8.1 La reflexió i la refracció.

Si una ona o més concretament, un raig de llum que es propaga a través d’un medi homogeni incideix sobre la superfície d’un segon medi homogeni (però de diferent naturalesa), part de la llum (o ona) és reflexada i part de la llum entra com a raig refractat al segon medi, on pot o no ésser absorbit. 


Primerament visiona aquest video que únicament amb imatges fa una explicació exel·lent d'aquests fenòmens.

Analitzem aquests fenòmens amb més detall.


REFLEXIÓ
Quan la llum incideix sobre una superfície plana i retorna cap al mateix medi diem que la llum s’ha reflexat. En aquests casos, les lleis que segueix la llum són les següents:
1. El raig incident forma un angle amb la normal (anomenat angle d’incidència) igual al que forma l’angle reflexat amb la normal (angle de reflexió).
2. El raig incident, el reflexat i la normal estan al mateix pla. Aquest pla s’anomena pla d’incidència.

Cal dir que la llum també es reflexa en superfícies que no són llises però ho fa originant raigs que no són paral•lels entre si. Cada raig en particular compleix les lleis de reflexió, però com que les normals a la superfície en diferents punts no són paral•leles entre si, els raigs reflexats no surten paral•lels i la llum surt difosa. 



REFRACCIÓ
Diem que un raig es refracta, és a dir, canvia de direcció, quan passa d’un medi a un altre. En la refracció es compleixen les següents lleis:

1. El raig incident, el refractat i la normal estan en el mateix pla.
2. Llei de la refracció o Llei d’Snell, que diu el següent:


on n1 és l’índex de refracció del primer medi, n2 l’índex de refracció del segon medi,  és l’angle d’incidència i és l’angle de refracció (el que forma el raig transmès o refractat amb la normal). 


Un altre fet que cal comentar és que les trajectòries de la llum són reversibles. És a dir, que si ara girem el sentit de les fletxes, els raigs segueixen les mateixes trajectòries. Tot i que pot semblar evident, val la pena comentar-ho.


És important també tenir en compte que quan un raig de llum (o ona en general) incideix sobre una superfície de separació de dos medis l'energia que porta el faig es reparteix entre el raig reflexat i el raig refractat i per tant aquests raig tindran sempre una amplitud inferior a la del incident.

ÍNDEX DE REFRACCIÓ
L’índex de refracció es defineix per: , on c és la velocitat de la llum al buit i v és la velocitat de la llum al medi en qüestió. Com que sabem que la velocitat de la llum en qualsevol medi és sempre menor que al buit, l’índex de refracció serà sempre major que 1 (llevat del buit, que serà igual a 1). Vegem alguns exemples:
Substància          Aire         Aigua Benzè Vidre Diamant
Índex de refracció 1,0003 1,33         1,50         1,5-1,6 2,42
Tal com hem pogut veure en l’apartat anterior, l’índex de refracció és bàsic en la refracció ja que la llei que la regeix depèn d’aquest terme. En particular, si un raig incideix sobre un medi d’índex major, el raig refractat tendirà a desviar-se cap a la normal; d’altra banda, si el raig incideix sobre un índex de refracció menor, el raig refractat tendirà a allunyar-se d’aquesta. Aquest fenomen porta a un fet molt interessant que comentarem al següent apartat.

ANGLE LÍMIT I REFLEXIÓ TOTAL
Manipulem una mica la llei d’Snell i ens sortirà aquest fenomen de forma natural:
Cal comentar que aquest fenomen sols es donarà per n1 < n2 perquè sinó tenim que el sinus és més gran que 1 i sabem que això no és possible. Per angles d’incidència majors al crític no tindrem raig refractat i s’anomena Reflexió total interna. Vegem-ho al següent gràfic:

                                                    
Si , llavors . Això vol dir que quan  augmenta,  arriba a  radians (90 °) abans que . el raig refractat (o transmès) surt paral·lel a la frontera. Si  augmenta encara més, com  no pot ser més gran que , no hi ha transmissió a l'altre medi i la llum es reflecteix totalment.

La reflexió és realment total (100%) i sense pèrdues. És a dir, millor que els miralls metàl·lics (plata, alumini) que només reflecteixen 96% de la potència lluminosa incident.

Cal dir també que tot i que la teoria exposada és simple, pot complicar-se molt més utilitzant medis no homogenis o no isòtrops o bé utilitzant metalls. No hem exposat la teoria aquí perquè es necessita d’altra base física per entendre-ho i considerem que el tractament anterior és més que suficient per realitzar les activitats proposades.

EXPLICACIÓ DE HUYGENS
El següent applet fa una explicació magnífica pas a pas. És important anar llegint les explicacions que fa al marge dret de la pantalla.

Explicació de la reflexió i refracció aplicant el principi de propagació de Huygens

De l'anàlisi  d'aquest applet es poden treure algunes conclusions molt importants:
1. La freqüència (i per tant el període) de els ones incidents, refrexada i refractada és sempre la mateixa.
2. La longitud d'ona de les ones incident i reflexada és la mateixa.
3. La longitud d'ona de l'ona refractada és més petita que la de l'ona incident si la velocitat de propagació de l'ona en el medi refractat és més petita. Per tant en aquests casos el raig refractat és més petit que l'incident. Diem que la llum "es tanca".
4. La longitud d'ona de l'ona refractada és més gran que la de l'ona incident si la velocitat de propagació de l'ona en el medi refractat és més gran. Per tant en aquests casos el raig refractat és més gran que l'incident. Diem que la llum "s'obre". És només en aquestes situacions que podem trobar l'angle límit a partir del qual la reflexió és total.