# Что мы знаем об отражении

Леонид Александрович Ашкинази

Что мы знаем об отражении


Недавно в "Химии и жизни" была опубликована статья о дагерротипах и говорилось, что под малыми углами металлы плохо отражают свет. А что вообще известно об отражении металлов? Какие металлы (кроме меди и золота) окрашены? Ответ на вопрос, какого цвета мелкий порошок цветного стекла, известен - свет рассеивается на границах кристаллов. Но тогда почему не бел порошок графита?


Отражательные и рассеивающие свойства поверхностей зависят, прежде всего, от длины волны, и материал, прекрасно отражающий видимое излучение, может плохо отражать ультрафиолетовое или инфракрасное излучение. Например, для видимого излучения коэффициент отражения Ag - около 0,98, а для ультрафиолета с вдвое меньшей длиной волны - лишь 0,29; для Pt - 0,71 и 0,52 соответственно. А вот для Al - 0,92 и 0,92 - какой молодец! Инфракрасное излучение с длиной волны вдвое большей, чем у видимого света, металлы отражают хорошо: для Ag, Pt и Al коэффициент отражения составляет 0,99, 0,82 и 0,97 соответственно.


Поскольку нас интересует разглядывание дагерротипов человеком, будем далее говорить именно о видимом излучении (а вот змея воспринимает инфракрасное излучение).


Коэффициент отражения зависит от положения плоскости поляризации. Эта зависимость для прозрачных сред приведена во всех учебниках, и главное здесь то, что если электрический вектор параллелен плоскости падения, то при некотором угле падения отражение отсутствует. Поэтому отраженный свет всегда частично поляризован, а при падении под этим самым углом (угол Брюстера) поляризован полностью. При отражении от металла это явление тоже имеет место, хотя и в меньшей степени - отражение уменьшается примерно вдвое, но не пропадает совсем. Поэтому дагерротип будет контрастнее, если рассматривать его в поляризованном свете.


Даже в пределах оптического диапазона коэффициент отражения для некоторых металлов изменяется заметно: например, для длины волны 0,4-0,7 мкм коэффициент отражения Au составляет 0,39-0,95, Cu - 0,55-0,96; Al - 0,92-0,90; Ag - 0,97-0,99. Поэтому Au и Cu иного, нежели Al и Ag, цвета. Человек с хорошим цветным зрением или опытный металловед отличит никелевое покрытие от хромового - первое немного желтее. Иногда вариации цвета совершенно неожиданны: например, принято считать, что у тантала - голубой оттенок. Но таков только тантал, имеющий "естественную примесь" (около 3%) ниобия. Чистый тантал - серый. Да и сам коэффициент отражения чувствителен к составу. Например, по некоторым данным, именно Ньютон предложил использовать для зеркал телескопов бронзу (Cu+Sn) с добавкой As - для улучшения отражения.


Коэффициент отражения уменьшается, если шероховатость материала становится больше длины волны - свет претерпевает многократные отражения и поглощение усиливается. Коэффициент отражения изменяется в зависимости от угла падения луча, причем при падении под углами менее 30( он уменьшается (именно поэтому дагерротипы и рассматривают под углом).


Сами зависимости коэффициентов отражения от длины волны хорошо изучены - в основном для материалов, которые применяются в оптике: полированных металлов, стекол, светорассеивающих покрытий. Для других материалов данных меньше и они разрозненны - например, какая-то одна зависимость изучена одним автором для железа одной шероховатости, а другая зависимость - для иначе обработанной или частично окисленной поверхности. Поэтому во многих случаях можно сказать, каким будет эффект качественно, а дать количественный расчет - невозможно.


Что касается отражения от порошков, то порошок выглядит белым, если размер порошинок таков, что отражение преобладает над поглощением. Поэтому, чем сильнее поглощение, тем мельче надо раздробить вещество, чтобы порошок побелел. Поглощение графита столь велико, что для реально достижимых размеров частиц оно преобладает над отражением.


Особый случай - отражение от неоднородных сред или "сильно шероховатых" поверхностей - например, естественных, природных. Ведь для описания их формы надо вводить разные масштабы - "шероховатость" в масштабе метров и километров влияет не так, как мелкомасштабная. Например, до сих пор не ясно, почему яркость диска Луны не убывает к краю. Если по касательной поверхность отражает мало света, то край диска Луны, который мы наблюдаем именно что по касательной, должен быть темным. На самом же деле, он ярок. Одна из гипотез состоит в том, что плоские участки поверхности Луны темнее склонов гор и поэтому край диска, на котором мы видим в основном склоны, кажется относительно ярче (гипотеза Галилея). В более поздних моделях учитывали рельеф "разного порядка" - и горы, и отдельные камни. Другая гипотеза предполагает, что в поверхностном слое Луны много стеклянных шариков (оплавление при ударах метеоритов?), которые действуют как катафот, то есть отражают свет навстречу падающему лучу, навстречу Солнцу. А в полнолуние это будет как раз направление на Землю.