Сонячне світло являє собою електромагнітне випромінювання, тому для нього характерні такі феномени, як відбиття і заломлення. Розглянемо закон відбиття світла при його переході з одного середовища в іншу, при цьому будемо використовувати представлення видимих електромагнітних хвиль у вигляді променів.
Відбиття і заломлення світла
Як відомо, світло поширюється прямолінійно у всякій однорідному прозорому середовищі. Як тільки промінь світла, що досягає поверхні розділу двох прозорих середовищ, то з ним відбуваються два явища:
Обидва явища описуються з допомогою законів відбивання і заломлення світла відповідно.
Ці фізичні явища демонструє малюнок нижче, на якому видно, що падаючий промінь світла при переході через межу двох прозорих середовищ розділяється на два пучки, один з них (менший) відбивається, а другий пучок (більший) продовжує поширюватися далі, переходячи в іншу середу.
Закони відбивання світла
Під відображенням світу в фізиці розуміють таку зміну напрямку поширення хвилі, після того як вона падає на границю між двома середовищами, при якому хвиля знову повертаються в середовище, звідки вона прийшла.
Після того як сформульований закон відбиття світла, відзначимо, що завдяки існуванню цього явища можна бачити зображення різних предметів в дзеркалі, на поверхні води або на який-небудь інший блискучої поверхні. Фізично відбиття світла відбувається, коли світло падає на яку-небудь поверхню, стикається з нею і знову повертається до первісної середовище свого поширення, утворюючи кут, у точності рівний куту падаючого на цю поверхню променя. Ця поверхня називається відбиває. На відміну від явища заломлення, феномен відображення – це зміна напрямку поширення хвилі в тій же самій середовищі.
У фізиці закони відбивання світла формулюються наступним чином:
Дзеркальне і дифузійне відображення
Відзеркалювальна поверхня може бути гладкої, але також може мати і нерівності. У зв’язку з цим розрізняють два типи відображення світла:
Таким чином, якщо після дзеркального відбиття світло поширюється в конкретному напрямку, то після дифузійного відбиття світло “розпорошується”.
Квантовомеханическое обґрунтування процесу відображення
Світло – це пучок фотонів різної частоти. Будь-яка взаємодія фотонів з матерією описується через процеси поглинання і випускання. Коли фотон досягає молекули речовини, то він одразу ж поглинається нею, переводячи її електронну оболонку в збуджений стан, тобто у стан з підвищеною енергією. Практично миттєво після поглинання фотона електронна система переходить у свій основний стан, і цей процес супроводжується випусканням фотона в довільному напрямку. Закон відбивання світла з квантовомеханической точки зору пояснюється як найбільш ймовірне напрям випущення фотонів, яке спостерігається у вигляді відображення.
Явище зворотного відбиття
Феномен зворотного відбиття, або ретроотражения, полягає в здатності деяких поверхонь або об’єктів відображати падаюче на них пучок світла назад до джерела, від якого він прийшов, незалежно від того, під яким кутом на них падає світло.
Таку поведінку можна спостерігати у випадку плоского дзеркала, але тільки тоді, коли світловий пучок падає на нього перпендикулярно, тобто кут падіння дорівнює 90°.
Простий ретрорефлектор можна виготовити, якщо з’єднати два дзеркала перпендикулярно один до одного. Зображення, яке дає такий прилад, завжди того ж розміру, що і оригінальна, але буде перевернутим. При цьому не важливо, під якими кутами на цей ретрорефлектор падають світлові промені, він завжди відображає їх на 180°. Нижче на малюнку наведено цей ретрорефлектор, та продемонстровано його фізичні властивості.
Обмежений ретроотражение і його використання
Явище зворотного відображення в даний час широко використовується при виробництві автомобілів, зокрема при виготовленні поверхні металевих пластин, на яких пишуться номери.
Якщо на поверхню нанести багато маленьких відображають сфер, то можна добитися того, щоб вона відбивала світло не точно назад, а під невеликим кутом. У такому випадку говорять про обмежену здатність ретроотражателя. Такого ж ефекту можна домогтися, якщо нанести на поверхні замість відображають сфер маленькі пірамідки.
При виготовленні номерів для автомобілів не потрібно, щоб вони відображали світло ідеально назад, а необхідно, щоб відбитий пучок світла був майже паралельним до падаючого пучка. Завдяки цьому світло, що падає на номери автомобіля з фар знаходиться позаду нього іншого автомобіля, відбивається від цих номерів, потрапляє в очі водія, і він бачить номер рухається попереду машини.
Ретроотражение та оптичні аберації
Під оптичної аберацією розуміють явище у фізиці, при якому отримане в якій-небудь оптичній системі зображення виявляється нечіткою. Відбувається це тому, що виходить з певної точки об’єкта промінь світла не повертається точно в одну точку. Причинами відхилень можуть бути геометричні недосконалості оптичних систем, а також різна відображає здатність для різних довжин хвиль видимого світла.
Ретроотражение використовується для нівелювання оптичних аберацій. Робиться це простим чином, отримане в оптичній системі зображення об’єкта через ретроотражатель заново направляється в цю систему. Функція ретроотражателя полягає не тільки в тому, що він назад повертає всі падаючі на нього промені, але і змінює хвильовий фронт електромагнітної хвилі на протилежний.
Заломлення і закон повного відбивання світла
Під заломленням світла розуміють зміну напрямку його поширення при переході через границю середовищ, що мають різні оптичні властивості. Зокрема швидкість поширення світла в різних прозорих середовищах відрізняється, і вона завжди менше швидкості світла у вакуумі.
Для опису явища заломлення світла вводять показник заломлення середовища n, який дорівнює відношенню швидкостей світла у вакуумі та середовищі, тобто n = c/v. Закон заломлення світла математично виражається наступним чином: sin(θпад.)/sin(θпрел.) = n2/n1 = v1/v2, тут θпад. – кут між падаючим променем і нормаллю до поверхні, θпрел. – кут між заломленим променем і нормаллю до поверхні, n1, v1 і n2, v2 – показник заломлення і швидкість поширення світла для першої середовища і для другої середовища відповідно.
Як було вище сказано, коли світло проходить через межу двох прозорих середовищ, існує відбитий і переломлений промені. Якщо θпрел.= 90°, то переломлений промінь буде йти паралельно поверхні, іншими словами, він не буде спостерігатися. Така ситуація можлива за умови, що кут θпад. більше деякого критичного кута θкр., а n1 > n2. Критичний кут визначається так: θкр. = arcsin(n2/n1). Всякий промінь світла, який падає на цю поверхню під кутом більшим, ніж θкр., випробовує повне відображення.
Застосування явища повного відбивання
Феномен повного відображення використовується людиною у різних сферах життєдіяльності. Найбільш популярним його використанням є оптичне штучна, що застосовується в телекомунікаціях і медицині.
Якщо говорити простими словами, то оптичне волокно являє собою гнучкий кабель, зроблений з прозорого матеріалу, показник заломлення якого більше, ніж показник заломлення середовища, що оточує цей кабель. В результаті пущений під певним кутом пучок світла всередину такого волокна досягає протилежного кінця практично без втрати своєї інтенсивності, оскільки на своєму шляху він відчуває тільки повні відображення.
