¿Por qué el agua refleja la luz?

La respuesta más fundamental es que el agua refleja la luz porque la impedancia de onda del agua es diferente a la del aire y el campo eléctrico y magnético debe ser continuo en todo el espacio.

Lo importante a tener en cuenta es que la impedancia de onda es la relación fija de la amplitud del campo eléctrico y magnético de la onda de luz y que el campo eléctrico y el campo magnético deben ser continuos, es decir, no pueden cambiar su valor discontinuamente en los límites del material.

Esta es una consecuencia directa de las ecuaciones de Maxwell, las ecuaciones fundamentales que describen la propagación de la luz.

Si piensa en los dos requisitos, puede pensar que esto es contradictorio y no se puede cumplir simultáneamente en todos los casos, por ejemplo, cuando un haz de luz golpea un límite donde se encuentran dos materiales con diferente impedancia de onda. Esto es cierto solo a primera vista y es la razón por la cual hay un tercer rayo.

En una vista simplificada, la impedancia de onda del haz reflejado tiene un signo negativo, de modo que para los tres haces (haz entrante, haz transmitido y haz reflejado), la relación del campo E y H es la impedancia de onda del material relevante y también E y H son continuas en el límite. Si lo piensas, notarás que esto solo es posible con tres haces y no con dos.

De este principio fundamental (teniendo en cuenta la polarización de E y H) se siguen todas las demás leyes relacionadas con la reflexión. Especialmente la ley de Snell con el índice de refracción. El principio fundamental predice la cantidad de reflexión, así como la transmisión y también la dirección. También predice las ecuaciones de Fresnel que especifican la reflexión y la transmisión para diferentes polarizaciones (que no se pueden derivar con argumentos que involucran solo el índice de refracción).

Para los metales, la explicación también es válida, la impedancia de la onda es idealmente cero para los metales, de modo que solo haya un haz reflejado.

Para obtener una lista de los efectos por los que la impedancia de onda es diferente para diferentes materiales, consulte la respuesta de John Fistere.

Si un material es reflectante o no, y en qué medida, depende de la estructura atómica del material. Cuando los fotones golpean una superficie, interactúan con los átomos de esa superficie, lo que suele elevar el nivel de energía de los electrones. Cuando los electrones vuelven a irradiar la energía, la estructura del material determina si se libera como calor en el material, se vuelve a irradiar de forma difusa o se vuelve a irradiar con el mismo ángulo de incidencia. La diferencia aparece como material oscuro, material mate claro o similar a un espejo, respectivamente. El resultado está influenciado por los átomos a ambos lados de la interfase.

La onda EM consta de componentes eléctricos y magnéticos. El campo eléctrico es responsable de la reflexión. Cuando la onda EM golpea la superficie del agua, el componente eléctrico convierte las moléculas de agua (H2O es un dipolo) Al momento siguiente, las moléculas de agua quieren volver a la posición inicial. Entonces regresan y, por lo tanto, muchas moléculas al mismo tiempo vuelven a emitir una nueva onda EM en la dirección opuesta.

Es simplemente porque el agua es mucho más plana y suave que la mayoría de las superficies. Ves reflejos en el agua pero no, digamos, arena, por la misma razón que ves tu reflejo en una pieza de acero pulida pero no en una pieza de acero lijada en bruto. Todos los materiales reflejan la luz hasta cierto punto, pero una superficie rugosa dispersa los rayos reflejados en todas las direcciones, por lo que las imágenes reflejadas se ven borrosas y no se reconocen. Por otro lado, con una superficie muy lisa, todos los rayos de luz reflejados permanecen dispuestos de la misma manera que estaban dispuestos antes de llegar a la superficie (excepto que se invierten en una imagen de espejo, por supuesto).