Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Зеркальное отражение волны
Mirror like wave reflection
Зеркальное отражение, или регулярное отражение, — это отражение волн, таких как свет, от поверхности, подобное отражению в зеркале. Закон отражения гласит, что отражённый луч света выходит от отражающей поверхности под тем же углом к нормали поверхности, что и падающий луч, но с противоположной стороны от нормали в плоскости, образованной падающим и отражённым лучами. Это поведение впервые было описано Героем Александрийским (ок. 10–70 гг. н.э.). Позднее Алхазен сформулировал закон отражения в полной мере. Он первым указал на то, что падающий луч, отражённый луч и нормаль к поверхности лежат в одной плоскости, перпендикулярной отражающей плоскости. Зеркальное отражение следует отличать от диффузного отражения, при котором свет рассеивается от поверхности в различных направлениях.
Specular reflection, or regular reflection, is the mirror like reflection of waves, such as light, from a surface. The law of reflection states that a reflected ray of light emerges from the reflecting surface at the same angle to the surface normal as the incident ray, but on the opposing side of the surface normal in the plane formed by the incident and reflected rays. This behavior was first described by Hero of Alexandria (AD c. 10–70). Later, Alhazen gave a complete statement of the law of reflection. He was first to state that the incident ray, the reflected ray, and the normal to the surface all lie in a same plane perpendicular to reflecting plane. Specular reflection may be contrasted with diffuse reflection, in which light is scattered away from the surface in a range of directions.
Закон отражения
Когда свет встречает границу материала, на него воздействуют оптические и электронные характеристики отклика материала на электромагнитные волны. Оптические процессы, включающие отражение и преломление, определяются разностью показателей преломления по обе стороны границы, в то время как отражательная способность и поглощение являются действительной и мнимой частями отклика, обусловленными электронной структурой материала. Степень участия каждого из этих процессов в прохождении света зависит от частоты или длины волны света, его поляризации и угла падения. В общем случае, отражение увеличивается с ростом угла падения и с увеличением поглощающей способности на границе. Уравнения Френеля описывают физику на оптической границе. Отражение может быть зеркальным, или спекулярным, и диффузным. Зеркальное отражение отражает весь свет, приходящий из данного направления под одним и тем же углом, тогда как диффузное отражение рассеивает свет в широком диапазоне направлений. Это различие можно проиллюстрировать на примере поверхностей, покрытых глянцевой и матовой краской. Матовые краски демонстрируют практически полное диффузное отражение, в то время как глянцевые краски имеют большую долю зеркального отражения. Поверхность, состоящая из непоглощающего порошка, например, гипса, может быть почти идеальным рассеивателем, а полированные металлические предметы могут очень эффективно зеркально отражать свет. Отражающий материал зеркал обычно изготавливается из алюминия или серебра. Свет распространяется в пространстве в виде волнового фронта электромагнитных полей. Луч света характеризуется направлением, нормальным к волновому фронту (нормалью к волне). Когда луч встречает поверхность, угол между нормалью к волновому фронту и нормалью к поверхности называется углом падения, а плоскость, определяемая этими двумя направлениями, – плоскостью падения. Отражение падающего луча также происходит в плоскости падения. Закон отражения гласит, что угол отражения равен углу падения, и что падающее направление, нормаль к поверхности и отраженное направление лежат в одной плоскости. Когда свет падает перпендикулярно поверхности, он отражается прямо назад в направлении источника. Явление отражения возникает в результате дифракции плоской волны на плоской границе. Если размер границы значительно превышает длину волны, то электромагнитные поля на границе колеблются строго в фазе только в спекулярном направлении.
When light encounters a boundary of a material, it is affected by the optical and electronic response functions of the material to electromagnetic waves. Optical processes, which comprise reflection and refraction, are expressed by the difference of the refractive index on both sides of the boundary, whereas reflectance and absorption are the real and imaginary parts of the response due to the electronic structure of the material. The degree of participation of each of these processes in the transmission is a function of the frequency, or wavelength, of the light, its polarization, and its angle of incidence. In general, reflection increases with increasing angle of incidence, and with increasing absorptivity at the boundary. The Fresnel equations describe the physics at the optical boundary. Reflection may occur as specular, or mirror like, reflection and diffuse reflection. Specular reflection reflects all light which arrives from a given direction at the same angle, whereas diffuse reflection reflects light in a broad range of directions. The distinction may be illustrated with surfaces coated with glossy paint and matte paint. Matte paints exhibit essentially complete diffuse reflection, while glossy paints show a larger component of specular behavior. A surface built from a non absorbing powder, such as plaster, can be a nearly perfect diffuser, whereas polished metallic objects can specularly reflect light very efficiently. The reflecting material of mirrors is usually aluminum or silver. Light propagates in space as a wave front of electromagnetic fields. A ray of light is characterized by the direction normal to the wave front (wave normal). When a ray encounters a surface, the angle that the wave normal makes with respect to the surface normal is called the angle of incidence and the plane defined by both directions is the plane of incidence. Reflection of the incident ray also occurs in the plane of incidence. The law of reflection states that the angle of reflection of a ray equals the angle of incidence, and that the incident direction, the surface normal, and the reflected direction are coplanar. When the light impinges perpendicularly to the surface, it is reflected straight back in the source direction. The phenomenon of reflection arises from the diffraction of a plane wave on a flat boundary. When the boundary size is much larger than the wavelength, then the electromagnetic fields at the boundary are oscillating exactly in phase only for the specular direction.
Отражаемость
Отражаемость — это отношение мощности отражённой волны к мощности падающей волны. Она является функцией длины волны излучения и связана с показателем преломления материала, как это выражено уравнениями Френеля. В областях электромагнитного спектра, где поглощение материалом существенно, она связана со спектром электронного поглощения через мнимую часть комплексного показателя преломления. Спектр электронного поглощения непрозрачного материала, который сложно или невозможно измерить напрямую, таким образом, может быть косвенно определён из спектра отражения с помощью преобразования Крамерса — Кронига. Поляризация отражённого света зависит от симметрии расположения падающего зондирующего света относительно дипольных моментов поглощающих переходов в материале. Измерение зеркального отражения выполняется с помощью спектрофотометров отражения с нормальным или переменным углом падения (рефлектометров), использующих сканирующий источник света с переменной длиной волны. Менее точные измерения с использованием глянцемера количественно оценивают глянцевитость поверхности в единицах блеска.
Reflectivity is the ratio of the power of the reflected wave to that of the incident wave. It is a function of the wavelength of radiation, and is related to the refractive index of the material as expressed by Fresnel's equations. In regions of the electromagnetic spectrum in which absorption by the material is significant, it is related to the electronic absorption spectrum through the imaginary component of the complex refractive index. The electronic absorption spectrum of an opaque material, which is difficult or impossible to measure directly, may therefore be indirectly determined from the reflection spectrum by a Kramers Kronig transform. The polarization of the reflected light depends on the symmetry of the arrangement of the incident probing light with respect to the absorbing transitions dipole moments in the material. Measurement of specular reflection is performed with normal or varying incidence reflection spectrophotometers (reflectometer) using a scanning variable wavelength light source. Lower quality measurements using a glossmeter quantify the glossy appearance of a surface in gloss units.
Внутреннее отражение
Когда свет распространяется в среде и достигает границы раздела с средой с меньшим показателем преломления, часть света отражается. Если угол падения превышает критический угол, происходит полное внутреннее отражение: весь свет отражается. Критический угол можно определить как:
When light is propagating in a material and strikes an interface with a material of lower index of refraction, some of the light is reflected. If the angle of incidence is greater than the critical angle, total internal reflection occurs: all of the light is reflected. The critical angle can be shown to be given by
Поляризация
Когда свет падает на границу раздела двух сред, отраженный свет обычно частично поляризован. Однако, если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, отраженный свет полностью линейно поляризован параллельно плоскости падения. Угол Брюстера определяется выражением
When light strikes an interface between two materials, the reflected light is generally partially polarized. However, if the light strikes the interface at Brewster's angle, the reflected light is completely linearly polarized parallel to the interface. Brewster's angle is given by
Примеры
Классическим примером зеркального отражения является зеркало, которое специально разработано для этого типа отражения. Помимо видимого света, зеркальное отражение наблюдается при ионосферном отражении радиоволн и отражении радио- или микроволновых радиолокационных сигналов от летающих объектов. Метод измерения рентгеновской отражательной способности использует зеркальное отражение для изучения тонких плёнок и интерфейсов с субнанометровым разрешением, используя современные лабораторные источники или синхротронное рентгеновское излучение. Зеркальное отражение может проявляться и для неэлектромагнитных волн, например, в акустических зеркалах, отражающих звук, и атомных зеркалах, отражающих нейтральные атомы. Для эффективного отражения атомов от твердотельного зеркала используются очень холодные атомы и/или скользящие углы падения, чтобы обеспечить значительное квантовое отражение; для усиления зеркального отражения атомов применяются гребенчатые зеркала. Нейтронная рефлектометрия использует зеркальное отражение для изучения поверхностей материалов и интерфейсов тонких плёнок аналогично рентгеновской рефлектометрии.
A classic example of specular reflection is a mirror, which is specifically designed for specular reflection. In addition to visible light, specular reflection can be observed in the ionospheric reflection of radiowaves and the reflection of radio or microwave radar signals by flying objects. The measurement technique of x ray reflectivity exploits specular reflectivity to study thin films and interfaces with sub nanometer resolution, using either modern laboratory sources or synchrotron x rays. Non electromagnetic waves can also exhibit specular reflection, as in acoustic mirrors which reflect sound, and atomic mirrors, which reflect neutral atoms. For the efficient reflection of atoms from a solid state mirror, very cold atoms and/or grazing incidence are used in order to provide significant quantum reflection; ridged mirrors are used to enhance the specular reflection of atoms. Neutron reflectometry uses specular reflection to study material surfaces and thin film interfaces in an analogous fashion to x ray reflectivity.