反射 (物理学)

反射定律的一个例子

如果反射的表面非常光滑，光发生的反射就被称作镜面反射或单向反射。无论镜面反射还是漫反射都遵从反射定律，反射定律如下：

1. 反射光线、入射光线和反射面在反射发生处的法线位于同一个平面。
2. 反射角等于入射角
3. 反射光线和入射光线处在法线的相对两边。

这三条定律全部可以由菲涅尔方程组导出。

在经典电动力学中，光被看作一种电磁波，一种通过麦克斯韦方程组描述的波。射到材料上的入射光导致了单个原子极化的微小振动（若是金属材料，则是电子的振动），造成了每一个粒子都向四面八方辐射出微弱的次级波，就像一个偶极子天线。根据惠更斯－菲涅耳原理，所有这些波加起来就给出了镜面反射和折射。

对于像玻璃这样的介电质，光的电场影响了材料里的电子，这些移动的电子形成了场并变成新的辐射体。玻璃中的折射光是向前的辐射与入射光的联合。反射光是所有电子产生的向后的辐射的联合。

在金属中，没有结合能的电子被称作自由电子。当这些电子随着入射光振动时，它们的辐射的场和入射光的场之间的相位差是${\displaystyle \pi }$(180°)，所以向前的辐射终止了入射光，而向后的辐射就是反射光。

在光量子方面的光-物质相互作用是量子电动力学的话题，详细的描述在理查德·费曼的畅销书QED：光和物质的奇妙理论中有所提及。

固体表面发生漫反射的一般散射机制

当光射到一个（非金属的）材料表面上时，它会向各个方向弹离，这是因为材料内部极小的不规则（例如，多晶材料的晶粒边界，有机材料的细胞或纤维边界），或是因为材料的表面粗糙，因而发生了繁多的反射造成的。因此，不会形成“图像”。这被称作漫反射。反射的确切的样子取决于材料的结构。漫反射的一个普通的模型是朗伯反射率，此时光在各个方向以相同的亮度（光度学上）或辐射率（辐射度学上）进行反射，这在朗伯余弦定律中有描述。

大多数物体发送到我们眼中的光，都是由于它们表面发生了漫反射，所以这便是我们进行肉眼观察的主要机制。[2]

注：漫反射时仍遵循反射定律

角反射器的工作原理

有些表面会展示出逆反射。这些表面的结构使之将光向射入的方向反射。

当飞过被太阳光照亮的云层时，飞行器的阴影周围的区域看起来更亮，相似的效果也会出现在草的露珠上。这种不完整的逆反射的产生，是因为水滴的弯曲表面具有折射的特性，而水滴的后边具有反射的特性。

一些动物的视网膜起到了逆反射器的作用，这有效地提高了动物的夜视能力。因为它们眼中的许多透镜往复地改变进出的光线的路径，眼睛就有了强的逆反射器一样的效果，所以当它们晚上在荒地上行走时，有时会看到它们的眼睛会发光。

将三面平常的镜子两两垂直地放置，就制成了一个简单的逆反射器（角反射器）。形成的图像与单面镜子所成的相反。在一个表面上放一层微小的具有折射能力的球，或创造一些金字塔形的结构，就可以让一个表面具有一部分的逆反射特性。在这两种情况下，内部的反射造成光向它发源的地方反射回去。这被用来使交通标志和汽车牌照能基本上将光反射回它射来的地方。在这种应用中，完美的逆反射并不是想要的，因为这样的话，光就会径直地向驶来的车的车灯射去，而不是射入司机的眼睛。

当光从一面镜子反射出来，一个图像就会出现。两面精确面对面的镜子，就会显出一条直线上有无穷多个图像的样子。如果两面镜子成一定角度，在它们之间看到的多重图像就会位于一个圆上。[3]那个圆的圆心位于镜子假想的相交处。四面镜子面对面排成方形，就会显出无穷多个图像排列在一个平面内的样子。如果每对镜子彼此都成一定角度，组成一个金字塔，那么在它们之间看到的多重图像就会位于一个球上。如果金字塔的底部是矩形，图像就会遍布一段环面。[4]

注意这些都是在理想状况下的完美模型，需要把绝对光滑、绝对平坦、不吸收任何光的完美反射器完美地校准。实际中，这些情形只能去趋近却不能去达到，因为反射器表面的任何瑕疵造成的影响都会增加、放大，而对光的吸收会逐渐使图像黯淡、消失，而且所有的观测设备（生物的或技术的）都会有干扰。

在这个过程中（也被理解为相位共轭），由于经过非线性的光学处理，光精确地向射来的方向反射回去。不仅光的方向颠倒了，而且实际的波阵面也被颠倒了。共轭反射器可以将光线反射，并使反射光再次通过有像差的光学仪器，因此可以用来消除像差。

能反射中子的材料，例如铍，被用于核反应堆和核武器。在物理和生物科学中，将材料的原子中的中子反射出来普遍用于测定材料内部结构。

用于高频的声音扩散面板

当纵向的声波射到一个平坦表面上时，声音以一种连贯的方式反射，由反射面的大小与声音的波长相比有多大来提供。注意可听声的频率范围广泛（从20赫兹到大约17000赫兹），于是波长范围也很广泛（从大约20毫米到17米）。因此反射的总体特性会根据表面的质地和结构而变化。例如，多孔的材料会吸收一些能量，而粗糙（相对于波长而言）的材料往往向多方向反射——将能量扩散而不是协调一致地反射。这就引入了建筑声学的领域，因为这些反射的特性对于一个空间的听觉感受来说是挑剔的。在外部噪声控制的理论中，通过将一部分声音向相反方向反射，反射表面的大小会从隔音屏障的设想中得到轻微减损。

由于地震或其他来源（例如爆炸）产生的地震波可能会被地球内部许多地层反射。研究地震引起的波的深度反射，使得地震学家可以测定地球的分层结构。更浅的反射通常被用于反射地震学来研究地球的地壳，尤其用于勘探石油和天然气储量。