Один из первых законов, который изучается в физической оптике - это закон отражения света.
В статье "Что такое свет" мы уже обсуждали, что мы видим предметы именно в результате отражения света от них, а их цвета - это избирательное отражение световых волн определенной длины от поверхности. Соответственно, понятие отражения - одно из фундаментальных и категорически важных для понимания процесса работы нашего зрения.
Ведь всё, ну или почти всё, вокруг нас есть отражение света.
Школьный учебник учит, что в отражении света есть всего лишь один закон.
Угол падения равен углу отражения, а лучи падающий и отраженный лежат в одной плоскости.
Это, пожалуй, всё, что мы запоминаем из курса физики про отражение света, как в той шутке про бороду.
Всё бы и ничего, да про процесс отражения ни слова не сказано. Предполагается, что световые лучи падают на поверхность, а поверхность полностью их отражает. Это прекрасно воспринимается, когда всё формулируется в виде линейной оптики, где падающий на поверхность луч - это всего лишь прямая линия.
На деле же процесс отражения гораздо более сложен, чем это можно себе представить на первый взгляд.
Школьный учебник уточняет, что бывают зеркальное отражение и диффузионное отражение (его ещё именуют рассеянием). Но суть процесса это тоже не раскрывает.
Мысли появляются сразу после того, как мы узнаем, что свет - это не только излучение, но это ещё и волна. Световая волна переносит энергию и способен сообщать её различным предметам. Так предметы нагреваются на солнечных лучах.
Почему же они нагреваются, если свет отразился? Пусть какая-то часть света отразилась, а какая-то поглотилась. Смысл всё равно не ясен, но читаем дальше.
Все вещества состоят из молекул. Молекулы выстраиваются в определенную структуру.
Это только на картинке луч падающий и отраженный - есть некоторые прямые линии, которые отпрыгивают от ровной плоскости. На практике же такой луч - это электромагнитная волна.
Электромагнитная волна падает на поверхность образца, имеющего определенную структуру. Она сообщает частицам в структуре образца некоторую энергию и возбуждает вынужденные колебания упруго связанных электронов в атоме.
Это приводит к появлению переменного дипольного момента, колеблющегося с частотой падающей электромагнитной волны.
Напомним, что диполь есть совокупность двух точечных электрических зарядов, равных по величине и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Этакая гантеля, которая может крутиться на одном месте, но сойти с него не может.
Диполи начинают излучать вторичные волны, частота которых будет соответствовать частоте падающего света. Вторичные волны будут возвращаться на поверхность и излучать отраженный свет. Внутри образца путь этот не совсем линейный, поскольку внутри волна будет гулять как пьяный Вася между березами. Мы же увидим излучение от поверхностных слоев.
Если рассматривать идеальное вещество, то вся полученная энергия будет таким образом сообщаться обратно в виде отраженных лучей. Образно говоря, близкий эффект можно наблюдать в металлах и зеркальных поверхностях, но это всё равно не идеал.
В реальном веществе не вся энергия уйдет в описанный процесс и не все лучи отразятся. Будет наблюдаться то самое поглощение энергии. Это явление описывается так называемым коэффициентом отражения.
Оно заключается в том, что часть энергии, поглощенной колеблющимися диполями, переходит в другие виды энергии, главным образом, в тепловую. Это обстоятельство объясняет причину нагревания объектов на солнце.
