Reflexão é a mudança de direção de uma frente de onda em uma interface entre dois meios diferentes, fazendo com que a onda retorne ao meio de onde se originou. Exemplos comuns incluem a reflexão da luz, do som e de ondas na água. A lei da reflexão estabelece que, na reflexão especular, como em um espelho, o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão, medidos em relação à normal à superfície.
Na acústica, a reflexão produz ecos e é usada no sonar. Na geologia, é usada no estudo das ondas sísmicas. Ondas de superfície em corpos d'água também sofrem reflexão. O fenômeno ocorre em muitos tipos de radiação eletromagnética, além da luz visível. A transmissão de rádio e o radar usam a reflexão de VHF e de frequências mais altas. Raios X duros e até raios gama podem ser refletidos em ângulos rasantes por estruturas ópticas especiais, incluindo revestimentos multicamadas.
História miniatura|direita|160px|Construção geométrica para obter a lei da reflexão pelo princípio do menor percurso.
Heron de Alexandria derivou a lei da reflexão a partir do princípio do menor caminho, pelo qual a trajetória refletida entre dois pontos, em um espelho plano, tem a menor distância possível. Mais de 1.500 anos depois, Pierre de Fermat formulou o princípio do menor tempo e o aplicou à refração.
Reflexão em uma dimensão miniatura|Reflexão de pulsos transversais em uma corda. Na extremidade fixa, o deslocamento é invertido. Na extremidade livre, não há essa inversão.
A reflexão também ocorre em ondas que se propagam essencialmente em uma dimensão, como pulsos em uma corda. Quando um pulso chega a uma extremidade fixa, ele retorna com o deslocamento invertido, o que corresponde a uma mudança de fase de 180°, ou π radianos, para uma onda senoidal. Em uma extremidade livre, o pulso retorna sem essa inversão. Na junção entre duas cordas com propriedades diferentes, parte da onda pode ser refletida e parte transmitida à outra corda.
A superposição de ondas incidentes e refletidas de mesma frequência pode produzir ondas estacionárias.
Reflexão da luz A reflexão da luz pode ser especular, que pode formar imagens, ou difusa, na qual a luz se espalha por muitas direções. Uma mesma superfície pode produzir as duas componentes e absorver parte da luz incidente. Na reflexão especular, a amplitude e a fase das ondas refletidas dependem das propriedades dos meios, da interface, do ângulo de incidência e da polarização. As componentes s e p, também chamadas TE e TM, são definidas em relação ao plano de incidência.
Um espelho fornece o modelo mais comum de reflexão especular da luz e costuma consistir em uma lâmina de vidro com um revestimento metálico onde ocorre a maior parte da reflexão. O campo eletromagnético que penetra no metal é atenuado ao longo de uma distância característica, a profundidade pelicular. A reflexão também ocorre na superfície de meios transparentes, como água ou vidro, embora em geral seja menos intensa que em espelhos.
miniatura|esquerda|upright|Diagrama da reflexão especular No diagrama, um raio luminoso PO atinge um espelho vertical no ponto O, e o raio refletido é OQ. Traçando pelo ponto O uma linha imaginária perpendicular ao espelho, chamada normal, podem ser medidos o ângulo de incidência, θi, e o ângulo de reflexão, θr. A lei da reflexão estabelece que θi = θr. Em uma interface plana e estacionária entre meios isotrópicos, a componente do vetor de onda paralela à superfície é conservada. Na onda refletida, a componente normal muda de sinal, enquanto o módulo do vetor, o número de onda, permanece igual.
A reflexão da luz pode ocorrer quando ela encontra uma interface entre meios com índices refrativos diferentes. Em uma interface entre meios transparentes, parte da luz geralmente é refletida e parte é transmitida, com a direção da transmissão determinada pela refração. As condições de contorno das equações de Maxwell permitem obter as equações de Fresnel, que relacionam as amplitudes das ondas incidente, refletida e transmitida. Essas relações permitem calcular a fração da potência refletida para cada polarização. O processo é análogo à reflexão de sinais causada por descasamentos de impedância em circuitos e linhas de transmissão.
A reflexão total pode ocorrer entre meios transparentes quando a luz incide do meio de maior índice refrativo sobre o de menor índice e o ângulo de incidência supera o ângulo crítico. Nesse caso, não há onda transmitida que transporte energia para longe da interface no segundo meio, embora exista junto à superfície um campo evanescente.
Telescópios de raios X podem focalizar a radiação por meio de espelhos de incidência rasante. Os raios encontram superfícies lisas em ângulos muito pequenos em relação à superfície e são desviados em direção ao foco. Em sistemas com geometria de Wolter, duas reflexões rasantes sucessivas concentram os raios no detector. Um espelho disposto como um refletor óptico comum seria pouco eficaz, pois os raios X tenderiam a atravessar o material ou ser absorvidos.
Na incidência normal entre meios transparentes não magnéticos, o campo elétrico refletido sofre uma mudança de fase de 180° quando o segundo meio tem índice refrativo maior. Quando o segundo meio tem índice menor, não ocorre essa inversão de fase. Essa regra é usada na análise da interferência em filmes finos. Em incidência oblíqua, a fase também depende da polarização e do ângulo. Na reflexão interna total e na reflexão em metais, a mudança de fase não se restringe, em geral, a 0° ou 180°.
A reflexão especular forma imagens. Um espelho plano produz uma imagem especular virtual à mesma distância atrás de sua superfície que o objeto está à frente. A aparente inversão da esquerda para a direita depende da comparação entre a imagem e um objeto que tivesse sido girado para ocupar a posição dela. A inversão geométrica do espelho ocorre na direção perpendicular à sua superfície. Em espelhos curvos, a imagem pode ser ampliada ou reduzida. Esses espelhos têm potência óptica e podem ter superfícies esféricas ou parabólicas.
A reflexão especular também é usada no traçado de raio em computação gráfica. Quando um raio encontra uma superfície semelhante a um espelho, o algoritmo pode continuar recursivamente na direção refletida para calcular a luz que chega ao ponto observado.
miniatura|centro|650px|Refração e reflexão da luz na interface entre dois meios
Refletância miniatura|300px|Frações da potência refletida, R, e transmitida, T, em função do ângulo de incidência, para a passagem do ar a um vidro com índice refrativo 1,5. Os índices s e p distinguem as polarizações.
A refletância, representada por ρ, é a razão entre o fluxo radiante refletido, Φr, e o fluxo radiante incidente, Φi. É uma grandeza adimensional e pode ser definida para um comprimento de onda específico, caso em que recebe o nome de refletância espectral. A refletância total é a soma das parcelas regular e difusa da reflexão.
Quando a energia incidente se reparte entre absorção, reflexão e transmissão, a conservação de energia fornece a relação:
em que α é a absortância e τ é a transmitância. Para uma interface entre meios sem absorção, α = 0 e as frações refletida e transmitida somam 1.
Leis da reflexão miniatura|direita|Reflexão de um feixe luminoso em uma superfície
Quando a superfície é lisa em comparação com o comprimento de onda, a reflexão é chamada de especular ou regular. Para uma interface plana e estacionária entre meios isotrópicos, as leis da reflexão são:
O raio incidente, o raio refletido e a normal à superfície no ponto de incidência encontram-se no mesmo plano. O ângulo formado pelo raio incidente com a normal é igual ao ângulo formado pelo raio refletido com essa mesma normal. Na incidência oblíqua, o raio refletido e o raio incidente encontram-se em lados opostos da normal.
Na incidência normal, θi = θr = 0°, e o raio refletido percorre a mesma linha do raio incidente no sentido oposto. Essas relações podem ser obtidas das condições de contorno do campo eletromagnético na interface. Em uma superfície curva lisa, a normal é tomada no ponto de incidência.
Mecanismo miniatura|Simulação bidimensional da reflexão de uma partícula quântica. A região branca indica a distribuição de probabilidade de encontrar a partícula em cada posição.
No eletromagnetismo clássico, a luz é uma onda eletromagnética regida pelas equações de Maxwell. O campo incidente põe em movimento as cargas elétricas do material, que produzem campos secundários. A superposição desses campos com o campo incidente determina as ondas refletida e transmitida. Em uma interface plana e uniforme, a soma coerente das contribuições do material produz as direções da reflexão especular e da refração.
Nos dielétricos, como o vidro, o campo elétrico da luz induz oscilações das cargas ligadas e uma polarização do material. Os campos emitidos para a frente combinam-se com a onda incidente para formar a onda transmitida. As contribuições emitidas de volta ao primeiro meio formam a onda refletida. A construção de frentes de onda por ondas secundárias também é usada no princípio de Huygens-Fresnel.
Nos metais, os elétrons de condução podem se mover pelo material sem estar ligados a um átomo específico. Sua resposta à luz produz correntes que geram o campo refletido e atenuam o campo no interior do metal. Metais reais também absorvem energia, e sua resposta depende da frequência. O cancelamento completo do campo elétrico no interior corresponde ao limite ideal de um condutor perfeito, não a uma propriedade universal dos metais.
A interação entre luz e matéria em termos de fótons é estudada pela eletrodinâmica quântica. Richard Feynman apresenta a reflexão e outros fenômenos ópticos em seu livro de divulgação científica QED: The Strange Theory of Light and Matter.
Reflexão difusa miniatura|direita|Espalhamento no interior de um material, com parte da luz retornando à superfície
A reflexão difusa pode resultar da rugosidade da superfície e do espalhamento da luz no interior do material. Em materiais não metálicos, a luz pode penetrar na superfície, sofrer sucessivos espalhamentos e voltar a sair em outras direções. Interfaces microscópicas, como contornos de grão em materiais policristalinos e limites entre células ou fibras em materiais orgânicos, podem participar desse processo. A distribuição da luz refletida depende da estrutura do material.
Um modelo comum é a refletância lambertiana, na qual a radiância, ou a luminância na descrição fotométrica, é independente da direção de observação no hemisfério exterior à superfície. Isso não significa que a mesma potência seja emitida em cada direção. A potência por unidade de ângulo sólido varia com o cosseno do ângulo em relação à normal, conforme a lei do cosseno de Lambert.
A reflexão difusa não forma uma imagem especular da fonte luminosa. Ela permite, porém, que superfícies iluminadas sejam vistas a partir de muitas direções. Grande parte da luz que chega aos olhos proveniente dos objetos comuns resulta desse tipo de reflexão.
Retrorreflexão miniatura|direita|Ilustração bidimensional do funcionamento de um refletor de canto
Algumas superfícies apresentam retrorreflexão, que devolve a luz aproximadamente na direção de onde ela veio. Um retrorrefletor pode ser feito com três espelhos mutuamente perpendiculares, formando um refletor de canto. Após refletir nos três espelhos, um raio retorna com direção oposta à de incidência.
Gotas de orvalho podem produzir um brilho claro em torno da sombra da cabeça de um observador, chamado heiligenschein. As gotas funcionam como pequenas lentes. Parte da luz concentrada sobre a folha é espalhada de volta através da gota, em direção próxima àquela de onde veio. Em nuvens, a glória, que pode ser vista em torno da sombra de uma aeronave, envolve o espalhamento da luz por gotículas e a interferência das ondas espalhadas.