การสะท้อน (ฟิสิกส์)

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
การสะท้อนสองต่อ: ภาพของดวงอาทิตย์เกิดการสะท้อนบนผิวน้ำซื่งสะท้อนต่อที่ใบพาย

การสะท้อน (อังกฤษ: reflection)) หมายการเปลี่ยนแปลงทิศทางของหน้าคลื่นที่รอยต่อของตัวกลางสองชนิดและทำให้หน้าคลื่นหันกลับไปยังฝั่งของตัวกลางชนิดแรก ตัวอย่างเช่น การสะท้อนของแสง คลื่นน้ำ คลื่นเสียง โดยอยู่ภายใต้ กฎการสะท้อน ที่กล่าวว่า ที่พื้นผิวใดๆ มุมตกกระทบ (θi) จะมีค่าเท่ากับมุมสะท้อน (θr) ณ จุดที่เกิดการสะท้อนนั้น กระจกเงาเป็นตัวอย่างหนึ่งของการสะท้อนที่เป็นระเบียบของแสง

สำหรับการสะท้อนของคลื่นเสียงทำให้เกิดการกังวานของเสียง ซึ่งเป็นหลักการสำคัญที่ใช้ในระบบวิเคราะห์ตำแหน่งของวัตถุในลักษณะเดียวกับค้างคาว ในทางธรณีวิทยา การสะท้อนของคลื่นมีส่วนสำคัญในการศึกษาคลื่นไหวสะเทือน การสะท้อนของคลื่นยังสามารถพบเห็นได้ในคลื่นน้ำ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การสะท้อนมีความสำคัญในระบบโทรคมนาคม ติดต่อ สื่อสารผ่านคลื่นวิทยุ และสำหรับการสำรวจด้วยเรดาร์

การสะท้อนของแสง[แก้]

บนกระจกเงา มุมตก (θi) จะทำมุมกับ normal เท่ากับมุมสะท้อน (θr)

แสงอาจเกิดการสะท้อนสมบูรณ์ (specular reflection) เช่นการสะท้อนผ่านกระจกเงา หรือสะท้อนไม่สมบูรณ์ (diffuse reflection) ซึ่งสูญเสียภาพเชิงฟิสิกส์แต่อนุรักษ์พลังงาน ขึ้นกับชนิดของตัวกลางทึบแสงซึ่งแสงเกิดการสะท้อน

กระจกเงาเป็นตัวอย่างที่สำคัญในการสะท้อนที่สมบูรณ์ กระจกเงาประกอบด้วยแผ่นแก้วที่ฉาบด้วยโลหะ ที่พื้นผิวโลหะที่ฉาบบนแผ่นแก้วนี้เองที่เกิดการสะท้อนของแสง การสะท้อนของแสงยังอาจเกิดได้กับพื้นผิวประเภทโปร่งแสงเช่น การสะท้อนของแสงบนผิวน้ำ หรือกระจกใส

ในแผนภาพทางด้านซ้ายมือ รังสีตกกระทบ PO ตกสู่กระจกเงาที่จุด O และสะท้อนออกเกิดเป็นรังสีสะท้อน OQ เส้นตั้งฉากกับพื้นผิวสะท้อน (กระจกเงา) มีชื่อเรียกว่าเส้นปกติหรือเส้นตั้งฉาก มุมตกกระทบ 'θi คือมุมที่วัดจากรังสีตกกระทบสู่เส้นตั้งฉาก ในทำนองเดียวกันมุมสะท้อน 'θr คือมุมที่เกิดจากรังสีสะท้อนตัดกับเส้นตั้งฉาก

ในธรรมชาติ การสะท้อนของแสงเกิดขึ้นที่ทุกพื้นผิวสัมผัสระหว่างตัวกลางสองชนิดที่มีดัชนีการหักเหแสงที่แตกต่างกัน กล่าวคือ การสะท้อนของแสงผ่านกระจกเงาก็คือการสะท้อนของแสงที่ผิวสัมผัสระหว่างแก้วกับโลหะที่ฉาบไว้ ในขณะที่การสะท้อนบนผิวน้ำก็คือการสะท้อนที่เกิดขึ้นที่ผิวสัมผัสระหว่างน้ำกับอากาศ โดยทั่วไปแสงส่วนหนึ่งจะเกิดการสะท้อนที่ผิวสัมผัสของวัตถุดังกล่าวและส่วนที่เหลือจะหักเหและเดินทางเข้าสู่ตัวกลางชนิดที่สอง จากสมการของแมกซ์เวลล์ซึ่งใช้อธิบายการเดินทางของแสงที่ผิวสัมผัสของตัวกลาง เราสามารถพิสูจน์ต่อได้เป็นสมการของเฟรชเนลซึ่งใช้คำนวณสัดส่วนปริมาณของคลื่นแสงที่หักเหเข้าสู่ตัวกลางที่สองและปริมาณของคลื่นแสงที่สะท้อนกลับสู่ตัวกลางที่หนึ่ง การสะท้อนกลับหมดของแสงเกิดขึ้นเมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูงไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าโดยมีมุมตกกระทบมากกว่ามุมวิกฤติ

ภาพสะท้อนจากกระจกเงาหรือวัสดุผิวมันอื่นๆ เกิดจากการสะท้อนของแสง ณ ผิววัตถุเหล่านั้น ภาพที่ได้จะมีลักษณะกลับข้างซ้ายขวาหรือที่เรียกว่าปรัศวภาควิโลม[1] (lateral inversion) นอกจากนี้การสะท้อนบนกระจกนูนจะทำให้เกิดภาพที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ในขณะที่การสะท้อนบนกระจกเงาเว้าจะทำให้ภาพที่ได้มีขนาดเล็กกว่าวัตถุ โดยพื้นผิวของกระจกเว้าหรือกระจกนูนเหล่านี้จะมีลักษณะเป็นส่วนหนึ่งของทรงกลมหรือพาราโบลอยด์

กฎการสะท้อน[แก้]

การสะท้อนที่สมบูรณ์เป็นไปตามกฎการสะท้อน

สำหรับวัสดุผิวเรียบ การสะท้อนของแสง (หรือคลื่นอื่น) เกิดขึ้นในลักษณะไม่สมบูรณ์

  1. รังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน เส้นตั้งฉากทั้งหมด ล้วนอยู่ในแนวระนาบเดียวกัน
  2. มุมที่ตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน

กลไกของการสะท้อน[แก้]

จากความรู้เกี่ยวกับทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคลาสสิก แสงถูกจัดให้เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยสมการของแมกซ์เวลล์ ด้วยหลักการนี้สามารถอธิบายกลไกการสะท้อนของแสงได้ กล่าวคือ คลื่นแสงซึ่งตกกระทบลงบนผิวของวัตถุทำให้เกิดการสั่นสะเทือนและเกิดการโพลาไรซ์ในระดับอะตอม (หรือการสั่นของอิเล็กตรอนในกรณีของโลหะ) ซึ่งส่งผลให้อนุภาคเหล่านี้เกิดการแผ่คลื่นทุติยภูมิในทุกทิศทาง ซึ่งทำให้เกิดหลักการของออยเกนส์และเฟรชเนลซึ่งอธิบายว่าคลื่นทุติยภูมิเหล่านี้เองคือการสะท้อนแบบสมบูรณ์กลับสู่ตัวกลางที่หนึ่งและการหักเหเข้าสู่ตัวกลางที่สอง

ในกรณีของฉนวนไฟฟ้าเช่นแก้ว สนามไฟฟ้าจากคลื่นแสงที่เกิดปฏิสัมพันธ์กับอิเล็กตรอนในแก้ว อิเล็กตรอนที่สั่นเหล่านี้สร้างสนามไฟฟ้าขึ้นและกลายเป็นตัวส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การหักเหของแสงในแก้วที่สังเกตได้เป็นคลื่นลัพธ์ที่ได้จากการรวมคลื่นตกกระทบเข้ากับคลื่นที่ปล่อยออกมาจากการสั่นของอนุภาคของแก้วในทิศทางเดียวกันกับคลื่นตกกระทบ ในขณะที่คลื่นจากการสั่นของอนุภาคของแก้วในทิศตรงกันข้ามทำให้เกิดการสะท้อนที่สังเกตได้ การแผ่รังสีของอนุภาคของตัวกลางนี้เกิดขึ้นทั่วไปในแก้วแต่ผลลัพธ์ที่ได้เทียบเท่ากับการสะท้อน ณ พื้นผิวแต่เพียงอย่างเดียว

ในปัจจุบัน แสงถูกอธิบายด้วยหลักการของควอนตัม ซึ่งพิจารณาแสงที่สามารถอยู่ในรูปของอนุภาค ริชาร์ด เฟยน์แมนได้อธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับการสะท้อนของแสงไว้อย่างน่าสนใจในหนังสือ QED: The Strange Theory of Light and Matter

ดูเพิ่ม[แก้]

อ้างอิง[แก้]

  1. ไม่ใช่ศัพท์บัญญัติราชบัณฑิต http://www.eng.chula.ac.th/newsletter/index.php?q=book/export/html/153

แหล่งข้อมูลอื่น[แก้]