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Von Reflexion (lat. reflectere: zurückbeugen, drehen) spricht man, wenn Wellen, zum Beispiel elektromagnetische oder Schallwellen, vollständig oder teilweise von einer Oberfläche zurückgeworfen werden.
Bei glatten (bzw. gegenüber der Wellenlänge kleinen Rauigkeitsstrukturen) Oberflächen gilt das Reflexionsgesetz, man spricht hier von einer gerichteten Reflexion. An rauhen Oberflächen wird die Strahlung diffus zurückgestreut (diffuse Reflexion) und gehorcht oft dem Lambertschen Strahlungsgesetz.
Als Retroreflexion bezeichnet man eine Reflexion, die großteils in Richtung der Strahlungsquelle erfolgt.
Inhaltsverzeichnis |
Im folgenden sollen die Reflexionsgesetze am Beispiel elektromagnetischer Wellen erklärt werden. Zum einfacheren Verständnis wird dabei das Strahlmodell der geometrischen Optik genutzt.
In der Schemazeichung rechts trifft ein Strahl von links oben auf die Oberfläche eines Mediums mit anderen Strahlungsausbreitungseigenschaften. Ein Teil der Strahlung wird zum Lot hin gebrochen, ein anderer reflektiert. Der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel (auch Ausfallswinkel) sind, bezogen auf das Einfallslot, gleich, was formal aus den Stetigkeitsbedingungen der Wellen an Grenzflächen folgt.
Unter geeigneten Bedingungen wird die Gesamtstrahlung reflektiert, siehe Totalreflexion, oder die reflektierte Strahlung vollständig polarisiert, siehe Brewster-Winkel. Eine Verringerung der Gesamtreflexion durch mehrere abgestimmte Schichten ist möglich, siehe Antireflexionsschicht.
Das Verhältnis der Brechzahlen und Extinktionskoeffizienten der Medien bestimmen die Intensität der Reflexion und Transmission, siehe Fresnelsche Formeln. Beispielsweise besitzen Metalle aufgrund der Absorption durch das Elektronengas einen hohen Extinktionskoeffizienten für elektromagnetische Strahlung im Infrarot-Bereich, sie sind damit undurchsichtig und weisen einen sehr hohen Reflexionsgrad von im Allgemeinen mehr als 90 Prozent auf.
Es gilt:
Eine auftreffende Wellenfront erzeugt kreisförmige Elementarwellen um den jeweiligen Auftreffpunkt (Huygenssches Prinzip), deren Radius r sich proportional zur Zeit t vergrößert:
wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle im betreffenden Medium ist. In den folgenden Bildern sieht man, wie die Radien der zuerst entstandenen Kreise anwachsen, während der aktuelle Auftreffpunkt nach rechts wandert. Die Tangente an die Kreise stellen eine neue Wellenfront dar, welche die reflektierende Ebene nach rechts oben verlässt. Die Winkel zwischen Wellenfront und Ebene sind gleich (Reflexionsgesetz).
Anmerkung: Auch auf der Unterseite des Spiegels entstehen Elementarwellen. Wenn sie sich dort – im Regelfall mit anderer Geschwindigkeit c – ausbreiten können, spricht man von Brechung.
Ein Impuls beliebiger Kurvenform ist ein Wellenpaket, das nach den Regeln der Fourieranalyse in eine Summe von Sinusschwingungen unterschiedlicher Wellenlänge λ zerlegt werden kann. Zwischen zwei Reflektoren im Abstand A sind nur solche erlaubt, für die gilt:
wobei n eine natürliche Zahl ist. Unter bestimmten Voraussetzungen bleibt die Kurvenform des daraus zusammengesetzten Impulses gleich und dieses Soliton kann ungedämpft zwischen den beiden Reflektoren pendeln, wie im Bild zu sehen ist. Durch Vergleich dieser Pendeldauer mit den exakten Zeitmarken einer Atomuhr kann man extrem hohe Frequenzen bestimmen (Frequenzkamm).
Das Wellenfeld an einer gerichtet reflektierenden Fläche lässt sich durch „Spiegelquellen“ beschreiben. Zu jeder Originalquelle wird hierbei eine Spiegelquelle hinter der reflektierenden Fläche „angebracht“, mit dem gleichen Abstand zur reflektierenden Fläche wie die Originalquelle. Das Wellenfeld ergibt sich durch Überlagerung der Wellenfelder von Original- und Spiegelquellen.
Anwendungen findet die gerichtete Reflexion in ebenen und nicht ebenen Spiegeln, beispielsweise konkav gekrümmte Hohlspiegel als Rasierspiegel oder bei optischen Teleskopen bestimmter Bauart, den Spiegelteleskopen. Konvex gekrümmte Spiegel dienen zum Beispiel als Außenspiegel an Fahrzeugen und zeigen größere Bereiche als gleich große Planspiegel.
Grenzflächen mit einer großen Rauheit relativ zur Wellenlänge reflektieren diffus. Enthält das Material viele Streuzentren, folgt die Reflexion dem Lambertschen Gesetz. Die Haupt-Rückstreuung erfolgt senkrecht zum Material, unabhängig von der Einstrahlungsrichtung. Beispiele sind Milch, Wandfarbe oder Papier. Die Fetttropfen im Wasser bei Milch bzw. die Lufteinschlüsse zwischen den Fasern bei Papier liegen in der Größenordnung der Wellenlänge und bilden die Streuzentren für sichtbares Licht.
Die diffuse Reflexion kann zur Untersuchung von Oberflächen mittels Infrarotspektroskopie herangezogen werden (siehe DRIFTS).
Siehe auch: Albedo, Weißgrad, Ulbricht-Kugel.
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Bei Antennen wird die Sendeleistung durch Spiegel gebündelt und eine Richtwirkung erreicht, zum Beispiel bei Parabolspiegeln für Satellitenantennen.
Wird ein Teil elektromagnetischer Wellen reflektiert bzw. transmittiert und ein Teil absorbiert, so spricht man von Remission (Optik).
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Die Reflexion von elektromagnetischer Strahlung an einer Grenzfläche erfolgt immer nur teilweise, der andere Teil wird absorbiert. Der Reflexionsgrad ist definiert als das Verhältnis der reflektierten zur einfallenden Lichtintensität:
Der Reflexionsgrad ist einerseits vom jeweiligen Material abhängig, andererseits von der Wellenlänge des Lichts. Zusätzlich ist auch noch der Einfallswinkel des Lichtstrahls von Belang (Fresnelsche Formeln), bei schrägem Einfall und bei doppelbrechenden Materialien auch die Polarisationsorientierung des Lichts und bei einkristallinem Material auch noch die Kristallorientierung der Oberfläche, siehe auch bei Kristalloptik. Auch ein Magnetfeld kann den Reflexionsgrad beeinflussen, was technisch bei magnetooptischen Speichermedien ausgenutzt wird.
Eine Standardanwendung der Spektroskopie ist die Messung des Reflexionsspektrums eines Materials.
Eine einfallende elektromagnetische Welle wechselwirkt je nach ihrer Energie (also Wellenlänge) verschieden mit dem Material, je nachdem, ob das Material bei dieser Energie beispielsweise einen erlaubten Bandübergang aufweist und für diesen die Energie absorbieren könnte. Daneben gibt es weitere Absorptionsmechanismen, die sich theoretisch beschreiben lassen. Im Folgenden wird gezeigt, wie aus einem gemessenen Reflexionsspektrum auf die Existenz und die Parameter solcher Mechanismen rückgeschlossen werden kann.
Wenn man ein bestimmtes Material vorliegen hat, kann man Messungen seines Reflexionsspektrums dazu verwenden, quantitative Aussagen über Details seiner Eigenschaften zu erarbeiten. Man geht typischerweise wie folgt vor:
beeinflussen können, wie Bandübergänge, Elektronendichten im Leitungsband, Polarisierbarkeiten usw.
zusammen.
und der Permeabilitätszahl 
zusammen über 
. Mit den oben ermittelten Formeln für die Permittivitätswerte kann man bei nichtmagnetischen Materialien (
) direkt die Brechzahl und den Absorptionskoeffizienten berechnen (
):
und NMedium = N2 = n2 + ik2) ausgerechnet werden (Achtung Spezialfall!):
Wenn eine elektrische Leitung mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen ist, wird ein an der Leitung entlang laufendes Signal vollständig am Abschlusswiderstand absorbiert, es kommt zu keiner Reflexion am Abschlusswiderstand. Weicht die Impedanz des Abschlusses ZL jedoch vom Wellenwiderstand der Leitung Z0 ab, so kommt es zu mehr oder weniger starker Reflexion der Welle. Deren prozentualer Anteil lässt sich mit der Formel:
berechnen.
Der so genannte Reflexionsfaktor r kann dabei Werte zwischen +1 und -1 annehmen. Bei Lastimpedanzen mit negativem Realteil kann der Betrag auch größer als 1 werden, d. h. die reflektierte Welle hat eine größere Amplitude als die einfallende. Die fehlende Energie muss der negative Widerstand liefern.
Die experimentelle Überprüfung wird in Zeitbereichsreflektometrie beschrieben. Die auf der Leitung laufenden vorlaufenden und reflektierten Wellen können sich überlagern zu einer ortsabhängigen Verteilung von Strom und Spannung führen(siehe auch: stehende Wellen).
Das abgebildete Stehwellenmeßgerät hat ein Kreuzzeigerinstrument. Der eine Zeiger zeigt die vorlaufende Sendeleistung, der andere die rücklaufende Leistung. Am Schnittpunkt der Zeiger kann man das Stehwellenverhältniss anhand der aufgedruckte Kurvenschar ablesen. Natürlich sollte möglichst keine Leistung reflektiert werden, allerdings ist das nicht immer zu erreichen. Verhältnisse bis 1:3 gelten als tolerabel.
In der Akustik ist die Schallreflexion gemeint, also der Rückwurf von Schall. Ebene, schallharte, nicht absorbierende Oberflächen reflektieren gut die Schallwellen. Beim Erkennen dieser Schallreflexionen spielt die Echowahrnehmungsschwelle eine bedeutende Rolle. Je nach Anordnung und Anzahl der reflektierenden Flächen und Art der Beschallung ergibt sich ein unterschiedlicher Höreindruck:
Für den akustischen Eindruck wichtig sind:
Bei Räumen sind je nach Nutzung andere raumakustische Eigenschaften und damit jeweils ein anderes Reflexionsverhalten der Wände sinnvoll:
Eine ganz besondere Bedeutung bei der räumlichen Raumerkennung hat die Anfangszeitlücke (ITDG).
Folgende Größen spielen bei Schallreflexionen eine Rolle:
Bei Auftreffen auf Begrenzungsflächen wird die eintreffende Schallintensität entweder an der Begrenzungsfläche reflektiert oder von der Begrenzungsfläche absorbiert. Es gilt somit
Der absorbierte Anteil der Schallintensität wird hierbei entweder von der Begrenzungsfläche durchgelassen (transmittiert) oder in den Materialien der Begrenzungsfläche in Wärme umgewandelt (dissipiert). Es gilt somit
Somit gilt insgesamt
In der Akustik gehören folgende Wörter zur gestörten Schallausbreitung:
Wellenreflexion bedeutet bei fortschreitenden Wasserwellen das Zurückwerfen eines Teils ihrer Energie an einem Bauwerk (Wellenbrecher, Uferböschung) oder an Orten, wo sich die Konfiguration des natürlichen Meeresgrundes (stark) ändert. Zugleich wird ein anderer Anteil der Wellenenergie fortgeleitet und der restliche Anteil durch die Prozesse des Wellenbrechens, der Flüssigkeits- und Bodenreibung etc. dissipiert bzw. absorbiert, vergl. Wellentransformation, Wellenabsorption. Dementsprechend lautet das Gesetz von der Erhaltung der Energie:
Darin bedeuten
Werden die genannten Energieanteile Et, Er, Ea jeweils in das Verhältnis zur Energie der anlaufenden Wellen Ei gesetzt, können solche Werte als Transmissionskoeffizient, Reflexionskoeffizient und Absorptionskoeffizient angegeben werden. Im Allgemeinen ist der Reflexionskoeffizient Cr = Er / Ei < 1. Nur im theoretischen Fall der perfekten Reflexion (bei Vorliegen einer Clapotis) ist Cr = Er / Ei = 1. Da die Wellenenergie dem Wellenhöhenquadrat proportional ist, kann der Reflexionskoeffizient auch einfacher als Quotient der Höhe der reflektierten Welle Hr und der Höhe der anlaufenden Welle Hi geschrieben werden Cr = Hr / Hi.
Commons: Reflexion – Bilder, Videos und Audiodateien
