При падении пучка фотонов на границу разделов двух сред происходит частичное поглощение, пропускание и отражение света. На физике в 8 классе принцип Гюйгенса изучают, рассматривая явление в разрезе корпускулярно-волновой теории. На выводах нидерландского математика построены правила поведения света. Причём закон стал важным шагом в понимании способности лучей к дифракции.
Общие сведения
В середине XVII века многочисленные исследования помогли учёным понять природу света. Было высказано две теории. Согласно одной, корпускулярной, источники света испускают поток частиц в виде лучей. Они движутся в среде, подчиняясь законам механики. Основоположником идеи был Ньютон открывший закон прямолинейного распространения. Но, с другой стороны, учёные Гюйгенс, Френель, Юнг, поддерживали идею Гука о волновой природе света. Физики считали, что лучи — это не что иное, как упругая продольная волна, заполняющее пространство в эфире.
В результате и первые и вторые сторонники своих теорий оказались правы. В 1865 году Максвелл пришёл к выводу, что свет обладает двойственностью. То есть в одних случаях он может существовать как частица, а в других как волна. Эта догадка получила название корпускулярно-волновой теории.
Таким образом, свойства света были разделены на две категории:
- квантовая;
- волновая.
Сегодня под оптическим излучением понимают лучистую энергию. Её волновые свойства обуславливают такие явления, как интерференция (чередование максимумов и минимумов интенсивности), поляризация (характеристика поперечных волн), дифракция (способность огибания препятствий), дисперсия (разложение). К квантовым же относят: фотоэффект, давление, линейность спектров поглощения и испускания.
В основе излучения лежит фотон. Это стабильная элементарная частица, не имеющая массы, и способна двигаться со скоростью почти 300 000 км в секунду. Только в 2011 году учёные смогли обнаружить микротело, движущееся немного быстрее — нейтрино. Фотон может поглощаться при столкновении с атомами или молекулами. Эта способность приводит к разрушению химических связей. Под действием фотонов из заряженных поверхностей выбиваются элементарные частицы.
Лучи распространяются прямолинейно, но, попадая на границу раздела двух сред, испытывают преломление или отражение. Свет может поглощаться или рассеиваться.
Интенсивность излучения качественно оценивают энергетическими и световыми величинами. Изучением же взаимодействия и наблюдением явлений занимается раздел физики — оптика.
Законы рассеивания
Согласно правилу распространения, в однородной среде свет передаётся прямолинейно. Но если среда имеет неоднородность, то этот закон не работает. Например, если взять оптический диск и прикрепить к нему прозрачный пластик, а потом посветить на границу раздела лазером, то можно обнаружить, что первоначальный луч расщепился на два пучка. Один продолжает распространяться в воздухе, а другой вошёл во вторую среду. При этом направление света стало другим.
Ход луча и его искривление траектории во второй среде называют преломлением, а отбитие от границы раздела и возвращение в первичную — отражением. Этот природный эффект позволяет человеку с помощью зрения видеть физические тела. Причём падающий луч, например, на бумагу, меняет направление под различными углами. Но в то же время если поток света будет направлен на зеркало, то возвращение фотонов будет в строго определённом направлении.
Это явление легко объяснить. Всё дело в том, что бумага состоит из волокон, то есть имеет неровную поверхность. Поэтому параллельные лучи от неё отражаются каждый под своим углом. Так как свет, это, по сути, электромагнитная волна (быстро меняющееся поле), то и характеризуется он длиной. Обозначается она буквой лямбда. Значение же излучения лежит в пределах: 0,38 мкм < λ < 0,76 мкм. Как оказалось, если отражение зеркальное, то размеры неровностей гораздо меньше длины световой волны. В ином случае оно диффузное.
Чтобы понять законы отражения, нужно знать терминологию. Так, если построить перпендикуляр к отражающей поверхности, то угол между падающим лучом и нормалью называют падением (α). Между возвращённым светом и нормалью — отражением (γ). Существует два правила. Установлены они были в XIX веке эмпирическим путём. Звучат они следующим образом:
- Перпендикуляр, падающий луч и отражённый к поверхности проведённой через точку падения лежат в одной плоскости.
- Для зеркальной поверхности справедливо, что угол падения равен углу отражения.
Это два фундаментальных закона оптики. При этом существует зависимость, что при попадании лучевого потока на границу раздела, с увеличением угла преломления возрастает интенсивность света. Поэтому существует критичное значение, при котором происходит полное отражение.
Принцип Гюйгенса
Пусть в пространстве распространяется волна. Каждая точка среды в простейшем случае совершает гармонические колебания. Если рассмотреть только одну, отдельно взятую координату, то, можно сказать, что вокруг себя она будет создавать сферические волны. Поэтому вся совокупность колебаний будет генерировать множество таких возмущений. Именно эта идея и пришла в своё время в голову Христиану Гюйгенсу.
Принцип, открытый членом Лондонского королевского общества, звучит так:каждая точка среды, до которой дошла волна, сама становится источником вторичных волн. Это утверждение позволило лучше понять, как происходит распространение световых волн.
Объяснить принцип можно следующим образом. Легко представить, что имеется источник света. Фронт волны прошёл некое расстояние, при этом граница излучения имеет сферическую форму. Его можно разбить на источники отражений. Такая ситуация будет для момента времени, при котором t = t0. Через некоторое время Δt волна пройдёт расстояние: d = с * Δt. При этом каждый точечный источник имеет свой сферический фронт, создающий отражения.
Гюйгенс предположил, что если взять и построить огибающую по вторичным волнам, то она будет определять новое положение лучевого потока. При этом изменение расположения произойдёт за время t = t0 + Δt, а расстояние, на которое переместится фронт, будет равно произведению c на Δt.
Используя принцип Гюйгенса, стало возможным вывести закон отражения и преломления световых колебаний. Пусть имеется поверхность, на которую падает волновой фронт. Касание первого луча с границей раздела можно обозначить буквой A, а второго — B. В определённый момент левый край фронта попадает на отражающую поверхности. Как только это происходит, возникают сферические волны. И это продлится до тех пор, пока верхний край фронта не достигнет поверхности.
Время, за которое это произойдёт можно найти из отношения ширины падающего пучка к скорости волны: Δt = d / c. Огибающая сферических волн будет представлять собой перпендикуляр к преломлённой волне. Получится два прямоугольных треугольника. Обозначить их можно как ABC и ABD. Причём у этих двух фигур линия AB будет общей. AD можно определить как произведение: с * Δt.
Значит, AD = BC, то есть треугольники равны, следовательно, у них одинаковые углы. Отсюда можно прийти к выводу, что ∠ ACB = ∠ ABD.
Коэффициент отражения
Закон отражения описывает поведение луча при соприкосновении его с границей раздела, то есть с какой-либо поверхностью. Он подчёркивает особенность световой волны. С помощью заключения
Гюйгенса стало возможным понять, что любая точка среды, до которой доходит луч, является источником рассеянного потока. Причём чтобы узнать, под каким углом отражается луч света, нужно измерить его падение к нормали.
Очевидно, что этот угол будет зависеть от среды отражения. Поэтому формула, описывающая свет, должна содержать коэффициент, величина которого определяется видом участвующих систем. Называется он относительным показателем среды. Количественно коэффициент будет равен отношению потока излучения, отражённого поверхностью, к лучам, попавшим на неё: p = Ф / Ф0. Это безразмерная физическая величина, зависящая от следующих факторов:
- угла падения;
- спектрального состава;
- строения отражающей поверхности;
- свойств участвующих сред.
Измерением коэффициента отражений занимались в своё время различные учёные. Например, Максвелл, чей закон помог установить, что свет оказывает давление на тела, или Френель, догадавшийся, почему возникает поляризация и разработавший теорию дифракции. Сегодня эти данные являются справочными и доступны любому желающему в специализированных физических сборниках.
Вот результаты измерений для некоторых покрытий, цветов и материалов:
| Силикатный кирпич | 0,35 — 0,4 |
| Белёсый лак | 0,75 — 0,85 |
| Асфальт | 0,05 — 0,15 |
| Блестящий хром | 0,6 — 0,7 |
| Полированный никель | 0,55 — 0,6 |
| Масляная краска белого цвета | 0,7 — 0,85 |
| Выбеленные древесные плиты | 0,4 — 0,5 |
| Посеребрённая зеркало | 0,9 — 0,94 |
| Оконное стекло | 0,04 |
| Блестящий хром | 0,6 — 0,7 |
| Чёрная тушь | 0,4 |
| Линия, проведённая твёрдым карандашом | 0,45 |
| Полоска, нарисованная мягким карандашом | 0,25 |
Если проанализировать таблицу, то становится очевидно, что чем темнее поверхность, тем коэффициент отражения будет меньше. Больше происходит поглощения. При этом свет будет полностью отражаться от тонкой плёнки, например, серебра или жидкой ртути, налитой на стекле.
