Почему стекло пропускает свет, а металл и кирпич нет? Как работает зеркало? Почему сквозь матовое стекло идёт свет, но предметов там нельзя разглядеть? Попытаемся понять, как вещества взаимодействуют со светом.
Как свет проходит сквозь стекло окна и почему не проникает в стену? Ответить на этот вопрос поможет изучение свойств света и материи.
Свет — это волны
О свете можно описывать двумя способами: как поток частиц света (фотонов) и как электромагнитную волну. Первый способ более точен, но сложен для понимания. Фотон в веществе не является шариком или мячиком. Законы его поведения сложны, не до конца изучены и трудно объяснить простым языком. Поэтому лучше поговорим о свете как о волнах.
Вещество состоит из атомов, каждый из которых имеет ядро с положительным зарядом и окружённые ним электроны с отрицательным зарядом. Притяжение между противоположными зарядами удерживает электроны около ядра.
Как заряженные частицы взаимодействуют на расстоянии, не соприкасаясь? электрическим полемЭлектроны находятся под действием поля ядра, которое тянет их к нему. Можно представить электрические поля как длинные руки, которыми заряженные частицы тянутся друг к другу, чтобы взаимодействовать.
Электрическое поле свойственно не только заряженным частицам, но и свету. Факт заключается в том, что свет — электромагнитная волнаДругими словами, он представляет собой колебания электрического и магнитного полей. Об электрических поле расскажем подробнее, а о магнитном — нет.
Электромагнитные волны напоминают волны на воде от брошенного камня. Если бросить камень в воду и наблюдать за какой-нибудь травинкой, торчащей из воды, ее будут последовательно охватывать гребни и впадины. Так же атом, попавший под световой луч, будет подвергаться воздействию «гребней», где электрическое поле очень сильное, и «впадин», где оно такого же значения, но противоположное по направлению. В случае света смены «гребней» и «впадин» происходят очень часто: сотни триллионов раз в секунду.
Грузики и пружинки
Вследствие действия электрического поля света на частицы атома электроны начнут колебаться под воздействием волны.
Притяжение между электроном и ядром сохранится. Волна будет оттягивать электрон от его положения, а ядро будет притягивать его обратно. В результате электрон будет колебаться, но не так, как поплавок на озере, полностью подвластный волне. Скорее, он будет напоминать подвешенный на пружине груз, за который ритмично тянут вверх и вниз. Притяжение к ядру — это пружина, а световая волна, раскачивающая электрон, — тянущая рука.
Начинается самое увлекательное. Колеблющийся электрон превратится в источник света. Природа такова, что колеблющаяся заряженная частица излучает электромагнитные волны. вторичнымиЧтобы отличать последующие волны от первой, которая охватила атом и заставила электрон колебаться.
Конечно, под светом одного атома книгу не прочитать. Но атомов много, очень много. В стекле вашего окна их больше, чем стаканов воды во всем Мировом океане. Во всех атомах, попавших под свет волну, электроны колеблются и излучают вторичные волны.
Коллективная прямота
Вторичные волны перекрываются. Такое перекрытие не всегда приводит к усилению. Если гребень второй волны совпадает с гребнем первой (говорят, что эти волны) в фазе Если гребни волн взаимодействуют, то взаимно усиливаются. Если же гребень второй волны совпадает с впадиной первой… в противофазеВ случае взаимодействия волны могут сглаживать и ослабляться друг друга. Две абсолютно идентичные волны в противофазе полностью гасят влияние друг друга, создавая иллюзию отсутствия волн вовсе.
Происходит сложная картина: каждый отдельный атом излучает вторичные волны во всех направлениях. Однако волны от различных атомов интерферируют друг с другом, в одних местах совпадая (в фазе), в других – противостоя друг другу (в противофазе), а иногда складываясь частично. В результате где-то волны взаимно погашаются и исчезают, а где-то усиливаются.
Физики способны вычислить результат взаимодействия вторичных волн от всех атомов. Для этого требуется сложная математика, но можно поверить словам ученых, даже если результат удивителен: получается свет, проходящий сквозь вещество прямолинейно.
Рассеяние света: ах, какой рассеянный!..
Правило «свет идёт по прямой» не действует для матированного стекла, туманного воздуха и других. мутных средВ этих вещах световая волна часто сталкивается с помехами: пузырьками воздуха в стекле, частицами дыма в воздухе и тому подобное. Из-за этого свет постоянно меняет направление. В мутной среде свет рассеиваетсяДвижется хаотично во всех направлениях. Картинка напоминает пазл, чьи фрагменты перемешали и разбросали. Именно поэтому сквозь матовое стекло ничего не просматривается (что весьма уместно в некоторых ситуациях!). По этой же причине непрозрачна куча мелких осколков разбитого стекла: границы между частями рассеивают свет.
Преломление света: поворот в пути
Вернёмся к прозрачному оконному стеклу. При падении первичной волны под прямым углом к поверхности стекла свет, порождённый вторичными волнами, будет двигаться так же, как и первоначальная волна. В остальных случаях свет при попадании в вещество меняет направление. Это называется… преломлением света.
Некоторые прозрачные вещества преломляют свет сильнее, чем другие. Это объясняется двумя факторами: плотностью и строением атомов. Чем плотной является среда, тем теснее расположены атомы, и тем сильнее преломляется свет. Например, стекло плотнее воды, поэтому в нём свет преломляется заметнее. Атомы также бывают разными. Расстояние между электроном и ядром, а также сила притяжения влияют на волны, которые излучаются атомами, что в свою очередь определяет степень преломления света.
Отражение света: мир в зеркалах
Прозрачные и непрозрачные объекты частично отражают свет. Благодаря этому отражённому свету в глаза попадает информация о предметах, которую мы интерпретируем как зрение. Объекты, отражающие много света, кажутся нам светлыми, а почти не отражающие — темными. В жаркую погоду наденьте светлую головную убрус, чтобы избежать перегрева головы!
Источник отраженной световой волны теперь понятен. Вторичные волны от каждого атома на поверхности вещества распространяются во всех направлениях: как внутрь вещества, так и наружу.
Входящие вовнутрь волны формируют свет в веществе, а направленные наружу – отраженный свет.
Если предметы отражают свет, почему мы не видим в них свое отражение? В первую очередь, они отражают не весь свет, а лишь часть, и часто незначительную. Даже в свежевыпавшем снегу, отражающем 90% падающего света, увидеть свое отражение невозможно. Поверхность его слишком неровная: каждый маленький участок служит зеркалом, отражая свет в собственном направлении. Для того чтобы поверхность стала единым зеркалом, она должна быть очень гладкой.
Самые качественные зеркала изготовляют из металла. В массивных зеркалах для стен свет отражается от очень тонкого покрытия серебром, за которым располагается прозрачное стекло. В недорогих карманных зеркалах отражающую поверхность чаще всего создают из алюминия.
Металлы обладают хорошей способностью отражать свет по причине наличия… свободные электроныНе прикреплённые к конкретному атому, свободно путешествуют по всему объему вещества электроны, не сдерживаемые ядрами, колеблются с большим размахом. Неудивительно, что порождают сильные вторичные волны. Как помним, часть этих волн идет наружу, а часть внутрь вещества. Волны, идущие наружу, — это отраженный свет. А вот волны, идущие вглубь металла, находятся… в противофазеС падающей волной и практически полностью гасятся (причина такого поведения в противофазе требует математического объяснения, просто доверьтесь этому факту). Потому металлы отлично отражают свет, но весьма непроницаемы для него.
Железный гвоздь, алюминиевая ложка или серебряный крестик не являются зеркалами из-за покрытия: гвоздь – оксидом железа, ложка – оксидом алюминия, а крестик – оксидом серебра. Оксиды – это не сами металлы и значительно хуже отражают свет.
Поглощение света: исчезнуть без следа
Кстати, о непрозрачности. С металлами всё понятно, а что происходит с светом, попадающим, например, на кирпичную стену? Часть света от неё отражается, а остальные… поглощается. Что такое поглощение и как оно работает?
Представим, что пружина, на которой подвешен груз, очень жесткая. Тогда груз не будет сильно раскачиваться: все усилия пойдут на то, чтобы растянуть её хоть немного. Так и в атомах непрозрачных веществ — кроме металлов — электроны связаны с ядрами настолько крепко, что почти не колеблются. Падающая световая волна тратит свою энергию, пытаясь их сдвинуть с места, и постепенно исчезает. Энергия переходит в тепло, нагревая вещество.
Свет, взаимодействуя с веществом, создаёт множество необычных явлений.