Reflexion

Reflexion als Welleneigenschaft

Die Reflexion ist eine der typischen Eigenschaften von Wellen. Alle Wellen, ob Wasser-, Schall-, Erdbeben- oder elektromagnetische Wellen, zu welchen das Licht gehört, reflektieren an Grenzflächen von zwei verschiedenen Medien.

Die Welle wird nicht vollständig reflektiert, sondern ein Teil wird absorbiert, d.h. die Energie der Welle wird in eine andere Energieform umgewandelt (meist in thermische Energie). Ein Teil der Welle wird in das andere Medium transmittiert, wo sich die Welle weiter fortpflanzt.

Licht, das ja aus Photonen besteht, die sich wie eine Welle verhalten, wird sich beim Auftreffen auf eine Grenzfläche zu einem anderen Medium ebenfalls so verhalten. Beispielsweise trifft Licht in der Luft (Medium 1) auf Wasser (Medium 2) und wird deshalb zum Teil reflektiert. Dabei entsteht das bekannte Spiegelbild im Wasser. Ein Teil des Lichts dringt aber auch in das Wasser ein, sonst wäre es im Wasser ja stockdunkel. Das Licht ist im Wasser aber bereits schwächer, weil ein Teil zurück in die Luft reflektiert und ein kleiner Teil absorbiert worden ist.

Spiegel funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Das Licht trifft zuerst auf das Glas, wo es bereits schon ein bisschen reflektiert wird. Das meiste Licht wandert aber im Glas des Spiegels weiter bis zur Metallschicht. Dort wird fast alles Licht reflektiert und nur ein verschwindend kleiner Teil wird absorbiert.

Ideale Spiegel benutzen die sog. Totalreflexion. Unter bestimmten Umständen ist der transmittierte Anteil der Welle im zweiten Medium absolut null und wir können wirklich von totaler Reflexion sprechen. Natürlich gibt es immer ein kleines Bisschen Absorption im Material, aber wir verlieren den Anteil nicht, der in anderen Fällen transmittiert wird. Für Anwendungen, wo es darauf ankommt, dass bei der Reflexion wirklich nichts verloren geht, wird Totalreflexion eingesetzt.

Alle Wellen zeigen an Grenzflächen zwischen zwei verschiedenen wellenleitenden Medien folgendes Verhalten:

• Ein Teil der Welle wird im ersten Medium reflektiert (Reflexion)
• Ein Teil der Welle wird absorbiert (Absorption)
• Ein Teil der Welle wird im anderen Medium transmittiert (Transmission)

Direkte Reflexion

Das Reflexionsgesetz gilt für die sog. direkte Reflexion an sämtlichen glatten Oberflächen, z.B. Metall, Glas, Wasser, glänzender Kunststoff etc.

Diffuse Reflexion (Streuung)

Nicht-glatte (raue) Oberflächen können wir uns als viele kleine, verschieden orientierte glatte Oberflächen vorstellen. Wegen der unterschiedlichen Orientierung dieser kleinen Teilflächen werden die Lichtstrahlen zwar auch nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, sie verlassen die Grenzfläche aber in allen möglichen Richtungen. Wir sprechen in diesem Fall von diffuser Reflexion oder von Streuung. Die meisten realen Oberflächen sind in dieser Art. Durch spezielle Techniken (z.B. Polieren) können diese kleinen Teilflächen kleiner und flacher gemacht werden. Als Beobachter sehen einfach, wie die polierte Oberfläche anfängt zu glänzen. In Wirklichkeit werden die reflektierten Strahlen einfach weniger zufällig gestreut, sondern verlassen alle die Oberfläche mit nur noch schwach abweichenden Reflexionswinkeln.

Kleine Partikel oder Tröpfchen streuen die Lichtstrahlen ebenfalls in alle zufällige Richtungen. Wir kennen diese Art von diffuser Reflexion aus trüben Flüssigkeiten (Emulsionen und Suspensionen) oder bei Aerosolen (Rauch, Nebel).

Entstehung eines virtuellen Bildes

Die Gegenstände, die wir sehen, senden Lichtstrahlen ab, die in unser Auge eintreffen. Eine Lichtquelle produziert ihr eigenes Licht. Andere Objekte reflektieren oder streuen Lichtstrahlen, die dann in unser Auge gelangen. Wir sehen deshalb nicht nur die eigentliche Lichtquelle, die Kerzenflamme, sondern auch die Kerze selber, die Licht in alle Richtungen streut, z.T. auch in Richtung unseres Auges.

In der folgenden Grafik sind zwei Spiegel aufgestellt, die den Lichtstrahl zweimal reflektieren. Die vom Lichtstrahl zurückgelegte Strecke ist gleich, wie im obigen Beispiel. Für das Auge, das den Lichtstrahl empfängt, ändert sich gar nichts. Es ist der gleiche Lichtstrahl und er trifft unter dem gleichen Winkel in das Auge ein. Eigentlich sind es ganz viele Lichtstrahlen, auch die gestreuten Lichtstrahlen von der Kerze selber gehen mehr oder weniger den gleichen Weg und treffen ins Auge ein. Das Erstaunliche ist deshalb, dass sich für das Auge nichts geändert hat. Es kann keinerlei Unterschied feststellen. Der Beobachter sieht die gleiche Kerze wie in der vorigen Aufstellung ohne Spiegel.

Wenn für den Beobachter sich nichts geändert hat, dann vermutet er oder sie, dass die Kerze immer noch am gleichen Ort steht. In Wirklichkeit steht sie aber an einem anderen Ort.

Am alten Ort ist ein sog. virtuelles Bild der Kerze. Wir nennen das bild virtuell, weil es am vermuteten Ort nichts gibt. Es hat dort nichts, nicht einmal Lichtstrahlen! Im Gegensatz zu virtuellen Bildern gibt es auch reelle Bilder. Es sind zwar Bilder und nicht physikalische Objekte, jedoch existieren sie tatsächlich am vermuteten Ort. Sie senden auch echte Lichtstrahlen vom vermuteten Ort aus.

Ein virtuelles Bild ist ein vom Beobachter vermutetes Objekt am falschen Ort, wo weder Objekt, noch Lichtstrahlen physikalisch vorhanden sind.

Die Täuschung für den Beobachter entsteht dadurch, dass das Auge nur Lichtstrahlen wahrnehmen kann, nicht aber, welchen Weg diese Lichtstrahlen genommen haben. Der Beobachter vermutet aus Erfahrung ein geradliniger, direkter Weg.