Этот вопрос из темы квантовой физики и электродинамики. Материя кажется сплошной, поэтому свет - как пуля, которая либо отскакивает (отражение), либо застревает (поглощение), либо летит насквозь (прохождение). Но на самом деле всё происходит иначе. Вот, что говорит физика (простым языком).
В квантовой физике фотоны почти никогда не проходят «сквозь» материю в том смысле, как пуля сквозь воздух. Они постоянно поглощаются и переизлучаются атомами. То, что мы называем «преломлением» и «прозрачностью» - это коллективный процесс поглощений и переизлучений, который выглядит как прямая линия.
Давайте разберем три варианта взаимодействия фотона в средах.
1. Почему фотон поглощается?
Механизм резонанса. Атом состоит из ядра и электронов, находящихся на определенных энергетических уровнях. Электрон может поглотить фотон и перепрыгнуть на более высокий уровень (возбудиться) только в том случае, если энергия фотона в точности равна разнице между двумя уровнями.
- Что происходит с энергией дальше? Электрон долго не может оставаться возбужденным (наносекунды). Он возвращается обратно. При возвращении он испускает новый фотон (возможно, той же энергии). Но этот новый фотон полетит в случайном направлении. Внутри непрозрачного куска материала этот процесс повторяется миллиарды раз: «Поглотил, переизлучил, поглотил, переизлучил».
- Почему мы говорим «поглотился»? В толстом слое плотного материала (металл, камень) шанс того, что фотон выйдет с обратной стороны, практически ноль. Он превращается в тепло (колебания кристаллической решетки). Поэтому мы видим черный цвет или свет не проходит.
Почему одни цвета (длины волн) поглощаются, а другие отражаются? Листва зеленая потому, что атомы на ее поверхности поглощают все энергии фотонов, кроме зеленого. Зеленые фотоны не попадают в «резонанс» с электронами, они вынуждены взаимодействовать иначе, то есть отражаться.
2. Почему фотон отражается?
Кажется, что фотон просто «отскакивает» от поверхности, как мяч от стенки. Но фотон - не мяч, у него нет поверхности для отскока.
В металлах (из которых делают зеркала) электроны не привязаны жестко к одному атому. Они образуют «электронный газ» или «плазму», которая свободно плещется по поверхности.
Когда электромагнитная волна (фотон) достигает металла, её электрическое поле начинает двигать эти свободные электроны туда-обратно в такт волне. Движущиеся электроны сами становятся источником новой электромагнитной волны.
Эта вторичная волна генерируется прямо с поверхности и уходит обратно в том же направлении, откуда пришел исходный фотон.
Парадокс вот в чем: фотон не «отражается» в прямом смысле. Он поглощается свободными электронами, а электроны тут же переизлучают точно такой же фотон обратно. Нет никакой задержки. Для света металл ведет себя как «непрозрачное зеркало» именно потому, что электроны слишком подвижны и могут легко копировать пришедший сигнал.
Угол падения равен углу отражения - это геометрическое следствие того, что из всех возможных траекторий переизлучения только одна совпадает с условиями интерференции (принцип Ферма). Это понять сложно, возможно ученые здесь «натянули сову на глобус».
Почему стекло не отражает, а металл отражает? В стекле электроны привязаны к атомам (диэлектрик). Им сложнее двигаться массово, поэтому свет в основном проходит внутрь или преломляется, а не вылетает обратно.
3. Почему фотон преломляется?
Это самый хитрый случай. Фотон входит в воду и луч ломается. Но физически: как пуля может «сломать» прямую линию?
Когда фотон (электромагнитная волна) влетает в прозрачную среду (например, стекло), он встречает армию электронов, которые хоть и связаны с ядрами, но не слишком туго (как в металле) и не слишком слабо (как в газе).
На самом деле фотон в материале движется сложнее, чем в вакууме. Прямого прохождения нет. Происходит следующее:
1. Входящий фотон возбуждает электроны в стекле.
2. Вибрация электронов генерирует вторичные фотоны (свет).
3. Наложение исходной волны и этой вторичной волны (интерференция) порождает результирующую волну, которая движется медленнее.
Скорость света в среде меньше, чем в вакууме.
- В вакууме - 300 000 км/с.
- В воде - 225 000 км/с.
- В стекле - 200 000 км/с.
- В алмазе - 124 000 км/с.
Изменение скорости = преломление (Закон Снеллиуса).
Когда передняя часть световой волны заходит в воду под углом, один край волны замедляется раньше, чем другой. Волна «поворачивает» - как колонна солдат, у которой правый фланг замедлился, а левый идет быстро: колонна поворачивает направо. Это и есть преломление.
Почему (прозрачное) стекло не поглощает свет, а замедляет?
Электроны стекла «проскальзывают» - они поглощают фотон, но энергия фотона не совпадает ни с одним разрешенным переходом (нет подходящих ступенек лестницы). Поэтому они не могут оставить энергию себе. Они вынуждены переизлучать фотон обратно очень быстро. Это создает эффект «задержки», но без потери фотона. Вещество становится прозрачным, но с изменением скорости.
4. Исключение прохождения сквозь материю
Предположение о том, что фотоны «проходят сквозь» материю, верно только для очень специфического случая: высокоэнергетические фотоны (гамма-лучи, рентген) или нейтрино. Они настолько энергичны или «малы», что просто игнорируют атомы.
Для видимого света: Если вещество прозрачное (стекло, вода), то фотоны не проходят насквозь. Они каскадируют, поглотились атомом A (на краю стекла) - далее излучился новый фотон, полетел, поглотился атомом B - переизлучился и так до выхода с обратной стороны.
С точки зрения квантовой физики один уникальный фотон имеет некоторую амплитуду вероятности пройти всю толщу стекла без взаимодействия, но она крайне мала для макроскопических тел. Мы видим множество фотонов, и для их «коллектива» работает принцип средней траектории - прямая линия с преломлением на границе.
Фотоны - это не бильярдные шары. Материя - это почти полностью пустое пространство (размер атома 10^-10 м, размер ядра 10^-15 м). Но «пустота» заполнена электрическими полями атомов. Фотон всегда взаимодействует с этими полями. Он не может пролететь между атомами так же легко, как человек между решетками, потому что он сам - это возмущение этих полей.
***
Вы не находите все это каким-то притянутым за уши? Почему фотон при отражении (переизлучении) отражается по закону «угол падения равен углу отражения»? По теории вероятности он равнозначно может переизлучиться в любую сторону, даже внутрь тела, от которого отражается.
Замедление скорости света в среде говорит об переизлучении (времени жизни электрона на возбужденной орбите). Но возможен и другой механизм замедления скорости.
И третье. Почему поглощение фотонов атомом (переход электрона на другу орбиту вокруг ядра) связано с нагревом материи? Т.е. с возбуждением самих атомов, увеличением амплитуды колебаний в кристаллической решетке вещества. Здесь может быть только взаимоисключение. Или энергия запасается в электронах (при переходе на более высокую орбиту), либо на увеличение амплитуды колебаний атомов (это и есть тепловая энергия).
На все эти вопросы и противоречия может ответить модель Волнового строения материи. Впервые про нее услышал у Александра Мишина. Кратко это звучит так. Атом – это замкнутая сама на себя стоячая волна. Внутри атома может быть набор гармоник этих стоячих волн. Замкнутые волны могут разрываться и тогда атом излучает фотон. При поглощении фотона атомом, он принимает в себя дополнительную гармонику, фотон становится замкнутым.
Отражение фотона – это когда частота фотона равна частоте основной гармоники атомов. Как плюс отталкивается от плюса. Поглощение – сдвиг фазы или частоты колебаний между характеристиками фотона и атома равным 90 гр.
С преломлением и замедлением скорости фотонов в среде сложнее. Возможно, это когда фаза или частоты отличаются незначительно и действительно происходит поглощение и переизлучение фотона. Но почему в противоположную сторону от стороны поглощения атома или со сдвигом на определенный угол (при преломлении) – вопрос.
Осталось понять – что такое фотон? Это электромагнитная волна. Волна в чем? Волны бывают только в среде, когда среда колеблется. Из чего состоит эта среда, что энергия фотона ее колеблет?