¿Por qué las superficies blancas no son espejos?

Interesante pregunta.

En cierto sentido, tienes razón. Todos los buenos espejos de longitud de onda visibles son blancos. Pero es más complicado que eso.

Un espejo no se define por su selectividad a diferentes longitudes de onda de color, sino por su reflectividad, que es una función de los parámetros ópticos del material (reflectancia) y su acabado superficial.

Uno puede haber escuchado el término ‘acabado espejo’. En óptica, hay varios grados para lo que puede ser un acabado espejo, pero la idea es acercarse lo más posible a una superficie atómicamente lisa (pista: imposible). De hecho, para la mayoría de las aplicaciones ópticas visibles no es necesario que sea suave al átomo, sino más suave que la longitud de onda más pequeña que desea pasar, o en este caso, la peor de las tolerancias a imperfecciones de hasta + -0.2um. Ese es un estándar bastante bajo para la maquinaria controlada por computadora de hoy. (a menos que estemos hablando de espejos de telescopio supergrandes)

Vigas reflejadas paralelas vs vigas difusas en una superficie. El primero es un candidato para un espejo. Pero no es solo la superficie en sí, la luz tiende a penetrar la materia, y lo que pasa debajo de la superficie también es importante. El papel es blanco pero tiene muchos espacios de aire en su composición, por lo que la luz se esparce dentro de él antes de que se refleje, por lo tanto, no es un comportamiento espejo.

Entonces necesita un material que interactúe con la luz, de modo que refleje la luz de fondo en lugar de transmitirla a través de ella. La mayoría de los metales de transición son buenos candidatos. Incluso algunos no metales son candidatos. La materia elemental densamente compacta tiene menos huecos, por lo que la luz tendrá más posibilidades de salir en una dirección en lugar de varias.

Aquí hay una gráfica de reflectancia dependiente de la longitud de onda de varios metales comunes usados ​​en diferentes espejos:

[Wikipedia]

No confunda con la absorción espectral de un solo átomo. Estas tablas solo son útiles para uno o un grupo de átomos pequeños, principalmente para astrónomos y ciertas áreas de la ciencia donde la espectroscopía de gases es importante. La reflectancia tiene sentido en el contexto de un gran, grueso, sólido.

El aluminio resulta ser un material bastante bueno para el rango visible (450-700 nm). La plata tiene una gran caída en la región UV y tiende a filtrar algo de luz azul. Es excelente para los filtros atenuadores de luz diurna en parabrisas de automóviles o ventanas interiores de bajas emisiones. Esta es la razón por la cual la plata tiene su brillo blanco-violeta distintivo, mientras que el aluminio sin contraste se ve solo … gris (es decir, tonos de blanco).

Oro … bueno, es dorado debido a su transmisividad de luz roja. Sin embargo, cuando el oro se rocía en pequeñas partículas, como la pintura, refleja la luz roja.

Aquí hay otro material interesante, que a menudo se usa como reflector y transmisor de luz: el óxido de indio y estaño. Ambos elementos están fuera de la región convencional ‘metálica’ de la tabla periódica

El vidrio se ve oscuro, y algunas muestras en los teléfonos celulares pueden tener una película polarizadora adicional, lo que puede hacer que mirar a través de él se sienta un poco divertido.

El fosfuro de galio, una aleación cristalina perfecta con una estructura similar al diamante, también es parcialmente transparente, pero se puede hacer que refleje bastante bien:

aquí se muestra en calidad de oblea semiconductora de 3 tamaños diferentes. El sitio web estaba inactivo en el momento de la escritura, trabajo de [ITME.edu.pl]

Pero todos estos eran un solo material. Si solo tenemos un material encima del otro, la trayectoria del haz de la luz puede no ser obvia. En la industria de los semiconductores, a veces pueden decir qué tan gruesa es una capa de dióxido de silicio en una oblea de silicio con solo mirar su color (Ok, necesitas un láser y un espectrómetro ingenioso si quieres hacerlo con precisión).

6.2. oxidación térmica 3 microtech, 2013

de color arcoíris debido a la difracción. No es tu espejo ideal.

de [Circuitos integrados en obleas de silicio]

De hecho, prácticamente todos los espejos para uso personal tienen una lámina metálica intercalada entre dos capas de vidrio. El vidrio es amorfo y el tipo más común, el borosilicato, tiene un tinte verde, mientras que el vidrio rico en plomo se ve amarillento. Sin embargo, no parece hacer una gran diferencia.

También hay muchas longitudes de onda de luz. Trabajo con radiación infrarroja lejana (TeraHertz), donde silicio puro (en la foto)

es transparente y el oro es un reflector casi ideal.

Sospecho que se pregunta “¿cuál es la diferencia entre una superficie blanca difusa y una superficie reflectante especular, como un espejo?”

Especular significa espejos, es decir, haces de luz que son incidentes desde un solo ángulo se reflejan como un haz en el mismo ángulo en relación con la superficie normal

Difuso significa que un haz de entrada incidente desde un ángulo único se refleja en un rango de ángulos múltiples.

La mayoría de las superficies tienen una combinación de componentes de reflexión difusa y especular. La pintura “plana” generalmente se refiere a una superficie que es casi completamente difusa. La pintura “brillante” se refiere a una superficie que es algo difusa pero que también tiene un componente especular significativo.
Una superficie “blanca” implica que una superficie es difusa y altamente reflectante en todas las longitudes de onda. “Gris” implica que una superficie es difusa y solo parcialmente reflectante por igual en todas las longitudes de onda. Las superficies coloreadas son parcialmente reflectantes y se reflejan en algunas longitudes de onda más que en otras.

Sin embargo, no todas las superficies blancas difusas son iguales. Esto es lo que puede hacer que tareas como encontrar muestras de pintura coincidentes sean frustrantemente difíciles. Algunas superficies difusas extienden la luz en un rango de ángulos más estrecho que otras. Esto significa que las pinturas que se ven de la misma manera pueden no coincidir cuando se ven en un ángulo oblicuo.

Una superficie lambertiana se refiere a una superficie difusa ‘ideal’ o ‘perfectamente’. Lambertiano significa que un haz incidente en cualquier ángulo se reflejará en todos los ángulos con igual luminosidad. En el caso de que la luz se refleje en una superficie plana de Lambert, esto significa que la intensidad total cae con el coseno del ángulo desde la superficie (a 90 grados de intensidad es cero, ya que no se puede ver la superficie) Para la luz reflejada en objetos esféricos Esto significa que la luz se refleja isotrópicamente, o con la misma intensidad en todos los ángulos.

Un ejemplo de un objeto lambertiano es el ópalo, una suspensión de muchas esferas diminutas donde la luz se refleja varias veces antes de abandonar la superficie, lo que hace que el ángulo de salida sea efectivamente aleatorio.

Como ingeniero óptico, a menudo asumo que las superficies dentro de un dispositivo o sistema óptico son lambertianas, ya que esto simplifica radicalmente las matemáticas involucradas, pero esto a menudo no es válido.

Razvan Baba dio una respuesta fantástica e integral que cubre casi todo lo implícito en su pregunta. Aquí proporcionaré una respuesta mucho menos completa, mucho más corta.

Una superficie blanca “perfecta” reflejaría todas las longitudes de onda incidentes. Un espejo “perfecto” también reflejaría todas las longitudes de onda incidentes. La diferencia está en la distribución angular de la luz reflejada. Cuando la luz golpea un punto en una superficie blanca, la superficie refleja ese bit de luz en todas las direcciones, más o menos equitativamente (para una superficie “mate”). Cuando la luz golpea un punto en un espejo, se refleja en una sola dirección, la dirección “opuesta” exacta desde la que golpea el espejo.

Es algo como esto: lanzar una pelota de baloncesto en un pase de rebote a un compañero de equipo. El ángulo en el que rebota es exactamente opuesto al ángulo en el que golpea el piso. Eso es un espejo Ahora toma esa pelota de baloncesto y tírala al piso, pero esta vez se rompe en mil pelotas de ping-pong diferentes que rebotan en todas las direcciones. Esa es una superficie blanca. No lleve esa analogía demasiado lejos, pero le da una pequeña idea de la diferencia entre los dos tipos de superficies.

Una razón es que las superficies blancas (como el papel blanco) generalmente no son lo suficientemente lisas, como ha explicado Razvan Baba. Los espejos requieren una superficie lisa para lo que se llama “reflexión especular”. Además, el vidrio en un espejo típico no es lo importante en la formación de imágenes. Una superficie blanca realmente lisa puede mostrar una imagen, pero una superficie blanca no es realmente la mejor para un espejo.

Los metales pulidos a menudo son espejos particularmente buenos. No son blancos, pero generalmente reflejan la mayor parte del espectro visible y pueden reflejar un alto porcentaje de la luz que los golpea.

La explicación completa de por qué algunos metales son buenos para la reflexión especular es bastante complicada. Se debe a la forma en que la luz interactúa con los electrones en la superficie del metal.

Para ver el color “verdadero” del metal, sería mejor mirar la superficie rugosa del metal antes de pulirlo. Después del pulido, el metal mostrará una imagen especular de los objetos y el color de esos objetos en particular.

(Iba a agregar un enlace, pero no pude encontrar uno que realmente me gustara).

No … el color de un objeto es algo que obtienes con reflejo difuso. Los espejos exhiben reflejo especular, por lo que no tienen color. Los colores que ves en un espejo son los colores de la imagen reflejada. ¡La única forma en que un espejo es blanco es si lo sostienes para que estés mirando un objeto blanco en el espejo! 🙂

“Reflexivo” es un término vago y general y significa que cuando apuntas la luz a algo, regresa una fracción significativa.

“Blanco” significa dos cosas: (i) la cantidad reflejada es cercana al 100% e incluso en todas las longitudes de onda visibles y (ii) la reflexión es principalmente especular, es decir, la luz reflejada desde un haz de entrada direccional regresa en un amplio rango de ángulos, en lugar de en un solo haz de salida direccional como con un espejo.

el blanco implica reflectividad en longitudes de onda amplias, generalmente todas aquellas en el espectro visible al menos.

La reflectividad por sí sola podría estar en algunas longitudes de onda específicas.

Por supuesto, el blanco cubre varios pecados, solo el blanco puro sería 100% reflectante en todas las longitudes de onda. el gris sería igualmente reflectante en todas las longitudes de onda pero no al 100%. Y así.

La respuesta simple es que un espejo es un reflector coherente, los fotones en fase permanecen en fase después de la reflexión. Una superficie blanca es un reflector incoherente y los fotones que están en fase antes de impactar la superficie blanca no están en fase después de la reflexión. Para formar una imagen, ya sea en el ojo o en un telescopio, los fotones del objeto deben estar en fase.

Una superficie reflectante refleja el espectro de luz tal como es, con todo su contenido (menos cierta absorción si no es ideal), mientras que una superficie blanca absorbe la energía luminosa y emite luz dentro de un rango que hace que parezca blanco.

No, “blanco” es el resultado de la dispersión reflectante de todas las longitudes de onda de la luz en todas las direcciones. Un espejo tiene que reflejar todos los fotones en la misma relación cuando golpean el espejo, preservando así la imagen.

Estoy tentado a fusionarme
Si tanto los objetos de color blanco como un espejo reflejan todos los colores de luz visibles, ¿por qué un espejo no aparece de color blanco?
¡Pero es la pregunta inversa!

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