Reflexia luminii (Fig 1, a) poate fi definită ca întoarcerea unui fascicul de lumină, după atingerea unei suprafețe cu proprietăți reflectante, în mediul din care aceasta a provenit, unghiul de plecare fiind egal cu cel de sosire (unghi de incidență, respectiv unghi de reflexie – notate în fizică cu litera grecească theta – θ). Astfel, unghiul razei incidente (θi) este egal cu cel al razei reflectate (θr):
θi=θr
Aceasta se numește legea reflecției speculare, din cuvântul latin speculum, care înseamnă „oglindă”. Nu toate suprafețele au aceeași putere de reflexie. Suprafețele lucioase (cum ar fi oglinda) reflectă infinit mai bine lumina decât cele închise la culoare, poroase (de exemplu un burete negru). De asemenea, calitatea luminii reflectate depinde de o serie de factori cum ar fi: structura suprafețelor pe care ajunge lumina incidentă, materialul din care sunt construite acestea, unghiul de incidență, culoarea suprafeței reflectante, dacă în calea luminii incidente există fum, picături de apă, ceață etc.
Cu cât suprafața pe care ajunge fluxul luminos este mai poroasă (de exemplu pielea unui portofel) cu atât fasciculul reflectat va fi mai slab, motiv cauzat de dispersia luminii dată tocmai de neregularitățile suprafeței reflectante (Figura 1, b). În cazul aparatelor optice, tratamentul antireflex este aplicat tocmai pentru a minimiza reflexia luminii, facilitând astfel trecerea acesteia prin seria de lentile care compun corpul optic al aparatului.
Lumina se deplasează în linii drepte, într-un mediu uniform.
Dacă o rază de lumină trece de la un mediu la altul (de exemplu, din aer în apă sau sticlă), într-o direcție perpendiculară pe interfața dintre cele două medii, raza se va deplasa în linie dreaptă (unghi normal). Dacă o rază trece de la un mediu la altul cu o unghiulație diferită de cea normală (90°), direcția razei de lumină se schimbă, în cel de-al doilea mediu – raza fiind deviată. Această deviere a razelor de lumină la întâlnirea interfeței dintre două medii se numește refracție (Figura 1, c).
Toate materialele reflectă lumina, cel puțin într-o oarecare măsură. Acest lucru este valabil chiar și pentru cele mai transparente dintre ele, cum ar fi sticla. Acest lucru se întâmplă deoarece o bucată de sticlă este foarte plată și ușor reflectantă. Să luăm exemplul unei ferestre. Deoarece în exteriorul clădirii există mai multă lumină decât în interiorul acesteia, ferestrele reflectă lumea exterioară. Același fenomen se întâmplă noaptea, dar în sens opus.
Când există iluminare artificială în interior și este întuneric afară, din exterior se poate vedea interiorul unei încăperi prin geamuri, dar din interior, oamenii nu pot vedea afară. Acest lucru se datorează reflexiei. Deci, reflexia este vizibilă numai de pe partea iluminată. O altă observație este aceea că reflectivitatea suprafețelor netede este mai mare atunci când unghiul de incidență (precum și unghiul de reflexie) este aproape de 90°.
Comportamentul luminii într-un mediu depinde de indicele de refracție al mediului, n.
Indicele de refracție al unui mediu determină viteza luminii în acel mediu și unghiul de refracție. Indicele de refracție n este o proprietate intrinsecă a fiecărui material și depinde de densitatea acestuia. În general, cu cât mediul este mai dens, cu atât este mai mare indicele de refracție.
Vidul, și cu o bună aproximare, aerul, are un indice de refracție
n = 1. Indicele de refracție al apei este de 1,33, iar cel al sticlei de 1,52. Indicele de refracție nu este constant pentru fiecare material, dar depinde de lungimea de undă a luminii.
Dacă un fascicul de lumină trece dinspre un mediu cu indicele de refracție n=1.0 (ex. aer) înspre un altul, în care intră și care are indicele de refracție n>1 (ex. apa), acesta va suferi o schimbare a unghiului (θ) de intrare apropiindu-se unghiul normal. Astfel, în cazul refracției, se modifică atât viteza cât și direcția de propagare.
Să comparăm unghiul pe care îl formează o rază la punctul de incidență (θi, unghiul în aer) și unghiul corespunzător din apă (θr). Fascicolul de lumină la interfața dintre aer și apă poate fi descris după cum urmează:
Unghiul în aer (θi) și unghiul în mediu se află pe laturile opuse ale unghiului normal.
Unghiul razei luminoase în aer, raportat la unghiul normal, este întotdeauna mai mare decât unghiul din celălalt mediu, deoarece aerul este mai puțin dens decât orice alt mediu (de exemplu, sticlă, apă, plexiglas, vopsele etc.).
Valoarea unghiurilor θi și θr nu se schimbă dacă raza de lumină trece din aer în mediu sau din mediu în aer. Așadar raza de lumină este reversibilă. Acest lucru este întotdeauna adevărat. Unghiurile θi și θr sunt legate între ele într-o lege foarte precisă și cantitativă – numită legea lui Snell:
(sin θi)/(sin θr ) = nr/ni
iar:
n=A/M
A fiind sin θi și M sin θr. Astfel, se poate calcula refracția unei raze luminoase, cunoscând indicele de refracție a mediului (n).
Majoritatea obiectelor din jurul nostru nu sunt perfect netede, deci nu sunt reflectoare perfecte. Când aceste obiecte sunt iluminate, ele nu reflectă lumina conform legii reflexiei. În schimb, obiectele neșlefuite împrăștie (sau reflectă difuz) lumina în toate direcțiile. Aceasta înseamnă că nu trebuie să ne aflăm într-o anumită poziție sau la un anumit unghi pentru a vedea un obiect iluminat. Fiecare obiect care nu este neted și este iluminat poate fi considerat o sursă de fascicule de lumină.
Soarele, becurile incandescente, neoanele, luminile fluorescente sau monitoarele de computer emit lumină, dar nu sunt foarte multe obiecte emițătoare de lumină. Cu toate acestea, obiectele iluminate neșlefuite pot fi reprezentate ca surse de lumină, deoarece împrăștie lumina în toate direcțiile. Acest proces caracterizează ceea ce numim difuzie a luminii.
După depășirea unui anumit, unghi, numit unghi critic (θc) sau, mai precis, unghiul critic al reflexiei interne totale, toată lumina este reflectată de pe suprafața unei interfețe dintre două medii. Nicio lumină nu este refractată. Acest lucru se întâmplă numai atunci când raza de lumină trece de la un mediu mai dens, la un mediu mai puțin dens – adică de la un indice de refracție mai mare la unul mai mic. De exemplu, acest lucru se poate întâmpla atunci când o rază trece din apă în aer. Unghiul critic pentru interfața apă/aer este de 49°. Pentru sticlă/aer este de 41°, iar pentru diamant este de 24,4°.
Aceasta înseamnă că, dacă unghiul de incidență este mai mare decât unghiul critic, adică θr > θc, atunci nu se refractează nicio lumină. La un unghi critic, unghiul razei incidente (cel din aer) θi este de 90°. Astfel, aplicând legea lui Snell, putem calcula unghiul unui fascicul luminos, la trecerea acestuia printr-un mediu transparent.
În figura 2 sunt ilustrate reflexia, refracția și reflexia totală externă în cazul unei surse de lumină exterioare (a), repectiv reflexia, refracția și reflexia totală internă (b).
Un aspect important, este ce se întâmplă cu lumina în cazul în care suprafața pe care o atinge este transparentă, colorată într-o anumită culoare, opacă sau transparentă. Liviu Lăzărescu (2009) pune în evidență următoarele situații:
- Reflexie și absorbție nulă: dacă lumina incidentă cade perpendicular pe o suprafață perfect transparentă, fără proprietăți reflectante și incoloră, reflexia și absorbția este nulă. Acest lucru este, doar teoretic, posibil, deoarece în practică o foarte mică parte din fasciculul luminos se va pierde, din una sau mai multe din cauzele mai sus amintite. Deci, în acest caz, toate culorile spectrului vizibil străbat suprafața respectivă (Figura 3, a).
- Reflexie nulă, absorbție selectivă: dacă lumina incidentă cade pe un corp transparent colorat în roșu (de exemplu o bucată de plexiglas de culoarea roșie) intervalul radiației luminoase corespunzător lungimii de undă a roșului va trece, însă celelalte șase culori vor fi absorbite (Figura 3, b).
- Reflexie totală, absorbție nulă: este cazul unei suprafețe opace, colorate în alb. În acest caz, toate culorile spectrului vizibil sunt reflectate (Figura 3, c).
- Reflexie și absorbție selectivă: dacă, de exemplu, același corp roșu din exemplul anterior ar fi opac (de exemplu un placaj roșu), acesta va absorbi toate culorile ROGVAIV-ului, cu excepția culorii roșii, pe care o va reflecta (motiv pentru care percepem acel corp ca având culoarea roșie (Figura 3, d).
- Reflexie nulă, absorbție totală: dacă lumina spectrului vizibil cade pe o suprafață opacă și neagră (cum ar fi catifeaua neagră) nu va fi reflectată niciuna din culorile spectrului vizibil, dar vor fi absorbite toate, dând senzația unui corp negru (Figura 3, e).
