Reflexión (física)

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. Algunos ejemplos comunes son la reflexión de la luz , el sonido y las ondas de agua . La ley de la reflexión dice que, en el caso de la reflexión especular (por ejemplo, en un espejo ), el ángulo en el que la onda incide sobre la superficie es igual al ángulo en el que se refleja.

En acústica , la reflexión produce ecos y se utiliza en el sonar . En geología, es importante en el estudio de las ondas sísmicas . La reflexión se observa con las ondas superficiales en los 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 para el radar . Incluso los rayos X y los rayos gamma duros se pueden reflejar en ángulos poco profundos con espejos "rasantes" especiales.

La reflexión de la luz puede ser especular (similar a un espejo) o difusa (retiene la energía , pero pierde 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 coordenadas, pero la fase relativa entre las polarizaciones s y p (TE y TM) está determinada por las propiedades del medio y de la interfaz entre ellas. ^[1]

Un espejo es el modelo más común para la reflexión de la luz especular y, por lo general, consiste en una lámina de vidrio con un revestimiento metálico donde se produce la reflexión significativa. La reflexión se mejora en los metales mediante la supresión de la propagación de ondas más allá de las profundidades superficiales . 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 sobre un espejo vertical en el punto O y el rayo reflejado es OQ . Al proyectar 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 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 viaja desde un medio de un índice de refracción dado a un medio con un índice de refracción diferente. En el caso más general, una cierta 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 la derivación de las ecuaciones de Fresnel , que se pueden usar para predecir qué cantidad de luz se refleja y qué cantidad se refracta en una situación dada. Esto es análogo a la forma en que el desajuste de impedancia en un circuito eléctrico causa la reflexión de señales. La reflexión interna total de la luz desde un medio más denso ocurre si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico .

La reflexión interna total se utiliza como un medio para enfocar las ondas que no se pueden reflejar de manera efectiva 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 de enfoque (o hacia otra interacción con la superficie del túnel, y finalmente 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 desplazamiento 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 la que veríamos si estuviéramos rotados a la posición de la imagen. La reflexión especular en una superficie curva forma una imagen que puede ser ampliada o reducida; 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:

1. El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal a la superficie de reflexión en el punto de incidencia se encuentran en el mismo plano .
2. El ángulo que forma el rayo incidente con la normal es igual al ángulo que forma el rayo reflejado con la misma normal.
3. El rayo reflejado y el rayo incidente están en lados opuestos de la normal.

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 metales), haciendo que cada partícula irradie una pequeña onda secundaria en todas las direcciones, como una antena dipolo . Todas estas ondas se suman para dar lugar a la reflexión y refracción especulares, de acuerdo con 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 inversa de todos los electrones.

En los metales, los electrones sin 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 delante anula la luz incidente y la radiación hacia atrás es simplemente la luz reflejada.

La interacción luz-materia en términos de fotones es un tema de la electrodinámica cuántica , y está descrita en detalle por Richard Feynman en su popular libro QED: La extraña teoría de la luz y la materia .

Cuando la luz incide en la superficie de un material (no metálico), rebota en todas direcciones debido a las múltiples reflexiones de las irregularidades microscópicas del interior del material (por ejemplo, los límites de grano de un material policristalino o los límites de células o fibras de un material orgánico) y de su superficie, si es rugosa. Por tanto, no se forma una "imagen". Esto se denomina reflexión difusa . La forma exacta de la reflexión depende de la estructura del material. Un modelo común para la 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, tal y como define la ley del coseno de Lambert .

La luz que la mayoría de los objetos que vemos envían a nuestros ojos se debe a la reflexión difusa de su superficie, de modo que este es nuestro principal mecanismo de observación física. ^[2]

Algunas superficies presentan 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 del sol, la región que se ve alrededor de la sombra del avión aparecerá más brillante, y se puede ver un efecto similar en el rocío sobre la hierba. Esta retrorreflexión parcial se crea 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 (véase tapetum lucidum para más detalles), ya que esto mejora eficazmente 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 simple 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 se puede hacer parcialmente retrorreflectiva depositando una capa de pequeñas esferas refractivas sobre ella o creando pequeñas estructuras similares a pirámides. En ambos casos, la reflexión interna hace que la luz se refleje de vuelta al lugar donde se originó. Esto se utiliza para hacer que las señales de tráfico y las matrículas de los automóviles reflejen la luz principalmente en la dirección de donde vino. En esta aplicación no se desea una retrorreflexión perfecta, ya que la luz se dirigiría de nuevo a los faros de un coche que viene 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 vistas entre dos espejos que se encuentran en ángulo entre sí se encuentran sobre un círculo. ^[3] El centro de ese círculo se encuentra en la intersección imaginaria de los espejos. Un cuadrado de cuatro espejos colocados frente a frente da 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 encuentra en 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 toro . ^[4]

Hay que tener en cuenta que se trata de ideales teóricos que requieren una alineación perfecta de reflectores perfectamente lisos y planos que no absorban nada de la luz. En la práctica, estas situaciones sólo se pueden alcanzar, pero no se pueden lograr, porque los efectos de las imperfecciones de la superficie de los reflectores se propagan y se 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 la que procede debido a un proceso óptico no lineal. No solo se invierte la dirección de la luz, sino también los frentes de onda reales. Se puede utilizar un reflector conjugado para eliminar las aberraciones de un haz reflejándolo y luego haciendo pasar el reflejo a través de la óptica aberrante una segunda vez. Si uno mirara a través de un espejo conjugado complejo, sería negro porque solo los fotones que salieran de la pupila llegarían a ella.

Los materiales que reflejan neutrones , como el berilio , se utilizan en reactores nucleares y armas nucleares . En las ciencias físicas y biológicas, la reflexión de neutrones de los átomos de un material se utiliza habitualmente para determinar la estructura interna del mismo.

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. Nótese que el sonido audible tiene un rango de frecuencia muy amplio (de 20 a aproximadamente 17000 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 de la reflexión varía según la textura y la estructura de la superficie. Por ejemplo, los materiales porosos absorberán algo de energía, y los materiales rugosos (donde rugosidad es relativa a la longitud de onda) tienden a reflejarse en muchas direcciones, para dispersar la energía, en lugar de reflejarla coherentemente. Esto nos lleva al campo de la acústica arquitectónica , porque la naturaleza de estas reflexiones es crítica para la sensación auditiva de un espacio. En la teoría de la mitigación del ruido exterior , el tamaño de la superficie reflectante resta valor levemente al concepto de barrera acústica 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 las reflexiones profundas de las ondas generadas por terremotos ha permitido a los sismólogos determinar la estructura estratificada de la Tierra . Las reflexiones menos profundas se utilizan en la sismología de reflexión para estudiar la corteza terrestre en general y, en particular, para buscar depósitos de petróleo y gas natural .

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• Reflexión acústica Archivado el 4 de enero de 2019 en Wayback Machine.
• Animaciones que demuestran la reflexión óptica mediante QED
• Simulación sobre las leyes de la reflexión del sonido por la Universidad Amrita