Waarom weerkaatsen sommige materialen het licht als een spiegel?
‘Hoe werkt een spiegel? En moeten materialen op een bijzondere wijze geproduceerd en bewerkt worden om te reflecteren als een spiegel?’, mailt Guido Van Horebeek.
We stellen de vraag aan natuurkundige Ewold Verhagen van het AMOLFinsti tuut in Amsterdam. Hij kent de grillen van fotonen als geen ander. Ooit probeer de hij zelfs een soort onzichtbaarheidsmantel à la Harry Potter te maken. Hij had een materiaal ontwikkeld, opgebouwd uit talloze metalen ringetjes. De elektronen in deze spoeltjes vingen de lichtdeeltjes efficiënt op en deden ze van richting veranderen. De fotonen bogen hierdoor om het materiaal heen. ‘Ik heb het uiteindelijk gelaten voor wat het was, want er zaten nogal wat haken en ogen aan de techniek. Maar de theorie was prachtig.’
Ook in minder futuristische materialen bepalen elektronen voor een belang rijk deel de reflectie en kleur, zegt Verhagen. ‘Wil een oppervlak goed reflecte ren, dan moet het elektronen geleiden – elektronen moeten er vrijelijk in rond kunnen bewegen – en het materiaal moet vlak en glad zijn. De ruwheid moet kleiner zijn dan de golflengte van het licht. Laten we aluminium als voorbeeld nemen, niet voor niets het materi aal waar spiegels vaak van gemaakt zijn, in combinatie met een glasplaat. Aan de buitenkant van een laag aluminium zijn altijd volop vrije elektronen aanwezig.
Lichtgolven zijn eigenlijk trillende elektrische velden, en die kunnen de elektronen mee laten trillen. Die trillende elektronen zorgen ervoor dat lichtgolven niet in het materiaal kunnen doordringen. Sterker nog, ze genereren een elektromagnetisch veld buiten de spiegel dat we zien als de weerkaatste licht golf.’
Als de spiegel vlak is zitten de trillende elektronen allemaal netjes op een rijtje, en genereren ze een vlak ‘golffront’.
De lichtgolven worden dan weerkaatst onder dezelfde hoek als waarin zij aankwamen, als biljartballen die tegen de rand van de tafel ketsen. Met andere woorden, het materiaal spiegelt. ‘We noemen dit speculaire reflectie’, zegt Verhagen. Een perfecte spiegel levert honderd procent speculaire reflectie. ‘Maar in veel materialen kun je jezelf wel zien, terwijl ze maar voor een klein deel zorgen voor dit type reflectie. Bij glas is dit bijvoorbeeld vier procent. De rest van het licht beweegt ongehinderd door het materiaal heen.’
Zeer kalme en onder een grote hoek bekeken wateroppervlakken reflecteren sterk. Super irritant, want het kan leiden tot verblinding als de laagstaande zon weerkaatste op een nat wegdek. Maar aan deze eigenschap danken we ook de Bob Rossachtige taferelen in de natuur: bergen en bossen die spiegelen in een waterpartij.
Is het oppervlak ruw, dan stuiteren de lichtdeeltjes alle kanten op. Je krijgt dan een diffuse reflectie. Denk aan het licht dat van een mat wit geverfde muur afstraalt. Je kunt jezelf absoluut niet in het oppervlak zien. Er is geen enkele schittering. Hetzelfde geldt voor materialen die elektronen slecht geleiden. Licht dringt daarin binnen. Een deel wordt geabsorbeerd, en een ander deel wordt alle kanten uitgespuwd.
Bij een vlakke spiegel worden lichtgolven weerkaatst onder dezelfde hoek als zij aankwamen
Vragen voor de wetenschapswinkel zijn welkom op wetenschap@standaard.be, onder vermelding van naam en woonplaats.