Un fenomeno fondamentale dell’ottica che governa il comportamento dei raggi luminosi, con un comportamento che tutti possiamo apprezzare. Esploriamone la fisica.
La riflessione della luce: principi e applicazioni
Riflessione della luce e leggi geometriche
La riflessione della luce è il fenomeno per cui un raggio luminoso, incontrando una superficie di separazione tra due mezzi (acqua ed aria per esempio), cambia direzione tornando nello stesso mezzo da cui proveniva. In termini geometrici, quello che si verifica, è che l’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione, entrambi misurati rispetto alla normale alla superficie di incidenza. Questa regola costituisce la base dell’ottica geometrica, valida sia per specchi piani che curvi, e permette di prevedere con precisione la traiettoria dei raggi riflessi. La riflessione può essere regolare, quando la superficie è liscia e i raggi emergono paralleli, oppure diffusa, quando la superficie è irregolare e i raggi vengono dispersi in più direzioni. Lo studio della riflessione su superfici lisce risale già all’epoca degli antichi greci, che hanno prodotto importanti trattati, ed è proseguita fino ai giorni d’oggi moltiplicando i risultati della moderna fisica della materia.
La riflessione come fenomeno elettromagnetico
Dal punto di vista dell’elettromagnetismo, la riflessione è il risultato dell’interazione tra il campo elettromagnetico dell’onda luminosa ed i campi presenti alla superficie di separazione dei due mezzi di propagazione. La luce induce oscillazioni negli atomi e/o negli elettroni. Questi a loro volta, comporatandosi come delle antenne, riemettono radiazione elettromagnetica che si combina con l’onda incidente, generando il raggio riflesso. Le proprietà del materiale, come conducibilità e indice di rifrazione, determinano l’intensità e le caratteristiche dell’onda riflessa. Nei metalli, ad esempio, l’alta densità di elettroni liberi produce riflessioni molto efficienti.
Quando l’osservatore vede il raggio riflesso
Un raggio riflesso diventa visibile per un osservatore solo quando raggiunge il suo occhio, rispettando ovviamente le leggi geometriche della riflessione. Occorre quindi che la direzione del raggio riflesso vada ad incrociare la posizione dell’osservatore. Per questo motivo, un fascio laser puntato su uno specchio appare visibile solo se l’osservatore si trova lungo la traiettoria del raggio riflesso. In condizioni di riflessione diffusa, come in presenza di polvere in aria o imperfezioni ed impurezze del mezzo di progettazione, la dispersione dei raggi in molte direzioni aumenta la probabilità che parte della luce raggiunga l’occhio, rendendo visibili la traiettoria del fascio luminoso, come se fosse disegnata.
Applicazioni quotidiane della riflessione della luce
La riflessione della luce trova applicazioni quasi ovvie nella vita di tutti i giorni. Un primo esempio è rappresentato dagli specchi, strumenti che sfruttano la riflessione regolare (detta appunto anche riflessione speculare) per restituire immagini fedeli degli oggetti. La precisione con cui la superficie riflettente è realizzata determina la qualità dell’immagine osservata: superfic ruvide accentuano la riflessione diffusa, con una resa finale peggiore. Un secondo esempio è l’uso dei catarifrangenti ai bordi delle strade, sui veicoli o sugli abiti di chi cammina per strada: questi dispositivi sfruttano la riflessione per rimandare la luce dei fari direttamente verso il conducente, aumentando la visibilità di segnali, veicoli e persone in condizioni di scarsa illuminazione. Entrambi i casi mostrano come un principio fisico semplice e fondamentale sia tradotto in soluzioni pratiche diffuse ed efficaci.
Sapevate che…
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Vediamo la nostra immagine “invertita” in uno specchio piano?
Lo specchio non inverte alto e basso, ma scambia destra e sinistra: è un effetto geometrico della riflessione, non una vera rotazione, dovuta alla direzione di propagazione in avanti dei raggi, che genera un’immagine che noi interpretiamo come un oggetto reale, che non è.
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Gli specchi possono concentrare la luce?
Gli specchi curvi (come quelli concavi) riflettono i raggi luminosi verso un punto detto fuoco, permettendo di concentrare energia luminosa e termica, principio usato nei telescopi e nei forni solari.
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La riflessione può avvenire a frequenze diverse a quelle della luce visibile?
La riflessione è un fenomeno generale delle onde: anche onde sonore, onde radio e microonde possono riflettersi su superfici, un principio sfruttato nei sonar e nei radar. La riflessione delle onde elettromagnetiche dipende dalla frequenza in modo che, dato un certo materiale, determinate frequenze dell’onda incidente potrebbero essere non riflesse e per esempio assorbite.