การแพร่กระจายและการสะท้อนของแสง

ในความมืดเรามองไม่เห็นหนังสือ แม้มันยังอยู่บนโต๊ะ เมื่อเปิดหลอดไฟ แสงสะท้อนจากหนังสือเข้าสู่ตา เส้นทางนี้ช่วยให้เข้าใจเงา กระจกเงา และตำแหน่งที่เรามองเห็นภาพ

หลอดไฟและดวงอาทิตย์เปล่งแสงเอง ส่วนหนังสือทั่วไปมองเห็นได้ด้วยแสงสะท้อน การเห็นวัตถุต้องมีแสงจากวัตถุเข้าสู่ตา ตาไม่ได้ส่งรังสีไปสำรวจหนังสือ รังสีเป็นเส้นสมมติที่มีทิศทางเพื่อแสดงเส้นทางการแผ่ของแสง เป็นแบบจำลองเส้นทาง ไม่ใช่แท่งสสารจริง รังสีจำนวนมากอาจมาถึงและออกจากจุดหนึ่งบนวัตถุ

วางสิ่งกีดขวางทึบแสงระหว่างหลอดไฟกับตา เส้นทางตรงจะถูกปิดกั้น ในตัวกลางโปร่งใสสม่ำเสมอ ทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิตแทนแสงด้วยรังสีตรง วิธีนี้ใช้ได้เมื่อสิ่งกีดขวางและช่องเปิดใหญ่กว่าความยาวคลื่นมาก ที่รอยต่อตัวกลางทิศทางอาจเปลี่ยน และใกล้ช่องเปิดเล็กมากแบบจำลองรังสีตรงไม่เพียงพอ เราลดความซับซ้อนของคลื่นโดยคงสิ่งสำคัญต่อโจทย์ไว้

แหล่งกำเนิดเล็กเกือบเป็นจุด ทำให้ด้านหลังวัตถุทึบแสงมีบริเวณเงาที่รังสีตรงไปไม่ถึง ลองขยายหลอดไฟในจินตนาการ บางตำแหน่งหลังสิ่งกีดขวางจะเห็นแหล่งกำเนิดเพียงบางส่วน จึงมีแสงไปถึงบางส่วน เกิดเงามัว ในเงามืดแหล่งกำเนิดถูกบังทั้งหมด ความฟุ้งของขอบเงาจึงขึ้นกับขนาดและตำแหน่งแหล่งกำเนิดด้วย ไม่ใช่เฉพาะวัตถุ

ขยายเรขาคณิตเดียวกันเป็นขนาดวัตถุท้องฟ้า ในสุริยุปราคา ดวงจันทร์อยู่ระหว่างดวงอาทิตย์กับบางส่วนของโลกและบังแสง ในจันทรุปราคา โลกขวางทางแสงสู่ดวงจันทร์ ทำให้ดวงจันทร์เข้าเงาโลก การย้ายตำแหน่งวัตถุหนึ่งเปลี่ยนทั้งผู้บังแสงและตำแหน่งเงา อุปราคาต้องมีการเรียงตัวสัมพัทธ์ที่เหมาะสม ไม่ใช่เพียงมีดวงจันทร์อยู่ท่ามกลางวงโคจรของโลกและดวงอาทิตย์

รังสีตกกระทบกระจก เราจะเปรียบเทียบทิศก่อนและหลังอย่างไร? ที่จุดตกกระทบให้ลากเส้นแนวฉากซึ่งตั้งฉากกับผิว มุมตกกระทบ α วัดระหว่างรังสีตกกระทบกับเส้นแนวฉาก ส่วนมุมสะท้อน β วัดระหว่างเส้นแนวฉากกับรังสีสะท้อน รังสีที่เกือบขนานผิวทำมุมกับผิวน้อย แต่ทำมุมกับเส้นแนวฉากมาก หากไม่มีเส้นอ้างอิงร่วม การเทียบตัวเลขอาจทำให้สรุปผิด

การทดลองให้กฎง่าย ๆ คือ α = β โดยรังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นแนวฉากอยู่ในระนาบเดียวกัน เมื่อหมุนรังสีตกกระทบให้ห่างจากเส้นแนวฉาก รังสีสะท้อนก็ห่างออกด้วยมุมเท่ากัน ที่ α = 0 แสงย้อนกลับตามทางเดิม มุมอาจใช้หน่วยองศาหรือเรเดียน แต่ทั้งคู่วัดจากเส้นแนวฉาก การที่มุมทั้งสองเท่ากันไม่ได้หมายความว่ามุมระหว่างรังสีสองเส้นเท่ากับ α

ถ้าผนังสะท้อนแสง ทำไมจึงไม่ให้ภาพชัดเหมือนกระจก? ส่วนเล็ก ๆ ของผิวขรุขระมีเส้นแนวฉากต่างทิศ แต่ละส่วนสะท้อนตามกฎเดียวกัน ทว่ารังสีสะท้อนไปคนละทิศ เราจึงเห็นผนังจากหลายด้าน กระจกเรียบรักษาการเรียงตัวของรังสีจากแต่ละจุดไว้ การสะท้อนแบบกระจายไม่ขัดกฎ เพียงผิวย่อยหันต่างทิศกัน

มองจุดหนึ่งของวัตถุในกระจกเงาราบ รังสีที่สะท้อนจากจุดนั้นแยกจากกันหน้ากระจกและเข้าสู่ตา ตารับรู้ว่ามันมาจากจุดหนึ่งซึ่งส่วนต่อย้อนหลังของรังสีตัดกันหลังกระจก นี่คือภาพเสมือน รังสีจริงไม่ได้ผ่านจุดนั้นหลังกระจก คำว่าเสมือนไม่ได้หมายความว่าไม่มีแสงหรือมองไม่เห็นภาพ แต่แยกเรขาคณิตของรังสีจริงออกจากส่วนต่อของมัน

การสร้างรังสีสะท้อนสองเส้นแสดงว่าจุดภาพเสมือนอยู่หลังกระจกห่างเท่ากับวัตถุอยู่ด้านหน้า โดยวัดตั้งฉากกับกระจก ภาพทั้งวัตถุหัวตั้งและขนาดเท่ากัน หากเลื่อนวัตถุให้ระยะเหลือครึ่งหนึ่ง ภาพก็เข้าใกล้ระนาบกระจกเหลือครึ่งหนึ่งเช่นกัน ฉากหลังกระจกรับภาพนี้ไม่ได้ เพราะมีเพียงส่วนต่อเส้นประที่ตัดกัน ไม่ใช่แสงจากวัตถุ

รังสีตกกระทบโดยทำมุม 25° กับผิวกระจก จงหามุมสะท้อนที่วัดจากเส้นแนวฉาก

มุม 25° ที่กำหนดวัดจากผิว ก่อนใช้กฎการสะท้อนต้องหามุมกับเส้นแนวฉาก: α = 90° − 25° = 65°

จากกฎ α = β ได้มุมสะท้อน β = 65°

ตรวจสอบด้วยภาพ รังสีสะท้อนทำมุมกับผิว 90° − 65° = 25° อีกด้านของเส้นแนวฉาก ความสมมาตรตรงตามกฎ

มุมสะท้อนจากเส้นแนวฉากเท่ากับ 65° ส่วนมุมที่รังสีสะท้อนทำกับผิวยังคงเป็น 25°

เราเห็นวัตถุด้วยแสงที่เข้าตา แบบจำลองรังสีติดตามเส้นทางของแสงนั้น

เงามืดและเงามัวขึ้นกับสัดส่วนแหล่งกำเนิดที่สิ่งกีดขวางบัง

กฎการสะท้อนใช้มุมจากเส้นแนวฉาก ส่วนภาพเสมือนอยู่ที่จุดตัดของส่วนต่อรังสี

ที่รอยต่อโปร่งใส แสงบางส่วนอาจผ่านต่อไปด้วยทิศทางใหม่