反射（物理学）
反射とは、 2つの異なる媒質の界面における波面の方向が変わり、波面が元の媒質に戻ることです。一般的な例としては、光、音、水面の反射が挙げられます。反射の法則によれば、鏡面反射（例えば鏡面反射）の場合、波が表面に入射する角度と反射する角度は等しくなります。
音響学では、反射はエコーを引き起こし、ソナーに利用されます。地質学では、地震波の研究において重要です。水域の表面波では反射が観測されます。可視光以外にも、多くの種類の電磁波で反射が観測されます。VHF以上の周波数の反射は、無線伝送やレーダーにとって重要です。硬X線やガンマ線でさえ、特殊な「斜入射」ミラーを用いることで浅い角度で反射させることができます。
光の反射
光の反射は、界面の性質に応じて、鏡面反射（鏡のような反射）または拡散反射（エネルギーは保持されるが像は失われる）のいずれかとなる。鏡面反射では、反射波の位相は座標原点の選択に依存するが、s偏光とp偏光（TE偏光とTM偏光）間の相対位相は、媒質とそれらの間の界面の特性によって決定される。[ 1 ]
鏡は鏡面反射の最も一般的なモデルであり、通常はガラス板に金属コーティングを施し、反射が顕著になる部分に反射光を照射することで構成されます。金属では、表皮層を超える波の伝播が抑制されるため、反射が促進されます。水やガラスなどの透明媒体の表面でも反射は発生しますが、鏡に比べると反射効果は一般的に低くなります。
図では、光線PO が垂直な鏡の点Oに当たり、反射光線はOQです。点Oを通る仮想線を鏡に垂直に投影することで（法線） 、入射角θ iと反射角θ rを測定できます。反射の法則ではθ i = θ r、つまり入射角と反射角は等しいとされています。反射波の波動ベクトルは、鏡の法線へのベクトル投影が入射波動ベクトルの反転となり、大きさ（波数）は同じになります。
実際、光の反射は、光が特定の屈折率の媒体から異なる屈折率の媒体に進むたびに発生します。最も一般的なケースでは、光の一定の割合が界面で反射され、残りは屈折します。境界に当たる光線についてマクスウェル方程式を解くと、フレネル方程式を導出できます。この方程式を使用すると、特定の状況で光がどれだけ反射され、どれだけ屈折するかを予測できます。これは、電気回路における インピーダンスの不整合が信号の反射を引き起こす仕組みに似ています。密度の高い媒体からの光の全反射は、入射角が臨界角よりも大きい場合に発生します。
全反射は、通常の方法では効果的に反射できない波を集束させる手段として用いられます。X線望遠鏡は、波を収束させる「トンネル」を形成することで構成されます。このトンネルの表面と低角度で相互作用する波は、焦点に向かって反射されます（あるいはトンネル表面と再び相互作用し、最終的に焦点にある検出器へと向かいます）。従来の反射鏡は役に立ちません。X線は意図した反射鏡を通り抜けてしまうからです。
光が、その媒質よりも屈折率の高い物質で反射すると、180°の位相シフトが生じます。一方、光が屈折率の低い物質で反射すると、反射光は入射光と同位相になります。これは薄膜光学の分野における重要な原理です。
鏡面反射は像を形成します。平面からの反射は鏡像を形成します。これは、私たちが見ている像と、その像の位置に回転した場合に見える像を比較するため、左右反転して見える像です。曲面における鏡面反射は像を形成しますが、像は拡大または縮小される場合があります。曲面鏡には光学的なパワーがあります。このような鏡の表面は球面または放物面です。
反射の法則
反射面が非常に滑らかな場合、発生する光の反射は鏡面反射または正反射と呼ばれます。反射の法則は次のとおりです。
- 入射光線、反射光線、および入射点における反射面の法線は、同じ平面上にあります。
- 入射光線が法線となす角度は、反射光線が同じ法線となす角度に等しくなります。
- 反射光線と入射光線は法線の反対側にあります。
これら 3 つの法則はすべてフレネル方程式から導き出すことができます。
機構
古典電気力学では、光はマクスウェル方程式で記述される電磁波とみなされます。物質に入射する光波は、個々の原子（金属の場合は電子）の偏光の微小振動を誘起し、各粒子は双極子アンテナのように、あらゆる方向に微小な二次波を放射します。これらの波はすべて加算され、ホイヘンス・フレネルの原理に従って鏡面反射と屈折を引き起こします。
ガラスなどの誘電体の場合、光の電界は物質内の電子に作用し、移動する電子は電界を生成して新たな放射体となります。ガラス内で屈折した光は、電子の前方放射と入射光の組み合わせです。反射光は、すべての電子の後方放射の組み合わせです。
金属では、結合エネルギーを持たない電子は自由電子と呼ばれます。これらの電子が入射光とともに振動する場合、その放射場と入射場の位相差はπラジアン（180°）であるため、前方放射は入射光を打ち消し、後方放射は反射光のみとなります。
光子の観点から見た光と物質の相互作用は量子電気力学のテーマであり、リチャード・ファインマンの人気著書『QED: 光と物質の奇妙な理論』で詳細に説明されています。
拡散反射
光が（非金属）材料の表面に当たると、材料内部の微細な凹凸（多結晶材料の粒界、有機材料の細胞または繊維の境界など）や表面（粗い場合）による多重反射により、光はあらゆる方向に跳ね返ります。そのため、「像」は形成されません。これは拡散反射と呼ばれます。反射の正確な形状は、材料の構造によって異なります。拡散反射の一般的なモデルはランベルト反射率で、ランベルトの余弦法則で定義されるように、光はあらゆる方向に等しい輝度（測光法）または放射輝度（放射測定法）で反射されます。
私たちが目にするほとんどの物体から目に送られる光は、物体の表面からの拡散反射によるもので、これが物理的観察の主なメカニズムとなっています。[ 2 ]
再帰反射
いくつかの表面は再帰反射を示します。これらの表面の構造は、光が来た方向に戻るようになっています。
太陽光に照らされた雲の上を飛行する場合、航空機の影の周囲は明るく見えます。草の上の露にも同様の効果が見られます。この部分的な再帰反射は、湾曲した水滴の表面の屈折特性と、水滴の裏側の反射特性によって生じます。
一部の動物の網膜は再帰反射体として機能し（詳細はタペタム・ルチダムを参照）、これにより動物の夜間視力が効果的に向上します。眼の水晶体は入射光と出射光の進路を相互に変化させるため、眼は強力な再帰反射体として機能し、夜間に懐中電灯を持って野生地域を歩いているときに見られることがあります。
単純な再帰反射器は、通常の鏡を3枚、互いに垂直に配置することで作ることができます（コーナーリフレクタ）。生成される像は、1枚の鏡で生成される像の反転です。表面を部分的に再帰反射性にするには、表面に小さな屈折球の層を堆積するか、小さなピラミッド状の構造を作成します。どちらの場合も、内部反射により光は元の方向に戻ります。これは、交通標識や自動車のナンバープレートが光を主に元の方向に反射するのに使用されます。この用途では、光がドライバーの目ではなく、対向車のヘッドライトに戻ってくるため、完全な再帰反射は望ましくありません。
多重反射
光が鏡で反射すると、1 つの像が浮かび上がります。2 枚の鏡を正確に向かい合わせに配置すると、直線に沿って無数の像が現れるように見えます。互いに角度をなして配置された 2 枚の鏡の間に見える複数の像は、円上に存在します。[ 3 ]この円の中心は、鏡の仮想交点にあります。4 枚の鏡を向かい合わせに配置した正方形は、平面上に配置された無数の像のように見えます。4 枚の鏡でピラミッドを組み立て、各鏡のペアが互いに角度をなして配置されている場合、その間に見える複数の像は球面上に存在します。ピラミッドの底面が長方形の場合、像はトーラスの一部に広がります。[ 4 ]
これらは理論上の理想であり、光を一切吸収しない、完全に滑らかで完全に平坦な完璧な反射鏡を完璧に配置する必要があることに注意してください。実際には、反射鏡の表面欠陥の影響が伝播・拡大し、吸収によって像が徐々に消失し、観測機器（生物学的または技術的）が干渉するため、これらの状況に近づくことはできても達成することはできません。
複素共役反射
この過程（位相共役とも呼ばれる）では、非線形光学過程により、光は来た方向と全く同じ方向に反射します。光の方向が反転するだけでなく、波面自体も反転します。共役反射鏡は、ビームを反射させ、その反射光を収差光学系に再度通すことで、収差を除去するために使用できます。複素共役鏡を覗き込むと、瞳孔から出た光子だけが瞳孔に到達するため、鏡は黒く見えます。
その他の反射の種類
中性子反射
中性子を反射する物質、例えばベリリウムは、原子炉や核兵器に使用されています。物理学や生物学では、物質内の原子による中性子の反射は、物質の内部構造を決定するためによく利用されています。
音の反射
縦波の音波が平らな面に当たると、反射面の寸法が音の波長に比べて大きい限り、音はコヒーレントに反射されます。可聴音の周波数範囲は非常に広く（20～約17000 Hz）、したがって波長も非常に広く（約20 mm～17 m）あることに注意してください。結果として、反射の全体的な性質は、表面の質感と構造によって異なります。たとえば、多孔質の材料はエネルギーをいくらか吸収し、粗い材料（粗さは波長に対して相対的）は多くの方向に反射する傾向があり、エネルギーをコヒーレントに反射するのではなく散乱させます。この反射の性質は、空間の聴覚的感触にとって非常に重要であるため、これは建築音響の分野につながります。屋外の騒音軽減の理論では、反射面のサイズは、音の一部を反対方向に反射することで、防音壁の概念をわずかに損ないます。音の反射は音響空間に影響を及ぼす可能性があります。
地震反射
地震やその他の発生源（爆発など）によって発生した地震波は、地球内部の層によって反射されることがあります。地震によって発生した波の深部反射の研究により、地震学者は地球の層構造を解明することができました。浅部反射は反射地震学において、地殻全般、特に石油や天然ガスの鉱床探査に利用されています。
時間の反射
科学者たちは、時間反射が存在する可能性があると推測しています。ニューヨーク市立大学大学院先端科学研究センターの科学者たちは、電子スイッチを充填したメタマテリアルのストリップに広帯域信号を送ることで、時間反射を観測したと報告しています。[ 5 ]電磁波における「時間反射」については、2023年にNature Physics 誌に掲載された論文で議論されています。[ 6 ]
参照
参考文献
- ^レクナー、ジョン (1987). 『電磁波と粒子波の反射理論』 シュプリンガー. ISBN 9789024734184。
- ^ Mandelstam, LI (1926). 「不均質媒体による光散乱」Zh. Russ. Fiz-Khim. Ova . 58 : 381.
- ^ M. Iona (1982). 「仮想ミラー」.物理教師. 20 (5): 278. Bibcode : 1982PhTea..20..278G . doi : 10.1119/1.2341067 .
- ^ I. Moreno (2010). 「テーパードライトパイプの出力放射照度」(PDF) . JOSA A. 27 ( 9): 1985– 1993. Bibcode : 2010JOSAA..27.1985M . doi : 10.1364/JOSAA.27.001985 . PMID 20808406. S2CID 5844431.オリジナル(PDF)から2012年3月31日にアーカイブ。 2011年9月3日閲覧。
- ^ Orf, Darren (2025年3月2日). 「時間反射は実在する：それは何であり、どのように機能するのか？」『ポピュラーメカニクス』誌. 2025年3月3日閲覧。
- ^ Moussa, Hady; Xu, Gengyu; Yin, Shixiong; Galiffi, Emanuele; Ra'di, Younes; Alù, Andrea (2023-03-13). 「光子時間界面における時間反射と広帯域周波数変換の観測」 . Nature Physics . 19 (6). Springer Science and Business Media LLC: 863– 868. arXiv : 2208.07236 . Bibcode : 2023NatPh..19..863M . doi : 10.1038/s41567-023-01975-y . ISSN 1745-2473 .
外部リンク
- 音響反射アーカイブ2019-01-04 at the Wayback Machine
- QEDによる光反射を示すアニメーション
- 音の反射の法則に関するシミュレーション（アムリタ大学）
