Reflectie (straling): verschil tussen versies

Verwijderde inhoud Toegevoegde inhoud

In de regel

Versie van 6 feb 2010 03:57

Reflectie of weerkaatsing van elektromagnetische straling (zoals licht) is het terugkaatsen van straling aan een oppervlak met afwijkende golfimpedantie. De gerichte reflectie van licht wordt een spiegeling genoemd.

Echo

Een echo is een reflectie van een puls, een golf met een korte tijdsduur. Het tijdsverschil tussen het uitzenden van de puls en de ontvangst van de echo is een maat voor de afstand. De richting wordt bepaald door pulsen in verschillende richtingen te sturen. Aangezien de ontvanger en de zender meestal op dezelfde plek zitten is de reflectie loodrecht op het oppervlak het belangrijkst. Dit principe wordt gebruikt bij sonar, radar en echoscopie.

Reflectie van golven

Het terugkaatsen van een golf aan een oppervlak wordt veroorzaakt door de overgang naar een medium met een andere golfweerstand (golfimpedantie). Bij geluid is de golfimpedantie het product van de geluidssnelheid en de dichtheid, bij elektromagnetische straling het quotiënt van het elektrische veld en het magnetische veld. Over het algemeen gaat reflectie gepaard met breking, een gedeelte van de golfenergie gaat over naar het nieuwe medium na het ondergaan van een richtingsverandering (breking), een ander gedeelte wordt teruggekaatst.

De reflecterende laag moet een dikte van enkele golflengtes hebben, omdat de reflectie van fotonen niet plaatsvindt op het oppervlak van het materiaal, maar het gereflecteerde licht de resultante is van trillingen van alle elektronen in het reflecterende materiaal.

De reflectie van licht wordt beschreven in de optica en die van langgolvige straling door de radioelektronica.^[1]

Theoretische benadering

De theoretische benadering is precies dezelfde voor het gehele spectrum van elektromagnetische straling. Uit de vergelijkingen van Maxwell is het mogelijk een brekingsindex af te leiden, en met de wetten van Fresnel, gebaseerd op de brekingsindex (n) kan het aandeel van de gereflecteerde straling worden afgeleid.

Complexe brekingsindex

Absorptie in niet transparante materialen wordt verdisconteerd in een complexe component van de brekingsindex.^[2] Metalen hebben een brekingsindex met een zeer grote complexe component, waardoor ze een zeer groot percentage van de electromagnetische straling weerkaatsen, vandaar het gebruik van metaallaagjes als spiegeloppervlak. Een metaal met een volledig complexe brekingsindex zou al het licht reflecteren, maar in de praktijk heeft een goed aluminium spiegeloppervlak een reflectie van 86%. Voor de reflectie van infrarode straling worden goudoppervlakken gebruikt.

Fresnelvergelijkingen

De Fresnelvergelijkingen zijn afgeleid voor een pure golfbenadering van elektromagnetische straling en zijn bruikbaar voor de meeste praktische doeleinden. Deze vergelijkingen beschrijven zowel reflectie als brekingsverschijnselen. De belangrijkste uitkomsten zijn:

De invallende golf, de teruggekaatste golf en de normaal (de lijn die loodrecht staat op het weerkaatsende oppervlak) bevinden zich in één vlak.
De hoek van de invallende golf met de normaal (invalshoek) is gelijk aan de hoek van de teruggekaatste golf met de normaal (terugkaatsingshoek).
Bij een reflectie in een optisch dichter medium (d.w.z. met grotere golfweerstand) dan het medium achter het reflectieoppervlak (bijv. reflectie in water tegen de grens met lucht) treedt geen faseverschuiving op. Bij een reflectie in een optisch minder dicht medium op het oppervlak van een optisch dichter medium (bijv. reflectie in de lucht op het wateroppervlak) is de fase van de golf 180 graden verschoven.
De terugkaatsing is verschillend voor golven met polarisaties loodrecht op of evenwijdig aan het terugkaatsend oppervlak. Een praktische toepassing is de polaroidbril, die horizontaal gepolariseerde lichtreflecties van een wateroppervlak uitdooft door het filter op de lenzen dat alleen verticaal gepolariseerd licht doorlaat.
Bij loodrechte inval is de reflectie R

R=R_{s}=R_{p}=\left({\frac {n_{1}-n_{2}}{n_{1}+n_{2}}}\right)^{2}

Voor een ideaal reflecterend metaal geldt dan n1 = 1 (vacuüm)en n2 = i (brekingsindex metaal), resultend in R=1.

Kwantummechanische benadering

Strikt genomen is reflectie van elektromagnetische straling geen klassiek golfverschijnsel en wordt de reflectie bepaald door interacties van fotonen met elektronen. Reflectie en breking van elektromagnetische straling zijn resultantes van de interactie van licht met materie en worden ook op deeltjesniveau goed beschreven.kwantumelektrodynamica.^[3]

Vormen van reflectie

Weerspiegeling

Bij een gerichte reflectie verandert de voortplantingsrichting van het golffront wel, maar blijft de golf gebundeld, zoals bij een spiegel. Gerichte reflectie treedt op bij een oppervlak dat glad is ten opzichte van de golflengte van het licht. In de praktijk betekent het dat een spiegel voor licht geen onregelmatigheden groter dan één vierde van een golflengte ( voor licht ~ 0,1 micrometer) mag hebben.

Badkamerspiegels bestaan uit een glazen plaat, aan de achterkant voorzien van een spiegelende laag aluminium, beschermd door lak In het spiegelbeeld zijn voor en achter verwisseld, terwijl links en rechts en onder en boven hetzelfde blijven. Bij spiegels voor telescopen wordt de metaallaag aangebracht op de voorwerpszijde het glas. Dit om geen onnodige extra afbeeldingsfouten te introduceren (chromatische aberratie, dubbele beelden, e.d.).

Dichroïsche spiegels reflecteren alleen licht van één bepaalde golflengte, door interferentie van de reflecterende lagen en worden gebruikt om de kleurcomponenten van het licht in een videocamera te scheiden.

Een gebogen spiegel kan lichtbundels concentreren of spreiden en beelden vergroten of verkleinen. De vergroting berust op het vergroten van de beeldhoek die ons oog bereikt.

Diffuse reflectie

Bij diffuse reflecties is het oppervlak onregelmatig op niveaus rond de golflengte en wordt het golffront onregelmatig waardoor de energie wordt verspreid over een groter oppervlak. Bij volkomen diffuse reflectie is de lichtintensiteit in alle richtingen dezelfde. Een voorbeeld van diffuse reflectie is de reflectie van licht door een wit vel papier. Bij veel oppervlakken is er sprake van een combinatie van gerichte en diffuse reflectie. In de praktijk is dit belangrijk voor verven (glans of mat) en computeranimaties (raytracing).

Meervoudige reflectie

Vaak treedt ook meervoudige interne en externe reflectie op, zoals in sneeuw en wolken, resulterend in een diffuse reflectie.

Totale interne reflectie

Volledige reflectie treedt op bij de overgang van een optisch dichter medium naar een optisch minder dicht medium (bijv. van glas naar lucht of van van water naar lucht), als de invalshoek (hoek tussen het reflecterend oppervlak en de lichtstraal^[4]) kleiner is dan een bepaalde grenswaarde, de Brewsterhoek. Bij een grotere invalshoek wordt een gedeelte van het licht gebroken. In omgekeerde richting is geen volledige reflectie mogelijk.

De meest bekende toepassing van volledige reflectie is een prismakijker, de prisma's weerkaatsen het licht onder een hoek van 45 graden. Volledige reflectie is zeer belangrijk voor de datatransmissie in glasvezels. Het licht kan door de lage invalshoeken nooit uit de glasvezel ontsnappen, die is omringd met een medium met lagere brekingsindex.

Retroreflectie

Retroreflectie is een gerichte reflectie waar alle invallende golven worden teruggekaatst parallel en tegengesteld aan de invalsrichting. Het is een combinatie van twee reflecties aan twee oppervlakken die loodrecht op elkaar staan. Een eenvoudige retroreflector kan worden gemaakt door drie gewone spiegels loodrecht ten opzichte van elkaar te plaatsen.

Een oppervlak kan sterk retroreflecterende eigenschappen krijgen door er een laagje reflecterende bolletjes of piramiden op aan te brengen. Door inwendige weerkaatsing wordt de golf min of meer teruggekaatst naar waar deze vandaan kwam. Dit wordt onder andere gebruikt voor reflecterende verkeersborden en voor reflecterende strips op kleding en politieauto's (BZK-striping). Volledige retroreflectie is hier niet gewenst omdat het licht dan zou worden teruggekaatst naar de koplampen in plaats van naar de ogen van de bestuurder.

Verminderen van reflectie

Ontspiegeling

In lenzenstelsels en brilleglazen zijn reflecties ongewenst. Ze kunnen voor een groot gedeelte worden onderdrukt door antireflectiecoatings. Het principe van de coatings is dat de coatings ervoor zorgen dat de gereflecteerde lichtstralen bij het voor en achteroppervlak van de coating elkaar door interferentie uitdoven en de doorgelaten stralen elkaar versterken door positieve interferentie. Een probleem is dat het voor verschillende golflengtes en hoeken van inval moet werken, waardoor er vaak kleureffecten optreden.

Stealth

Reflectie van radarstraling is ongewenst omdat dit de positie van bijv. vliegtuigen of schepen verraadt aan de vijand. Om detectie te voorkomen wordt stealthtechnologie gebruikt. De reflectie wordt verminderd door de radargolven zoveel mogelijk te absorberen en de resterende radargolven worden zoveel mogelijk gereflecteerd in een andere richting dan waar ze vandaan komen.

Zie ook

Noten en Referenties

↑ Ultraviolette straling wordt als snel geadsorbeerd door gassen en glas, omdat de energie van de straling en de electronenovergangen overeenkomt. Zeer harde straling als röntgenstraling wordt nauwelijks gereflecteerd, maar door de invalshoek zeer laag te houden en gebruikmakend van totale interne reflectie kan de straling die in een röntgentelescoop valt toch in een detector geconcentreerd worden.
↑ De reflectie wordt bij lichtabsorbtie sterker afhankelijk van de polarisatie en er treedt geen totale interne reflectie meer op.
↑ '. ISBN 978 90 683 40372. Kan Sjabloon:Citeer boek niet gebruiken, vanwege ontbrekende parameter titel. Een voor de niet wiskundig onderlegde lezer toegankelijke uitleg over de benadering van reflectie.
↑ De invalshoek wordt ook vaak als de afwijking met de normaal van het oppervlak beschouwd, lees in dat geval grotere invalshoek in plaats van kleinere invalshoek. Op deze wijze gedefinieerd kan de invalshoek slechts variëren tussen de 0 en de 90 graden.

Zie de categorie Reflections van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.

[1] Ultraviolette straling wordt als snel geadsorbeerd door gassen en glas, omdat de energie van de straling en de electronenovergangen overeenkomt. Zeer harde straling als röntgenstraling wordt nauwelijks gereflecteerd, maar door de invalshoek zeer laag te houden en gebruikmakend van totale interne reflectie kan de straling die in een röntgentelescoop valt toch in een detector geconcentreerd worden.

[2] De reflectie wordt bij lichtabsorbtie sterker afhankelijk van de polarisatie en er treedt geen totale interne reflectie meer op.

[3] '. ISBN 978 90 683 40372. Kan Sjabloon:Citeer boek niet gebruiken, vanwege ontbrekende parameter titel. Een voor de niet wiskundig onderlegde lezer toegankelijke uitleg over de benadering van reflectie.

[4] De invalshoek wordt ook vaak als de afwijking met de normaal van het oppervlak beschouwd, lees in dat geval grotere invalshoek in plaats van kleinere invalshoek. Op deze wijze gedefinieerd kan de invalshoek slechts variëren tussen de 0 en de 90 graden.

[1]

[2]

[3]

[4]

@@ Regel 27: / Regel 27: @@
 *Bij loodrechte inval is de reflectie R
 :<math>R = R_s = R_p = \left( \frac{n_1 - n_2}{n_1 + n_2} \right)^2</math>
-Voor een ideaal reflecterend metaal geldt dan n1 = 1 (vacuum)en n2 = i (brekingsindex metaal), resultend in R=1.
+Voor een ideaal reflecterend metaal geldt dan n1 = 1 (vacuüm)en n2 = i (brekingsindex metaal), resultend in R=1.
 === Kwantummechanische benadering ===