Відбиття світла і принцип Гюйгенса

При падінні пучка фотонів на кордон розділів двох середовищ відбувається часткове поглинання, пропускання і відбиття світла. На фізиці в 8 класі принцип Гюйгенса вивчають, розглядаючи явище в розрізі корпускулярно-хвильової теорії. На висновках нідерландського математика побудовані правила поведінки світла. Причому закон став важливим кроком у розумінні здатності променів до дифракції.

Загальні відомості

В середині XVII століття численні дослідження допомогли вченим зрозуміти природу світла. Було висловлено дві теорії. Згідно з однією, корпускулярної, джерела світла випускають потік частинок у вигляді променів. Вони рухаються в середовищі, підкоряючись законам механіки. Основоположником ідеї був Ньютон відкрив закон прямолінійного поширення. Але, з іншого боку, вчені Гюйгенс, Френель, Юнг, підтримували ідею Гука про хвильову природу світла. Фізики вважали, що промені — це не що інше, як пружна поздовжня хвиля, що заповнює простір в ефірі.

В результаті і перші і другі прихильники своїх теорій виявилися праві. У 1865 році Максвелл прийшов до висновку, що світло має подвійність. Тобто в одних випадках він може існувати як частка, а в інших як хвиля. Ця здогадка отримала назву корпускулярно-хвильової теорії.

Таким чином, властивості світла були розділені на дві категорії:

• квантові;
• хвильові.

Сьогодні під оптичним випромінюванням розуміють променисту енергію. Її хвильові властивості обумовлюють такі явища, як інтерференція (чергування максимумів і мінімумів інтенсивності), поляризація (характеристика поперечних хвиль), дифракція (здатність огинання перешкод), дисперсія (розкладання). До квантових же відносять: фотоефект, тиск, лінійність спектрів поглинання і випускання.

В основі випромінювання лежить фотон. Це стабільна елементарна частинка, що не має маси, і здатна рухатися зі швидкістю майже 300 000 км в секунду. Тільки в 2011 році вчені змогли виявити мікротіло, що рухається трохи швидше – нейтрино. Фотон може поглинатися при зіткненні з атомами або молекулами. Ця здатність призводить до руйнування хімічних зв’язків. Під дією фотонів із заряджених поверхонь вибиваються елементарні частинки.

Промені поширюються прямолінійно, але, потрапляючи на кордон розділу двох середовищ, відчувають заломлення або відбиття. Світло може поглинатися або розсіюватися.

Інтенсивність випромінювання якісно оцінюють енергетичними і світловими величинами. Вивченням же взаємодії і спостереженням явищ займається розділ фізики — оптика.

Закони розсіювання

Згідно з правилом поширення, в однорідному середовищі світло передається прямолінійно. Але якщо середовище має неоднорідність, то цей закон не працює. Наприклад, якщо взяти оптичний диск і прикріпити до нього прозорий пластик, а потім посвітити на кордон розділу лазером, то можна виявити, що початковий промінь розщепився на два пучки. Один продовжує поширюватися в повітрі, а інший увійшов у другу середу. При цьому напрямок світла стало іншим.

Хід променя і його викривлення траєкторії в другому середовищі називають заломленням, а відбиття від кордону розділу і повернення в первинну — відбиття. Цей природний ефект дозволяє людині за допомогою зору бачити фізичні тіла. Причому падаючий промінь, наприклад, на папір, змінює напрямок під різними кутами. Але водночас якщо потік світла буде спрямований на дзеркало, то повернення фотонів буде в строго визначеному напрямку.

Це явище легко пояснити. Річ у тому, що папір складається з волокон, тобто має нерівну поверхню. Тому паралельні промені від неї відбиваються кожен під своїм кутом. Оскільки світло, це, по суті, електромагнітна хвиля (швидко мінливе поле), то і характеризується він довжиною. Позначається вона буквою лямбда. Значення ж випромінювання лежить в межах: 0,38 мкм < λ < 0,76 мкм. Як виявилося, якщо відбиття дзеркальне, то розміри нерівностей набагато менше довжини світлової хвилі. В іншому випадку воно дифузне.

Щоб зрозуміти закони відбиття, потрібно знати термінологію. Так, якщо побудувати перпендикуляр до поверхні, що відбиває, то кут між падаючим променем і нормаллю називають падінням (α). Між повернутим світлом і нормаллю — відбиттям(γ). Існує два правила. Встановлені вони були в XIX столітті емпіричним шляхом.

Звучать вони наступним чином:

• Перпендикуляр, падаючий промінь і відбитий до поверхні проведеної через точку падіння лежать в одній площині.
• Для дзеркальної поверхні справедливо, що кут падіння дорівнює куту відбиття.

Це два фундаментальних закони оптики. При цьому існує залежність, що при попаданні променевого потоку на кордон розділу, зі збільшенням кута заломлення зростає інтенсивність світла. Тому існує критичне значення, при якому відбувається повне відбиття.

Принцип Гюйгенса

Нехай в просторі поширюється хвиля. Кожна точка середовища в найпростішому випадку здійснює гармонійні коливання. Якщо розглянути тільки одну, окремо взяту координату, то, можна сказати, що навколо себе вона буде створювати сферичні хвилі. Тому вся сукупність коливань буде генерувати безліч таких збурень. Саме ця ідея і прийшла свого часу в голову Християну Гюйгенсу.

Кут падіння дорівнює куту відбиття

Принцип, відкритий членом Лондонського королівського товариства, звучить так: кожна точка середовища, до якої дійшла хвиля, сама стає джерелом вторинних хвиль. Це твердження дозволило краще зрозуміти, як відбувається поширення світлових хвиль.

Пояснити принцип можна наступним чином. Легко уявити, що є джерело світла. Фронт хвилі пройшов якусь відстань, при цьому межа випромінювання має сферичну форму. Його можна розбити на джерела відбиття. Така ситуація буде для моменту часу, при якому t = t0. Через деякий час Δt хвиля пройде відстань:

d = с * Δt.

При цьому кожен точковий джерело має свій сферичний фронт, що створює відбиття.

Гюйгенс припустив, що якщо взяти і побудувати огинає по вторинних хвилях, то вона буде визначати нове положення променевого потоку. При цьому зміна розташування відбудеться за час t = t0 + Δt, а відстань, на яке переміститься фронт, дорівнюватиме добутку c на Δt.

Використовуючи принцип Гюйгенса, стало можливим вивести закон відбиття і заломлення світлових коливань. Нехай є поверхня, на яку падає хвильовий фронт. Дотик першого променя з кордоном розділу можна позначити буквою A, а другого — B. у певний момент лівий край фронту потрапляє на відбиваючу поверхні. Як тільки це відбувається, виникають сферичні хвилі. І це триватиме до тих пір, поки верхній край фронту не досягне поверхні.

Час, за який це відбудеться можна знайти з відношення ширини падаючого пучка до швидкості хвилі:

Δt = d/C

Огинаюча сферична хвиля буде являти собою перпендикуляр до заломленої хвилі. Вийде два прямокутних трикутника. Позначити їх можна як ABC і ABD. Причому у цих двох фігур лінія AB буде загальною. AD можна визначити як добуток : с * Δt.

Значить, AD = BC, тобто трикутники рівні, отже, у них однакові кути. Звідси можна дійти висновку, що ∠ ACB = ∠ ABD.

Коефіцієнт відбиття

Закон відбиття описує поведінку променя при зіткненні його з кордоном розділу, тобто з будь-якої поверхнею. Він підкреслює особливість світлової хвилі. За допомогою висновку

Гюйгенса стало можливим зрозуміти, що будь-яка точка середовища, до якої доходить промінь, є джерелом розсіяного потоку. Причому щоб дізнатися, під яким кутом відбивається промінь світла, потрібно виміряти його падіння до нормалі.

Очевидно, що цей кут буде залежати від середовища відбиття. Тому формула, що описує світло, повинна містити коефіцієнт, величина якого визначається видом беруть участь систем. Називається він відносним показником середовища. Кількісно коефіцієнт буде дорівнює відношенню потоку випромінювання, відбитого поверхнею, до променів, що потрапили на неї:

p = Ф/Ф₀.

Це безрозмірна фізична величина, що залежить від наступних факторів:

• кут падіння;
• спектрального складу;
• будови поверхні, що відбиває;
• властивостей беруть участь середовищ.

Виміром коефіцієнта відбиття займалися свого часу різні вчені. Наприклад, Максвелл, чий закон допоміг встановити, що світло чинить тиск на тіла, або Френель, який здогадався, чому виникає поляризація і розробив теорію дифракції. Сьогодні ці дані є довідковими і доступні будь-якому бажаючому в спеціалізованих фізичних збірниках.

Ось результати вимірювань для деяких покриттів, кольорів і матеріалів:

Якщо проаналізувати таблицю, то стає очевидно, що чим темніше поверхня, тим коефіцієнт відображення буде менше. Більше відбувається поглинання. При цьому світло буде повністю відбиватися від тонкої плівки, наприклад, срібла або рідкої ртуті, налитої на склі.