). Un reflector convencional sería inútil ya que los rayos X simplemente pasarían a través del reflector previsto.
Cuando la luz se refleja en un material con un índice de refracción más alto que el medio en el que viaja, sufre un cambio de fase de 180° . Por el contrario, cuando la luz se refleja en un material con un índice de refracción más bajo, la luz reflejada está en fase con la luz incidente. Este es un principio importante en el campo de la óptica de película delgada .
La reflexión especular forma imágenes . La reflexión desde una superficie plana forma una imagen especular , que parece estar invertida de izquierda a derecha porque comparamos la imagen que vemos con lo que veríamos si nos giraran a la posición de la imagen. La reflexión especular en una superficie curva forma una imagen que puede ampliarse o demagnificarse; Los espejos curvos tienen potencia óptica . Dichos espejos pueden tener superficies esféricas o parabólicas .
Si la superficie reflectante es muy lisa, la reflexión de la luz que se produce se denomina reflexión especular o regular. Las leyes de la reflexión son las siguientes:
Estas tres leyes pueden derivarse de las ecuaciones de Fresnel .
En la electrodinámica clásica , la luz se considera una onda electromagnética, que se describe mediante las ecuaciones de Maxwell . Las ondas de luz que inciden sobre un material inducen pequeñas oscilaciones de polarización en los átomos individuales (u oscilación de electrones, en los metales), haciendo que cada partícula irradie una pequeña onda secundaria en todas direcciones, como una antena dipolo . Todas estas ondas se suman para dar reflexión y refracción especular, según el principio de Huygens-Fresnel .
En el caso de dieléctricos como el vidrio, el campo eléctrico de la luz actúa sobre los electrones del material, y los electrones en movimiento generan campos y se convierten en nuevos radiadores. La luz refractada en el vidrio es la combinación de la radiación directa de los electrones y la luz incidente. La luz reflejada es la combinación de la radiación hacia atrás de todos los electrones.
En los metales, los electrones que no tienen energía de enlace se denominan electrones libres. Cuando estos electrones oscilan con la luz incidente, la diferencia de fase entre su campo de radiación y el campo incidente es π (180°), por lo que la radiación hacia adelante cancela la luz incidente y la radiación hacia atrás es solo la luz reflejada.
La interacción luz-materia en términos de fotones es un tema de electrodinámica cuántica y Richard Feynman la describe en detalle en su popular libro QED: The Strange Theory of Light and Matter .
Cuando la luz incide en la superficie de un material (no metálico), rebota en todas direcciones debido a múltiples reflejos de las irregularidades microscópicas dentro del material (por ejemplo, los límites de los granos de un material policristalino , o los límites de las células o fibras de un material orgánico). ) y por su superficie, si es rugosa. Por tanto, no se forma una "imagen". Esto se llama reflexión difusa . La forma exacta de la reflexión depende de la estructura del material. Un modelo común de reflexión difusa es la reflectancia lambertiana , en la que la luz se refleja con igual luminancia (en fotometría) o radiancia (en radiometría) en todas las direcciones, según lo define la ley del coseno de Lambert .
La luz enviada a nuestros ojos por la mayoría de los objetos que vemos se debe a la reflexión difusa de su superficie, por lo que este es nuestro principal mecanismo de observación física. [2]
Algunas superficies exhiben retrorreflexión . La estructura de estas superficies es tal que la luz regresa en la dirección de donde vino.
Al volar sobre nubes iluminadas por la luz solar, la región que se ve alrededor de la sombra del avión aparecerá más brillante, y se puede observar un efecto similar con el rocío sobre la hierba. Esta retrorreflexión parcial es creada por las propiedades refractivas de la superficie curva de la gota y las propiedades reflectantes en la parte posterior de la gota.
Las retinas de algunos animales actúan como retrorreflectores (ver tapetum lucidum para más detalles), ya que esto mejora efectivamente la visión nocturna de los animales. Dado que las lentes de sus ojos modifican recíprocamente las trayectorias de la luz entrante y saliente, el efecto es que los ojos actúan como un potente retrorreflector, que a veces se ve de noche cuando se camina por zonas silvestres con una linterna.
Se puede fabricar un retrorreflector sencillo colocando tres espejos ordinarios perpendiculares entre sí (un reflector de esquina ). La imagen producida es la inversa de la producida por un solo espejo. Una superficie puede volverse parcialmente retrorreflectante depositando una capa de pequeñas esferas refractivas sobre ella o creando pequeñas estructuras en forma de pirámide. En ambos casos, la reflexión interna hace que la luz se refleje de regreso al lugar donde se originó. Esto se utiliza para hacer que las señales de tráfico y las placas de los automóviles reflejen la luz principalmente en la dirección de donde proviene. En esta aplicación no se desea una retrorreflexión perfecta, ya que la luz se dirigiría de nuevo a los faros de un coche que se aproxima en sentido contrario en lugar de a los ojos del conductor.
Cuando la luz se refleja en un espejo , aparece una imagen. Dos espejos colocados exactamente frente a frente dan la apariencia de un número infinito de imágenes a lo largo de una línea recta. Las múltiples imágenes que se ven entre dos espejos que se encuentran en ángulo entre sí se encuentran sobre un círculo. [3] El centro de ese círculo está ubicado en la intersección imaginaria de los espejos. Un cuadrado de cuatro espejos colocados frente a frente dan la apariencia de un número infinito de imágenes dispuestas en un plano. Las múltiples imágenes vistas entre cuatro espejos que forman una pirámide, en la que cada par de espejos se encuentran formando un ángulo entre sí, se encuentran sobre una esfera. Si la base de la pirámide tiene forma de rectángulo, las imágenes se extienden sobre una sección de un toroide . [4]
Tenga en cuenta que estos son ideales teóricos que requieren una alineación perfecta de reflectores perfectamente lisos y perfectamente planos que no absorban nada de la luz. En la práctica, estas situaciones sólo pueden abordarse pero no lograrse porque los efectos de cualquier imperfección superficial en los reflectores se propagan y magnifican, la absorción extingue gradualmente la imagen y cualquier equipo de observación (biológico o tecnológico) interferirá.
En este proceso (que también se conoce como conjugación de fases), la luz rebota exactamente en la dirección de donde vino debido a un proceso óptico no lineal. No sólo se invierte la dirección de la luz, sino que también se invierten los frentes de onda reales. Se puede utilizar un reflector conjugado para eliminar las aberraciones de un haz reflejándolo y luego pasando el reflejo a través de la óptica aberrante por segunda vez. Si uno mirara en un espejo conjugador complejo, sería negro porque sólo los fotones que salieran de la pupila llegarían a ella.
Los materiales que reflejan neutrones , por ejemplo el berilio , se utilizan en reactores nucleares y armas nucleares . En las ciencias físicas y biológicas, el reflejo de los neutrones en los átomos dentro de un material se usa comúnmente para determinar la estructura interna del material.
Cuando una onda sonora longitudinal golpea una superficie plana, el sonido se refleja de manera coherente siempre que la dimensión de la superficie reflectante sea grande en comparación con la longitud de onda del sonido. Tenga en cuenta que el sonido audible tiene un rango de frecuencia muy amplio (de 20 a aproximadamente 17 000 Hz) y, por lo tanto, un rango muy amplio de longitudes de onda (de aproximadamente 20 mm a 17 m). Como resultado, la naturaleza general del reflejo varía según la textura y estructura de la superficie. Por ejemplo, los materiales porosos absorberán algo de energía, y los materiales rugosos (donde lo rugoso es relativo a la longitud de onda) tienden a reflejarse en muchas direcciones: dispersar la energía, en lugar de reflejarla de manera coherente. Esto lleva al campo de la acústica arquitectónica , porque la naturaleza de estos reflejos es fundamental para la sensación auditiva de un espacio. En la teoría de la mitigación del ruido exterior , el tamaño de la superficie reflectante resta valor al concepto de barrera contra el ruido al reflejar parte del sonido en la dirección opuesta. La reflexión del sonido puede afectar el espacio acústico .
Las ondas sísmicas producidas por terremotos u otras fuentes (como explosiones ) pueden reflejarse en capas dentro de la Tierra . El estudio de los reflejos profundos de las ondas generadas por los terremotos ha permitido a los sismólogos determinar la estructura en capas de la Tierra . Las reflexiones menos profundas se utilizan en sismología de reflexión para estudiar la corteza terrestre en general y, en particular, para buscar depósitos de petróleo y gas natural .
