Độ phản xạ (Reflectivity)

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phản xạ:

• Bước sóng của bức xạ: Độ phản xạ có thể thay đổi theo bước sóng của ánh sáng tới. Ví dụ, một vật thể có thể phản xạ mạnh ánh sáng đỏ nhưng hấp thụ mạnh ánh sáng xanh. Điều này là do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và các electron trong vật chất, vốn phụ thuộc vào tần số (hay bước sóng) của bức xạ.
• Góc tới: Góc mà tia sáng tới tạo với pháp tuyến của bề mặt ảnh hưởng đến độ phản xạ. Ở góc tới nhỏ (gần với pháp tuyến), độ phản xạ thường cao hơn. Khi góc tới tăng lên, độ phản xạ có thể giảm xuống. Đối với một số vật liệu, có một góc tới đặc biệt gọi là góc Brewster, tại đó ánh sáng phân cực song song với mặt phẳng tới sẽ không bị phản xạ.
• Đặc tính bề mặt: Bề mặt nhẵn, bóng thường có độ phản xạ cao hơn bề mặt gồ ghề, xốp. Bề mặt gồ ghề làm tán xạ ánh sáng theo nhiều hướng khác nhau, làm giảm lượng ánh sáng phản xạ theo một hướng cụ thể.
• Chất liệu: Các vật liệu khác nhau có độ phản xạ khác nhau. Ví dụ, kim loại thường có độ phản xạ cao hơn so với các chất phi kim do các electron tự do trong kim loại dễ dàng dao động và phát lại bức xạ điện từ.
• Phân cực của ánh sáng: Trong một số trường hợp, độ phản xạ phụ thuộc vào sự phân cực của ánh sáng tới. Ánh sáng phân cực là ánh sáng có vectơ điện trường dao động theo một phương nhất định. Độ phản xạ có thể khác nhau đối với ánh sáng phân cực tuyến tính theo phương song song hoặc vuông góc với mặt phẳng tới.

Công thức tính độ phản xạ:

Độ phản xạ (R) được tính bằng công thức:

$R = \frac{I_r}{I_i}$

Trong đó:

• $I_r$ là cường độ bức xạ phản xạ.
• $I_i$ là cường độ bức xạ tới.

Công thức này áp dụng cho cả bức xạ điện từ nói chung và ánh sáng nói riêng. Trong trường hợp ánh sáng, $I_r$ và $I_i$ có thể biểu thị bằng công suất (năng lượng trên đơn vị thời gian) hoặc thông lượng bức xạ (năng lượng trên đơn vị thời gian trên đơn vị diện tích).

Các loại độ phản xạ:

• Độ phản xạ gương (Specular reflection): Xảy ra khi ánh sáng phản xạ theo một hướng xác định, tuân theo định luật phản xạ: góc phản xạ bằng góc tới. Bề mặt phản xạ thường nhẵn và phẳng như gương.
• Độ phản xạ khuếch tán (Diffuse reflection): Xảy ra khi ánh sáng phản xạ theo nhiều hướng khác nhau. Bề mặt phản xạ thường gồ ghề hoặc không đồng nhất. Ví dụ điển hình là bề mặt giấy hoặc tường sơn.
• Phản xạ hỗn hợp: Trong thực tế, nhiều bề mặt thể hiện cả hai loại phản xạ gương và khuếch tán. Ví dụ, một mặt đường nhựa có thể vừa phản xạ gương (khi ướt) vừa phản xạ khuếch tán (khi khô).

Ứng dụng của độ phản xạ:

Độ phản xạ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

• Quang học: Thiết kế gương, thấu kính, kính hiển vi, kính thiên văn, và các thiết bị quang học khác. Việc hiểu và kiểm soát độ phản xạ là yếu tố then chốt trong việc tạo ra các hệ thống quang học hiệu quả.
• Nhiếp ảnh: Kiểm soát ánh sáng trong chụp ảnh, bao gồm việc sử dụng các tấm hắt sáng (reflector) để điều chỉnh độ sáng và hướng của ánh sáng.
• Kiến trúc: Thiết kế các bề mặt phản xạ ánh sáng để điều chỉnh nhiệt độ và ánh sáng trong các tòa nhà, giúp tiết kiệm năng lượng và tạo ra môi trường sống thoải mái hơn.
• Viễn thám: Phân tích độ phản xạ của bề mặt Trái Đất để thu thập thông tin về thảm thực vật, đất đai, và các đặc điểm địa lý khác. Các vệ tinh viễn thám sử dụng cảm biến để đo độ phản xạ ở các bước sóng khác nhau, từ đó suy ra thông tin về đối tượng được quan sát.
• Y học: Sử dụng trong các kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh như siêu âm, nội soi. Độ phản xạ của sóng siêu âm tại các mô khác nhau trong cơ thể giúp tạo ra hình ảnh các cơ quan nội tạng.
• Công nghiệp năng lượng mặt trời: Tăng cường độ phản xạ của các vật liệu trong pin mặt trời để tối ưu hóa việc hấp thụ ánh sáng.

Ví dụ:

Gương có độ phản xạ cao, gần 100% đối với ánh sáng khả kiến. Tuyết cũng có độ phản xạ cao (khoảng 80-90% đối với ánh sáng mặt trời), dẫn đến hiện tượng chói mắt khi trời nắng. Ngược lại, than có độ phản xạ thấp (khoảng 4%), hấp thụ hầu hết ánh sáng tới. Bề mặt nước thay đổi độ phản xạ tùy thuộc góc tới, ở góc tới nhỏ, độ phản xạ cao và ngược lại.

Mối quan hệ giữa độ phản xạ, độ truyền qua và độ hấp thụ:

Khi bức xạ điện từ tương tác với một vật liệu, nó có thể bị phản xạ, truyền qua hoặc hấp thụ. Tổng năng lượng của ba quá trình này phải bằng năng lượng bức xạ tới. Do đó, ta có mối quan hệ:

$R + T + A = 1$

Trong đó:

• $R$ là độ phản xạ.
• $T$ là độ truyền qua (Transmittance), tỷ lệ năng lượng bức xạ truyền qua vật liệu.
• $A$ là độ hấp thụ (Absorptance), tỷ lệ năng lượng bức xạ bị hấp thụ bởi vật liệu.

Phương trình này biểu thị định luật bảo toàn năng lượng. Năng lượng không tự nhiên sinh ra hoặc mất đi, mà chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác.

Độ phản xạ và hệ số phản xạ (Reflectance):

Đôi khi, thuật ngữ “độ phản xạ” và “hệ số phản xạ” được sử dụng thay thế cho nhau. Tuy nhiên, có sự khác biệt nhỏ giữa hai đại lượng này. Hệ số phản xạ thường được sử dụng để chỉ tỷ lệ năng lượng phản xạ khi ánh sáng chiếu vuông góc với bề mặt. Trong khi đó, độ phản xạ có thể được sử dụng cho bất kỳ góc tới nào. Hệ số phản xạ là một trường hợp đặc biệt của độ phản xạ.

Độ phản xạ trong trường hợp môi trường nhiều lớp:

Việc tính toán độ phản xạ trở nên phức tạp hơn khi xét đến các hệ nhiều lớp, ví dụ như lớp phủ trên bề mặt kim loại. Trong trường hợp này, cần phải xem xét sự phản xạ và truyền qua ở mỗi mặt phân cách giữa các lớp. Phương trình Fresnel được sử dụng để tính toán độ phản xạ và độ truyền qua tại mỗi mặt phân cách, có tính đến sự phân cực của ánh sáng và góc tới.

Độ phản xạ và màu sắc:

Màu sắc mà chúng ta nhìn thấy là kết quả của sự phản xạ chọn lọc của ánh sáng. Một vật thể có màu đỏ vì nó phản xạ mạnh ánh sáng đỏ và hấp thụ các bước sóng khác. Một vật thể có màu đen hấp thụ hầu hết ánh sáng tới, trong khi một vật thể có màu trắng phản xạ hầu hết ánh sáng tới. Sự phản xạ chọn lọc này liên quan đến cấu trúc electron và các tính chất quang học của vật liệu.

Đo lường độ phản xạ:

Có nhiều phương pháp để đo độ phản xạ, bao gồm sử dụng quang phổ kế (spectrophotometer), máy đo độ phản xạ (reflectometer), và các thiết bị quang học khác. Việc lựa chọn phương pháp đo phụ thuộc vào loại vật liệu, bước sóng ánh sáng, dải bước sóng cần đo và độ chính xác yêu cầu. Quang phổ kế thường được dùng để đo độ phản xạ ở các bước sóng khác nhau, trong khi máy đo độ phản xạ thường đo ở một góc tới và bước sóng cố định.

• Hecht, E. (2017). Optics. Pearson Education.
• Pedrotti, F. L., Pedrotti, L. S., & Pedrotti, L. M. (2017). Introduction to optics. Pearson Education.
• Griffiths, D. J. (2007). Introduction to electrodynamics. Pearson Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Câu 1: Làm thế nào để tính toán độ phản xạ của một bề mặt khi ánh sáng tới không vuông góc với bề mặt?

Trả lời: Khi ánh sáng tới không vuông góc, độ phản xạ phụ thuộc vào góc tới và chỉ số khúc xạ của môi trường. Phương trình Fresnel được sử dụng để tính toán độ phản xạ trong trường hợp này. Phương trình Fresnel khá phức tạp và có hai thành phần: hệ số phản xạ cho sóng phân cực song song (p) và hệ số phản xạ cho sóng phân cực vuông góc (s) với mặt phẳng tới.

Câu 2: Sự khác biệt giữa hệ số phản xạ và suất phản chiếu là gì?

Trả lời: Hệ số phản xạ thường được dùng để chỉ tỷ lệ năng lượng phản xạ khi ánh sáng chiếu vuông góc với bề mặt. Suất phản chiếu (albedo) là tỷ lệ năng lượng phản xạ tổng cộng của một bề mặt, bao gồm cả phản xạ khuếch tán và phản xạ gương, trên toàn bộ dải phổ bức xạ điện từ mà nó nhận được. Suất phản chiếu thường được sử dụng trong khí tượng học và thiên văn học.

Câu 3: Ảnh hưởng của phân cực ánh sáng tới độ phản xạ như thế nào?

Trả lời: Phân cực của ánh sáng ảnh hưởng đến độ phản xạ, đặc biệt là ở góc tới khác không. Phương trình Fresnel cho thấy độ phản xạ của ánh sáng phân cực p và phân cực s khác nhau. Ở một góc tới đặc biệt gọi là góc Brewster, ánh sáng phân cực p không bị phản xạ.

Câu 4: Làm thế nào để đo độ phản xạ của vật liệu trong suốt?

Trả lời: Đối với vật liệu trong suốt, cần đo cả độ phản xạ và độ truyền qua. Có thể sử dụng quang phổ kế UV-Vis-NIR để đo cả hai đại lượng này. Bằng cách chiếu một chùm ánh sáng qua vật liệu và đo lượng ánh sáng truyền qua và phản xạ, ta có thể tính được độ phản xạ.

Câu 5: Tại sao kim loại thường có độ phản xạ cao?

Trả lời: Kim loại có độ phản xạ cao do sự tương tác của ánh sáng với các electron tự do trong kim loại. Các electron này có thể dao động dễ dàng với tần số của ánh sáng tới và tái phát xạ ánh sáng, dẫn đến độ phản xạ cao, đặc biệt là trong vùng hồng ngoại và khả kiến.