Yansıma
| |
| Optik | |
| Işığın doğası | |
|---|---|
| Işık | |
| Işık hızı | |
| Huygens-Fresnel ilkesi | |
| Fermat ilkesi | |
| Optik aygıtlar | |
| Ayna | |
| Mercek | |
| Prizma | |
| Büyüteç | |
| Kamera | |
| Mikroskop | |
| Teleskop | |
| Lazer | |
| Göz | |
| Olaylar | |
| Yansıma | |
| Tam yansıma | |
| Kırılma | |
| Saçılma | |
| Girişim | |
| Kırınım | |
| Polarizasyon | |
Yansıma, homojen bir ortam içerisinde dalgaların yansıtıcı bir yüzeye çarparak yön ve doğrultu değiştirip geldiği ortama geri dönmesi olayına denir. Yansımanın genel örnekleri ışık, ses ve su dalgalarıdır. Düzlem aynalarda yansıma, saydam ortamda hareket eden ışığın herhangi bir yüzeye çarpıp geri dönmesi olayıdır. Yansıma olayında ışığın hızı, frekansı, rengi yani hiçbir özelliği değişmez. Sadece hareket yönü değişir. ⓘ
Ses biliminde (akustik) yansıma, ekonun oluşumuna neden olur ve bu da sonar cihazlarında kullanılır. Jeoloji alanında sismik dalgaların çalışılması için oldukça önemlidir. Yansıma su kütlelerindeki yüzey dalgaları ile gözlemlenmektedir. Ayrıca yansıma değişik türlerdeki elektromanyetik dalgalar ile de izlenmektedir. ⓘ
Işık yansıması
Işığın yansıması, arayüzeyin doğasına bağlı olarak ya speküler (ayna benzeri) ya da difüz (enerjiyi koruyan, ancak görüntüyü kaybeden) olur. Speküler yansımada, yansıyan dalgaların fazı koordinatların orijininin seçimine bağlıdır, ancak s ve p (TE ve TM) polarizasyonları arasındaki göreceli faz, ortamın ve aralarındaki arayüzeyin özellikleri tarafından sabitlenir. ⓘ
Bir ayna, speküler ışık yansıması için en yaygın modeli sağlar ve tipik olarak önemli yansımanın meydana geldiği metalik bir kaplamaya sahip bir cam tabakadan oluşur. Yansıma, metallerde dalga yayılımının deri derinliklerinin ötesinde bastırılmasıyla artar. Yansıma ayrıca su veya cam gibi saydam ortamların yüzeyinde de meydana gelir. ⓘ
Diyagramda, bir PO ışık ışını O noktasında dikey bir aynaya çarpmaktadır ve yansıyan ışın OQ'dur. O noktasından geçen ve normal olarak bilinen hayali bir doğruyu aynaya dik olarak yansıtarak, geliş açısını, θi ve yansıma açısını, θr, ölçebiliriz. Yansıma yasası, θi = θr veya başka bir deyişle, geliş açısının yansıma açısına eşit olduğunu belirtir. ⓘ
Aslında, ışık belirli bir kırılma indisine sahip bir ortamdan farklı bir kırılma indisine sahip bir ortama geçtiğinde ışığın yansıması meydana gelebilir. En genel durumda, ışığın belirli bir kısmı arayüzeyden yansır ve geri kalanı kırılır. Bir sınıra çarpan bir ışık ışını için Maxwell denklemlerinin çözülmesi, belirli bir durumda ışığın ne kadarının yansıtıldığını ve ne kadarının kırıldığını tahmin etmek için kullanılabilecek Fresnel denklemlerinin türetilmesini sağlar. Bu, bir elektrik devresindeki empedans uyumsuzluğunun sinyallerin yansımasına neden olmasına benzer. Daha yoğun bir ortamdan gelen ışığın toplam iç yansıması, geliş açısı kritik açıdan büyükse meydana gelir. ⓘ
Toplam iç yansıma, genel yöntemlerle etkili bir şekilde yansıtılamayan dalgaları odaklamak için bir araç olarak kullanılır. X-ışını teleskopları, dalgalar için yakınsak bir "tünel" oluşturularak inşa edilir. Dalgalar bu tünelin yüzeyiyle düşük açıyla etkileşime girdikçe odak noktasına doğru yansıtılırlar (ya da tünel yüzeyiyle başka bir etkileşime girerek sonunda odak noktasındaki dedektöre yönlendirilirler). X-ışınları hedeflenen yansıtıcıdan geçeceği için geleneksel bir yansıtıcı işe yaramaz. ⓘ
Işık, içinde hareket ettiği ortamdan daha yüksek kırılma indisine sahip bir malzemeden yansıdığında 180° faz kaymasına uğrar. Bunun aksine, ışık daha düşük kırılma indisine sahip bir malzemeden yansıdığında, yansıyan ışık gelen ışıkla aynı fazda olur. Bu, ince film optiği alanında önemli bir ilkedir. ⓘ
Speküler yansıma görüntü oluşturur. Düz bir yüzeyden yansıma, soldan sağa doğru tersine çevrilmiş gibi görünen bir ayna görüntüsü oluşturur, çünkü gördüğümüz görüntüyü, görüntünün konumuna döndürüldüğümüzde göreceğimiz görüntü ile karşılaştırırız. Kavisli bir yüzeydeki speküler yansıma, büyütülebilen veya küçültülebilen bir görüntü oluşturur; kavisli aynalar optik güce sahiptir. Bu tür aynalar küresel veya parabolik yüzeylere sahip olabilir. ⓘ
Yansıma kanunları
Yansıtıcı yüzey çok düzgünse, meydana gelen ışık yansımasına speküler veya düzenli yansıma denir. Yansıma yasaları aşağıdaki gibidir:
- Gelen ışın, yansıyan ışın ve ışığın geldiği noktada yansıyan yüzeyin normali aynı düzlemde yer alır.
- Gelen ışının normalle yaptığı açı, yansıyan ışının aynı normalle yaptığı açıya eşittir.
- Yansıyan ışın ve gelen ışın normalin zıt taraflarındadır. ⓘ
Bu üç yasanın hepsi Fresnel denklemlerinden türetilebilir. ⓘ
Mekanizma
Klasik elektrodinamikte ışık, Maxwell denklemleri ile tanımlanan bir elektromanyetik dalga olarak kabul edilir. Bir malzemeye gelen ışık dalgaları, tek tek atomlarda küçük kutuplaşma salınımlarına (veya metallerde elektronların salınımına) neden olarak, her parçacığın bir dipol anten gibi her yöne küçük bir ikincil dalga yaymasına neden olur. Tüm bu dalgalar toplanarak Huygens-Fresnel prensibine göre speküler yansıma ve kırılmayı verir. ⓘ
Cam gibi dielektrikler söz konusu olduğunda, ışığın elektrik alanı malzemedeki elektronlara etki eder ve hareket eden elektronlar alan oluşturarak yeni ışıyıcılar haline gelir. Camdaki kırılan ışık, elektronların ileri radyasyonu ile gelen ışığın birleşimidir. Yansıyan ışık ise tüm elektronların geriye doğru ışımasının birleşimidir. ⓘ
Metallerde, bağlanma enerjisi olmayan elektronlara serbest elektronlar denir. Bu elektronlar gelen ışıkla salındığında, radyasyon alanları ile gelen alan arasındaki faz farkı π (180°) olur, bu nedenle ileri radyasyon gelen ışığı iptal eder ve geriye doğru radyasyon sadece yansıyan ışıktır. ⓘ
Fotonlar açısından ışık-madde etkileşimi kuantum elektrodinamiğinin bir konusudur ve Richard Feynman tarafından popüler kitabı QED'de ayrıntılı olarak açıklanmıştır: Işık ve Maddenin Tuhaf Teorisi. ⓘ
Dağınık yansıma
Işık (metalik olmayan) bir malzemenin yüzeyine çarptığında, malzemenin içindeki mikroskobik düzensizlikler (örneğin polikristal bir malzemenin tane sınırları veya organik bir malzemenin hücre veya lif sınırları) ve pürüzlü ise yüzeyi tarafından çoklu yansımalar nedeniyle her yöne seker. Böylece bir 'görüntü' oluşmaz. Buna dağınık yansıma denir. Yansımanın tam şekli malzemenin yapısına bağlıdır. Yaygın yansıma için yaygın bir model, Lambert'in kosinüs yasası ile tanımlandığı gibi, ışığın her yönde eşit parlaklık (fotometride) veya parlaklık (radyometride) ile yansıtıldığı Lambertian yansımadır. ⓘ
Gördüğümüz nesnelerin çoğu tarafından gözlerimize gönderilen ışık, yüzeylerinden dağınık yansımaya bağlıdır, bu nedenle bu bizim birincil fiziksel gözlem mekanizmamızdır. ⓘ
Retrorefleksiyon
Bazı yüzeyler retrorefleksiyon sergiler. Bu yüzeylerin yapısı, ışığın geldiği yöne doğru geri dönmesini sağlayacak şekildedir. ⓘ
Güneş ışığıyla aydınlanan bulutların üzerinde uçarken uçağın gölgesinin etrafında görülen bölge daha parlak görünecektir ve benzer bir etki çim üzerindeki çiyden de görülebilir. Bu kısmi geri yansıma, kavisli damlacık yüzeyinin kırıcı özellikleri ve damlacığın arka tarafındaki yansıtıcı özellikler tarafından oluşturulur. ⓘ
Bazı hayvanların retinaları retroreflektör görevi görür (daha fazla ayrıntı için tapetum lucidum'a bakınız), bu da hayvanların gece görüşünü etkili bir şekilde geliştirir. Göz mercekleri gelen ve giden ışığın yollarını karşılıklı olarak değiştirdiğinden, gözlerin güçlü bir retroreflektör görevi görmesi, bazen geceleri vahşi doğada el feneriyle yürürken görülür. ⓘ
Basit bir retroreflektör, üç sıradan aynanın karşılıklı olarak birbirine dik yerleştirilmesiyle (bir köşe reflektörü) yapılabilir. Üretilen görüntü, tek bir ayna tarafından üretilen görüntünün tersidir. Bir yüzey, üzerine küçük kırıcı kürelerden oluşan bir tabaka bırakılarak veya küçük piramit benzeri yapılar oluşturularak kısmen retroreflektif hale getirilebilir. Her iki durumda da iç yansıma ışığın kaynaklandığı yere geri yansıtılmasına neden olur. Bu, trafik işaretlerinin ve otomobil plakalarının ışığı çoğunlukla geldiği yöne geri yansıtmasını sağlamak için kullanılır. Bu uygulamada, ışık sürücünün gözleri yerine karşıdan gelen arabanın farlarına yönlendirileceği için mükemmel bir geri yansıma istenmez. ⓘ
Çoklu yansımalar
Işık bir aynadan yansıdığında tek bir görüntü ortaya çıkar. Tam olarak yüz yüze yerleştirilmiş iki ayna, düz bir çizgi boyunca sonsuz sayıda görüntü görüntüsü verir. Birbirine açılı duran iki ayna arasında görülen çoklu görüntüler bir daire üzerinde uzanır. Bu dairenin merkezi aynaların hayali kesişim noktasında yer alır. Yüz yüze yerleştirilmiş dört aynadan oluşan bir kare, bir düzlemde düzenlenmiş sonsuz sayıda görüntü görüntüsü verir. Her bir ayna çiftinin birbiriyle açı yaptığı bir piramidi oluşturan dört ayna arasında görülen çoklu görüntüler bir küre üzerinde uzanır. Piramidin tabanı dikdörtgen şeklindeyse, görüntüler bir torusun bir bölümüne yayılır. ⓘ
Bunların teorik idealler olduğunu ve ışığın hiçbirini emmeyen mükemmel pürüzsüz, mükemmel düz mükemmel yansıtıcıların mükemmel hizalanmasını gerektirdiğini unutmayın. Pratikte bu durumlara sadece yaklaşılabilir ancak ulaşılamaz çünkü yansıtıcılardaki herhangi bir yüzey kusurunun etkileri yayılır ve büyür, emilim görüntüyü yavaş yavaş söndürür ve herhangi bir gözlem ekipmanı (biyolojik veya teknolojik) müdahale eder. ⓘ
Karmaşık eşlenik yansıma
Bu süreçte (faz konjugasyonu olarak da bilinir), doğrusal olmayan bir optik süreç nedeniyle ışık geldiği yöne tam olarak geri döner. Sadece ışığın yönü tersine çevrilmekle kalmaz, aynı zamanda gerçek dalga cepheleri de tersine çevrilir. Bir eşlenik yansıtıcı, bir ışını yansıtarak ve ardından yansımayı saptırıcı optiklerden ikinci kez geçirerek sapmaları gidermek için kullanılabilir. Eğer biri karmaşık bir eşlenik aynaya bakacak olursa, sadece göz bebeğini terk eden fotonlar göz bebeğine ulaşacağı için siyah olacaktır. ⓘ
Diğer yansıma türleri
Nötron yansıması
Nötronları yansıtan malzemeler, örneğin berilyum, nükleer reaktörlerde ve nükleer silahlarda kullanılır. Fiziksel ve biyolojik bilimlerde, nötronların bir malzeme içindeki atomlardan yansıması, malzemenin iç yapısını belirlemek için yaygın olarak kullanılır. ⓘ
Ses yansıması
Uzunlamasına bir ses dalgası düz bir yüzeye çarptığında, yansıtıcı yüzeyin boyutunun sesin dalga boyuna kıyasla büyük olması koşuluyla ses tutarlı bir şekilde yansıtılır. Duyulabilir sesin çok geniş bir frekans aralığına (20 ila yaklaşık 17000 Hz) ve dolayısıyla çok geniş bir dalga boyu aralığına (yaklaşık 20 mm ila 17 m) sahip olduğunu unutmayın. Sonuç olarak, yansımanın genel doğası yüzeyin dokusuna ve yapısına göre değişir. Örneğin, gözenekli malzemeler bir miktar enerjiyi emer ve pürüzlü malzemeler (burada pürüz dalga boyuna göredir) birçok yönde yansıtma eğilimindedir - enerjiyi tutarlı bir şekilde yansıtmak yerine dağıtır. Bu durum mimari akustik alanına girmektedir, çünkü bu yansımaların doğası bir mekanın işitsel hissi için kritik öneme sahiptir. Dış gürültü azaltma teorisinde, yansıtıcı yüzey boyutu, sesin bir kısmını ters yöne yansıtarak gürültü bariyeri kavramından hafifçe uzaklaşır. Ses yansıması akustik alanı etkileyebilir. ⓘ
Sismik yansıma
Depremler veya diğer kaynaklar (patlamalar gibi) tarafından üretilen sismik dalgalar, Dünya'nın içindeki katmanlar tarafından yansıtılabilir. Depremler tarafından üretilen dalgaların derin yansımalarının incelenmesi, sismologların Dünya'nın katmanlı yapısını belirlemelerine olanak sağlamıştır. Daha sığ yansımalar, yansıma sismolojisinde genel olarak yerkabuğunu incelemek ve özellikle petrol ve doğal gaz yataklarını araştırmak için kullanılır. ⓘ
Diğer Yansıma Türleri
Sismik Yansıma
Sismik yansıma jeoloji dünyasının yüzeyinin altında neler olup bittiğini hakkında bilgi toplamak için kullanılan bir ilkedir. Ses dalgaları yeraltı yerüstünde enerji seyahat yöneten aynı fiziksel ilkelerine tabi ve akılda bu ilkeler, jeologların yeraltı jeolojik oluşumlar hakkında veri oluşturmak için ses dalgalarının hareketi yeraltı kullanabilirsiniz. A yakından ilgili kavram içinde hangi ses dalgaları gibi onlar yeraltı engellerin karşılaşmak viraj yollardan çalışma gerektirir sismik kırılma vardır. ⓘ