Почему стекло обладает прозрачностью, а металл и кирпич — нет? Почему зеркало способно отражать свет? Почему сквозь матовое стекло проходит свет, но не видно предметов? Рассмотрим сложный вопрос о том, как вещество взаимодействует с падающим на него светом.
На первый взгляд, вопрос прост: как свет проникает сквозь оконное стекло и почему не проходит через стену? Чтобы ответить на него, необходимо рассмотреть строение вещества и природу света.
Свет — это волны
Свет можно рассматривать с двух точек зрения: как поток частиц, фотонов, и как электромагнитные волны. Второй подход менее точен, но значительно проще для понимания. Представление о фотоне как о частице, находящейся в веществе, не соответствует действительности, поскольку его поведение определяется сложными законами, которые еще недостаточно изучены и трудно выразить на простом языке. Поэтому, оставив в стороне сложные вопросы квантовой оптики, поговорим о свете как о волнах.
Вещество формируется из атомов. Каждый атом включает в себя положительно заряженное ядро и электроны с отрицательным зарядом, вращающиеся вокруг него. Благодаря взаимному притяжению противоположных зарядов, ядро удерживает электроны, предотвращая их рассеивание.
Как заряженные частицы способны притягиваться или отталкиваться на расстоянии, не контактируя друг с другом? Это объясняется тем, что они окружены электрическим полем. Электроны находятся под воздействием электростатического поля ядра, которое удерживает их притяжением. Электрические поля можно представить как протяженные силы, посредством которых заряженные частицы взаимодействуют друг с другом.
Электрическое поле существует не только у заряженных частиц, но и у света. Это объясняется тем, что свет — электромагнитная волна. По сути, он представляет собой изменяющееся электрическое и магнитное поле. Мы не будем рассматривать магнитный аспект света, однако подробнее остановимся на электрическом компоненте.
Электромагнитные волны имеют много общего с волнами на поверхности воды, возникающими при броске камня. Если посмотреть на торчащую из воды былинку, то можно увидеть, как она последовательно поднимается и опускается под воздействием гребней и впадин волны. Аналогично, атом, подверженный воздействию световой волны, испытывает воздействие участков с сильным электрическим полем («гребни») и участков с таким же сильным, но противоположно направленным полем («впадины»). При этом, в случае света, смена гребней и впадин происходит чрезвычайно быстро – сотни триллионов раз в секунду!
Грузики и пружинки
Что произойдет с атомом в этом случае? Необходимо вспомнить, что электрическое поле оказывает воздействие на заряженные частицы, притягивая или отталкивая их. Эта сила, создаваемая светом, будет воздействовать как на ядро, так и на электроны. Однако, поскольку ядра во много раз массивнее электронов (в тысячи, а то и сотни тысяч раз), сдвинуть их с места достаточно сложно. В то же время, электроны начнут колебаться в соответствии с частотой волны.
Несмотря на это, притяжение между электроном и ядром сохраняется. Световая волна будет смещать электрон с его первоначальной позиции, в то время как ядро продолжает притягивать его. В итоге электрон начнет колебаться, но не подобно поплавку, полностью зависящему от волны. Он скорее напоминает грузик, подвешенный на пружине и подвергающийся ритмичному растяжению вверх и вниз. В данном случае, пружина символизирует притяжение ядра, а «тянущая рука» – световая волна, раскачивающая электрон.
Дальше начинается самое интересное. Колеблющийся электрон сам начинает генерировать свет! Согласно законам природы, заряженная частица, находящаяся в колебательном движении, излучает электромагнитные волны. Физики называют эти волны вторичными, чтобы их можно было различить от первичной волны, которая воздействовала на атом и вызвала колебание электрона.
Конечно, прочитать книгу при свете одного атома невозможно. Однако атомов очень много. В стекле вашего окна их больше, чем стаканов воды в Мировом океане. И во всех атомах, подвергшихся воздействию световой волны, электроны колеблются и испускают вторичные волны.
Коллективная прямота
Эти вторичные волны перекрываются. Это не всегда приводит к усилению. Если вершина второй волны совпадает с вершиной первой (что часто и происходит в фазе друг с другом), то они усиливают друг друга. Если же гребень второй волны попадает точно на впадину первой (эти волны в противофазе), если волны находятся в противофазе, то их воздействие уменьшается, они ослабляют друг друга. Две абсолютно идентичные волны, находящиеся в противофазе, полностью взаимно уничтожают друг друга, создавая эффект отсутствия волн. Эта информация нам еще пригодится!
Ситуация оказывается непростой. Каждый атом испускает дополнительные волны, распространяющиеся во всех направлениях. Однако волны, исходящие от разных атомов, перекрываются, приводя к тому, что в одних местах они находятся в согласии, в других – в противофазе, а в третьих – частично компенсируют друг друга. В итоге, в некоторых областях волны взаимно аннулируют друг друга, исчезая, а в других – наоборот, усиливаются.
Ученые разработали метод расчета взаимодействия вторичных волн, возникающих от огромного количества атомов. Этот метод основан на сложных математических вычислениях, поэтому приходится доверять экспертам, даже если полученный результат кажется необычным. И он действительно впечатляет: расчеты показывают, что в результате получается свет, распространяющийся сквозь вещество по прямой. То есть, не во все стороны, а строго по прямой линии.
Рассеяние света: ах, какой рассеянный!..
В случае матового стекла, задымленного воздуха и подобных явлений, принцип прямолинейного распространения света не выполняется мутных сред. В подобных материалах световой волне постоянно встречаются препятствия, такие как пузырьки воздуха в стекле или частицы дыма в воздухе. Это приводит к постоянному изменению направления её распространения. В нечистой среде свет рассеивается: объект хаотично перемещается в разных направлениях. Изображение напоминает разобранный пазл, где фрагменты перемешаны и разбросаны. Поэтому сквозь матовое стекло ничего не видно (что весьма уместно в некоторых ситуациях!). Непрозрачность груды мелких осколков разбитого стекла объясняется тем, что границы между ними также рассеивают свет.
Преломление света: поворот в пути
Вернемся к прозрачному оконному стеклу. Если первичная волна падала под прямым углом к поверхности стекла, то и свет в веществе, возникший благодаря вторичным волнам, будет двигаться по той же траектории. В противном случае, когда первичная волна падает под другим углом, свет, пройдя внутрь вещества, изменит свое направление. Это явление именуется преломлением света.
Степень преломления света прозрачными веществами различна: некоторые преломляют свет сильнее, другие – слабее. Это обусловлено, в первую очередь, плотностью: чем более компактно расположены атомы, тем заметнее преломление. Поскольку плотность стекла выше, чем у воды, эффект преломления в стекле более выражен. Кроме того, атомы отличаются друг от друга. Ранее мы проводили аналогию между электроном, колеблющимся под воздействием световой волны, и грузом на пружине. Однако пружины могут отличаться по длине и жесткости. Аналогично, атомы различаются расстоянием от электрона до ядра и силой притяжения между ними. Это определяет, какие вторичные волны будут излучаться, и, как следствие, как будет преломляться свет.
Отражение света: мир в зеркалах
Любой предмет, будь то прозрачный или непрозрачный, в той или иной степени отражает свет. Именно отраженный свет достигает наших глаз, позволяя нам видеть эти предметы. Предметы, интенсивно отражающие свет, кажутся светлыми, а те, которые практически не отражают свет, воспринимаются как темные. В жаркую погоду рекомендуется носить светлую головную убор, чтобы избежать перегрева головы!
Отраженная световая волна возникает следующим образом. После взаимодействия с веществом каждый атом на его поверхности излучает вторичные волны, распространяющиеся во всех направлениях. Волны, направленные внутрь, формируют свет внутри вещества, а те, что распространяются наружу, становятся отраженным светом.
Поскольку предметы рассеивают свет, то почему мы не замечаем своего отражения на их поверхности? Прежде всего, они не отражают весь свет, а лишь его часть, и зачастую очень небольшую. Однако даже на свежем снегу, который отражает до 90% падающего света, невозможно увидеть свое отражение. Его поверхность слишком неровная: каждый микроскопический участок действует как отдельное зеркальце, отражающее свет в случайном направлении. Для того чтобы поверхность функционировала как единое зеркало, она должна быть идеально гладкой.
Наиболее качественные зеркала изготавливаются из металлов. В крупных настенных зеркалах свет отражается от очень тонкого слоя серебра, защищенного стеклом. Для производства недорогих карманных зеркал часто используют алюминий в качестве отражающего слоя.
Почему металлы обладают высокой отражающей способностью? Это объясняется наличием в их структуре свободные электроны. Они не связаны с определенными атомами, а свободно перемещаются по всему объему материала. Эти электроны, не удерживаемые ядрами, обладают большей амплитудой колебаний. Неудивительно, что они создают интенсивные вторичные волны. Как мы уже знаем, часть этих волн распространяется наружу, а часть – внутрь вещества. Волны, направленные наружу, представляют собой отраженный свет. А волны, проникающие вглубь металла, находятся в противофазе с падающей волной и почти полностью гасятся (почему именно в противофазе, сложно объяснить без привлечения математики, просто поверьте). Поэтому металлы хорошо отражают свет, но очень непрозрачны.
Почему же тогда железный гвоздь, алюминиевая ложка или серебряный крестик не являются зеркалами? Дело в том, что поверхность гвоздя покрыта оксидом железа, ложки – оксидом алюминия, а крестик – оксидом серебра. Эти оксиды представляют собой соединения, отличные от чистых металлов, и обладают значительно меньшей способностью к отражению света.
Поглощение света: исчезнуть без следа
Кстати, о непрозрачности. Мы уже обсудили металлы, а теперь вопрос: куда исчезает свет, например, при попадании на кирпичную стену? Часть света отражается от нее, а остальное поглощается. Что такое поглощение и как оно работает?
Если пружина, удерживающая груз, обладает значительной жесткостью, то раскачать груз будет затруднительно: приложенные усилия будут в основном затрачиваться на растяжение пружины. Аналогичная ситуация наблюдается в атомах веществ, не являющихся металлами: электроны настолько прочно связаны с ядрами, что практически не совершают колебания (а особенности непрозрачности металлов обсуждались ранее). Попадающий на вещество световой импульс расходует свою энергию, пытаясь сдвинуть электроны с их положений, и таким образом исчезает. Эта энергия преобразуется в тепло, приводящее к нагреванию вещества.
На то, как свет взаимодействует с различными материалами, можно наблюдать поистине необычные и захватывающие явления!