Рассказ про пропускание, поглощение, рассеивание и излучение
Что еще может происходить со светом, кроме отражения и преломления? Может происходить - пропускание, поглощение, рассеивание и излучение.
Свет может поглощаться - темная на вид, то есть не отражающая вещь совершенно не обязана быть прозрачной. Но если она и не отражает, и не пропускает, значит - поглощает. Попутно превращая энергию поглощенного излучения в свою тепловую энергию, то есть нагреваясь. Совершенно не прозрачная металлическая пластинка может отражать большую часть света (полированные серебро и алюминий 90-95 %), а может и существенно меньше (большинство металлов - 50-70 %). Некоторые металлы, например, золото и медь, имеют цвет, значит свет одного цвета они отражают лучше, а какой-то другой - хуже.
Но и об отражении мы тоже расскажем - ну как можно не рассказать о до сих пор не решенной загадке отражения от Луны. А вот еще вопрос, летящий на крыльях ночи - как выглядел бы мир, в котором ни один материал не отражал бы видимый свет? Все тела абсолютно черные... Вокруг вместо всего - черная дыра. Только огоньки свечей видны и фонарики, но они ничего не освещают - потому что ничто не отражает, не рассеивает, все молча поглощает. А когда те, кто попал в этот мир, придут в себя, они придумают решение проблемы; даже два решения.
Теперь пример насчет пропускания. Если вы интересуетесь историей компьютерной техники, вы помните, что такое дискеты 1,44 Мб или, как их называли, "трехдюймовки". А знаете ли вы, что их можно было использовать, чтобы смотреть не Солнце, например, во время солнечного затмения? Внутри корпуса дискеты был тонкий полимерный диск с магнитным покрытием, и вот через эту пленку можно было смотреть на Солнце. Учтите, что при этом
Этот пример показывает, что свет может не только отражаться и преломляться. То, что лежит внутри корпуса дискеты, это пленка, которая не преломляет, немного (она темная) отражает и заметное количество пропускает (поэтому через нее вообще что-то видно). Давайте сравним ее просто с белой бумагой, которая тоже не преломляет, явно больше отражает, примерно столько же пропускает, но через нее ничего не видно. Дело в том, что бумага рассеивает свет, а эта пленка - нет. В нормальной ситуации лучи света летят от объекта, глаз их берет и строит изображение на сетчатке, а мозг обрабатывает сигнал и говорит - вижу то-то и то-то. Примерно это же происходит с пленкой из дискеты, только часть света поглощается в пленке. В бумаге поглощение мало, зато велико рассеивание, лучи света отражаются от волокон, из которых сделана бумага и отклоняются. В результате мозг не может построить изображение из полученных глазом лучей.
Попутно заметим, что основная функция этой пленки - быть носителем информации, конкретно - в виде намагниченного слоя. То, что он оказался полупрозрачным - приятная случайность.
Иногда говорят, что свет всегда рассеивается на границах кристаллов - вот фарфор и кристаллическое стекло (ситалл) матовые, а оконное стекло прозрачное, потому что в фарфоре и ситалле есть кристаллики, а стекло аморфное, в нем нет кристалликов. Тут все правильно, но учтите, что свет рассеивается не на всяких границах. Если кристаллы очень маленькие и границы у них устроены определенным образом, то рассеивание не происходит! Так был создан важный материал для лазерной техники ("Наука и жизнь" 2021, ! 12, стр. 72). На рисунке 1 картинка из той статьи, на ней монокристалл слева, лазерная керамика справа, толщина образцов - 13 мм. Между прочим, они чуть-чуть преломляют, вы это, наверное, заметили.
Рис. 1. Монокристалл CaF2 слева, лазерная керамика CaF2 с добавкой редкоземельных элементов справа
Вот еще один пример рассеивания. На рисунке 2 шоколадка, которую вынули из холодильника, положили на стол, а потом увидели на ней задачу по физике, поставили вертикально и сфотографировали. На более холодной поверхности сконденсировалась влага, которая всегда есть в воздухе, и мелкие капельки воды начали рассеивать свет. Но поверхность не рассеивает свет вся и одинаково - на ней явно видны три вертикальные и три горизонтальные матовые полоски. По-видимому, там больше мелких капелек влаги. На этих местах оболочка не соприкасалась с шоколадкой, дольше оставалась холодной и сохраняла конденсированную влагу.
Рис. 2. Шоколадка, вынутая из холодильника. Видишь задачу по физике? А она есть!
Теперь обратимся к отражению и рассмотрим три примера. Самый простой - птица, самый важный - оптоволокно, самый загадочный - Луна.
Вечером, если на улице темно, а в комнате светло, посмотрите в окно, а потом выключите свет в комнате и посмотрите еще раз. Теперь вы увидите больше, хотя сигнал, поступающий с улицы, остался тем же. Но исчез фоновый сигнал - свет из комнаты, отраженный от стекла в вашу сторону. Он играл роль помехи, и мозг на его фоне с трудом выделял сигнал с улицы. Кроме того, когда исчез фоновый сигнал, глаз начал увеличивать чувствительность, это называется темновая адаптация. Теперь обратитесь к интернету, и на YouTube спросите "охота черной цапли". Вы увидите, как птичка уменьшает фоновый сигнал от дневного света, чтобы он ей не мешал охотиться. А еще она для этого покрасила себе крылья в черный цвет. Мне кажется, что птичка знает физику. По крайней мере, оптику.
Однако самый важный пример - оптоволокно. Примерно половина общего потока информации, который перекачивает человечество, распространяется по оптоволокну - отсюда понятна важность (вторая половина - обмен со спутниками, радиосигнал в атмосфере и космосе). Для работы оптоволоконной связи нужно соблюдение двух условий. У оптоволокна должна быть какая-то граница, причем сигнал на этой границе должен отражаться обратно в оптоволокно настолько полно, что никакое металлическое зеркало этого не обеспечивает. Решение этой проблемы известно давно - оболочка должна быть сделана тоже из прозрачного материала, причем коэффициенты преломления центральной нити и оболочки и угол падения должны удовлетворять условию, которое не случайно называют условием "полного внутреннего отражения".
Второе условие теоретически понятно, но практически его выполнить оказалось очень сложно - в материале центральной нити должно быть мало рассеивание и поглощение. Оказалось, что для этого кварц, основа нити, должен быть очень чистым. Более того - очень чистым должен быть и кварц, материал оболочки, потому что хоть мы о говорим "полное отражение", но свет "заглядывает" в оболочку на расстояние около длины волны. И если там будут потери, то есть переекачка энергии волны в тепло, то отражение окажется не полным.
Тут внимательный читатель спросит - но если и то, и это кварц, то все свойства одинаковы, границы не будет, и отражения не будет. Но людям повезло - нашлись примеси к кварцу, которые влияют на коэффициент преломления, не увеличивая рассеяние и поглощение. А именно, уменьшают коэффициент преломления фтор F и бор B, а увеличивают его германий Ge, фосфор P, титан Ti, алюминий Al и сурьма Sb.
Физика и техника оптоволокна - большая и развивающаяся область, и если вы уже прикидываете, для чего вам могут потребоваться знание физики и от работы в какой области вы, наверное, будете получать неземное удовольствие, то это неплохой выбор.
Теперь о Луне. С ней у нас две проблемы, две сюжетные линии, которые в конце раздела внезапно окажутся связаны. Выше упомянуто рассеяние света, оно может происходить и при распространении света в среде (примеры - фарфор и стекло с примесями, образующими "рассеивающие центры") и при отражении, обычно от шероховатых поверхностей. Рассеяние состоит в том, что падающий луч отражается не как от зеркала (угол падения равен углу отражения), а во все стороны. Но не совсем во все - если мы освещаем шар или цилиндр и смотрим на него с той же стороны, с которой освещаем, то край шара и цилиндра будет слабо отражать свет в нашу сторону. Эффект для цилиндра виден на рисунке 3, за цилиндром для сравнения находится такая же, но плоская поверхность.
Рис. 3. Отражение от цилиндра, объект освещен от нас, то есть от фотоаппарата
Края цилиндра действительно темнее, но тогда почему в полнолуние край Луны не кажется темнее? Он ведь тоже в этом случае освещается Солнцем у нас из-за спины. Галилей считал, что плоские участки поверхности Луны темнее склонов гор и поэтому край диска, на котором мы видим в основном склоны, кажется относительно ярче. В более поздних моделях учитывали рельеф разного порядка - и горы, и отдельные камни, и даже камни разных размеров. Другая гипотеза предполагает, что в поверхностном слое Луны много стеклянных шариков. Они образуются при ударах метеоритов, как результат плавления и застывания разлетающихся кусочков породы. Эти полупрозрачные шарики действуют как катафот, то есть отражают свет навстречу падающему лучу, навстречу Солнцу. А в полнолуние это будет как раз направление на Землю. Как действует катафот, вы можете посмотреть на улице, направив фонарик на дорожный знак - многие из них покрашены краской, которая содержит стеклянные шарики. Проблема с оптическими свойствами Луны пока не решена, и вы сможете (через некоторое время) ею заняться. Ну, через некоторое время... вы меня понимаете.
Вторая сюжетная линия такова. Советские автоматические межпланетные станции Луна-17 в 1970 году и Луна-21 в 1973 году доставили на Луну аппараты Луноход-1 и Луноход-2. На их корпусах были закреплены панели светоотражателей, изготовленные во Франции. Эксперименты по лазерной локации Лунохода-1 с использованием светоотражателей долгое время не проводились, предполагалось, что отражатель вышел из строя. В 2010 году положение Лунохода-1 было найдено на снимках, сделанных спутником Lunar Reconnaissance Orbiter (НАСА), после этого из Apache Point Observatory была проведена лазерная локация. Отклик от отражателя Лунохода-1 оказался в 4-5 раз больше, чем от Лунохода-2. Это было очень непросто, но итоге в ситуации удалось разобраться ("Наука и жизнь", 2024, ! 4, с. 44). Оказалось, что положение Лунохода-1 таково, что сигнал от его отражателя ослабляется более чем на порядок, а отражатель Лунохода-2 вообще не может быть использован для локации. Поэтому сигнал, который в течении 40 лет принимали за отражение от его отражателя, был отражением от склонов соседнего кратера.
А теперь обещанное слияние сюжетных линий. Возможно, что на склонах кратера нашлись катафотные шарики. Да и где же им еще быть, как ни на склонах кратера?
Шероховатость - вообще вещь загадочная и может принести еще сюрпризы. Например, она может увеличивать эффективность солнечных элементов. А вот другая демонстрация работы катафота. Эти два снимка, рисунок 4 и рисунок 5, сделаны днем, но второй - со вспышкой. Катафот стал, естественно намного ярче, а электроника фотоаппарата уменьшила экспозицию и окружающий мир стал темнее.
Рис. 4. Катафот днем, при рассеянном свете
Рис. 5. Тот же катафот, тем же днем, но съемка со вспышкой, то есть освещение от фотоаппарата
Ну и на десерт старый вопрос, ответ на который известен полтора века, но на который до сих пор часто отвечают неправильно. Почему небо голубое? То есть понятно, что это рассеивание света, иначе небо было бы черное. Часто этим и ограничиваются, но на чем это рассеивание? Часто отвечают, что на молекулах или на пылинках, но оба ответа неправильные. Это рассеивание на неоднородностях плотности воздуха, так называемое "релеевское рассеяние" (в этом разобрался полтора века назад лорд Рэлей). А вот и картинка, на которой видно, что склоны гор в тени, где они освещены рассеянным светом неба, голубоватые, а на свету, где преобладает прямой солнечный свет, белые - рисунок 6.
Рис. 6. Тянь-Шань.
Свет может не только делать все, о чем мы рассказали, но и излучаться. Точнее, электромагнитное излучение создают все тела, но видим мы его только, если они нагреты до нескольких сотен градусов Цельсия и более. Во-первых, потому что с ростом температуры быстро растет излучаемая мощность, во-вторых, потому что увеличиваются частоты этого излучения. И оно из инфракрасного, невидимого, становится сначала в основном красным, потом проходит по всему спектру и опять становится невидимым, которое принято называть ультрафиолетовым. Невидимый "свет", а именно инфракрасное излучение, было когда-то открыто именно по тепловому эффекту. При пропускании дневного света, содержащего излучение с разными частотами, через призму, на экране получается спектр, потому что разное излучение отклоняется призмой по-разному. Оказалось, что градусник, помещенный в разные части спектра, нагревается по-разному, причем к красному концу нагрев увеличивается, и он фиксируется даже там, где спектр уже "кончился". То есть там, где если и есть излучение, то оно невидимое.
Позже оказалось, что энергия фотонов, квантов излучения, больше как раз на противоположном конце спектра, но противоречия здесь нет. Нагрев градусника, помещенного в поток излучения, зависит не только от энергии отдельных квантов, но еще как минимум от трех факторов. Это количество разных квантов в исходном излучении Солнца, доля квантов, проходящая сквозь призму и доля, поглощенная градусником - ведь часть он отражает.
Метеориты, летя в атмосфере нагреваются и начинают излучать. "Больше всего впечатляют те падающие звезды, что задерживаются на горизонте на несколько секунд и меняют цвет, прежде чем зарыться в атмосферу". Это цитата из книги Патрика Смита "Говорит командир корабля. Вопросы, ответы и наблюдения опытного пилота". Метеориты изменяют цвет из-за того, что нагреваются, но может быть еще одна причина - состав того, что с него при нагреве испаряется. Некая аналогия спектрального анализа.
Зависимость видимой части излучения от нагрева можно, естественно, просто увидеть. На рисунке 7 мы видим металлическую пластинку в пламени горелки, и понятно, что ее тонкий край нагрет сильнее - это просто видно. Происходит это потому, что тепло хуже распространяется по тонкой части. А в правом верхнем углу увеличенное изображение кромки при менее сильном нагреве. Видны отдельные яркие точки - это частички окалины, они плохо контактируют с основной частью пластинки и поэтому нагреваются еще сильнее.
Рис. 7 Металл в пламени, нагрет и излучает
Кстати, о частичках и ярких точках. Что за искры летят, когда что-либо точат на точильном круге или абразивным диском режут металл? Подобную картину вы наверняка видели - рисунок 8.
Рис. 8. Летят и светятся, потому что горячие, но почему горячие?
Светятся они потому, что горячие, а горячие они потому, что при трении и разрушении материала часть работы превращается в тепло. Если бы это была единственная причина, они в полете остывали бы и темнели. Но этого не происходит, скорее всего потому, что они в полете горят, окисляются, выделяя тепло. Когда-то вид этих искр применялся для определения марок сталей - рисунок 9.
Рис. 9. Определение состава и марок стали по типу искр. Инструкция первой трети прошлого века. Архив инженера Александра Ашкинази.
"Звездочки" на конце траектории - точка разрушения частицы и разлета осколков. ИсклИ еще несколько вопросов. Почему иногда на траектории искорка? Почему она обычно в конце видимого участка траектории? В какой-то книжке я видел такую фразу: "Алюминий - удивительный металл. Легкий и прочный, он не искрит и не ржавеет". Прочный - неверно, не ржавеет - потому, что его защищает от окисления слой оксида, а почему не искрит? Может быть, именно потому, что не ржавеет?
Физические вопросы часто устроены так - первый шаг в глубину действительно прост, а дальше начинается серьезная физика. Например, почему оксидная пленка многие металлы не защищает, а вот алюминий защищает? Продвижение в этом вопросе произошло относительно недавно, и оказалось, что это связано с высоким электрическим сопротивлением оксида алюминия Al2O3. Но причем здесь электрическое сопротивление? Представьте себе, что молекула кислорода прилетела, попала на тонкую пленку оксида, покрывающую алюминий и желает стать частью этой пленки. Но она состоит из атомов, а решетка оксида из ионов. Где атому взять электроны, чтобы стать ионом? В куске алюминия электронов много, но для того, чтобы соединиться с атомом кислорода, им нужно просочиться сквозь слой оксида, а он - хороший диэлектрик.
А теперь, естественно, немного о невидимом. Почему к весне вокруг деревьев и столбов протаивают кольцевые канавки, которые мы видим на рисунке 10? Во-первых, и для плавления, и для сублимации нужно тепло, а для передачи тепла - либо контакт, либо конвекция (движение теплого воздуха), либо излучение. Если дело было бы в контакте, была бы узкая щель - как только контакт прервался, теплопередача прекращается. При конвекции полость была бы не симметрична из-за ветра. Но канавка явно кольцевая (и другие такие - тоже кольцевые), значит, это излучение. Причем не отраженное излучение Солнца (опять полость была бы не симметрична), а тепловое излучение самого дерева. А уже его температура зависит от притока тепла из почвы, поглощения солнечного излучения, своего излучения и теплообмена с воздухом.
Рис. 10. Кольцевые канавки в снегу вокруг деревьев
Касательно того, что если бы дело было в передаче тепла через контакт, то при исчезновении контакта прекратилась бы передача тепла, пример на рисунке 11. Слева - слой снега, который лег на каменную ограду и начал подтаивать. Но как только образовалась щель, узкая, но глубокая (справа снимок по горизонтали, дна не видно), то теплообмен прекратился, снег лежит спокойно.
Рис. 11. Снег на каменной ограде. Фото Валентина Шевелёва, ученика школы FMSH.RU
В этой статье все фотографии автора, кроме этой и следующей (там указано).
На земле, как мы знаем, стоят не только деревья. Например, на земле может стоять стол, конкретно, вот такой - ножки железные, столешница из стеклянного листа, рисунок 12. Сверху падает снег, а потом он протаивает напротив железных полос, на которых лежит стекло. Почему?
Рис. 12. Стол стоит на земле, ножки и рама железные, столешница - стекло. Падает и тает снег.
Фото Дины А.
Железные полосы получают тепло от Солнца (но оно об этом не знает), потому что для видимого излучения Солнца тонкий слой снега прозрачен - он рассеивает свет, но не поглощает его. Нагретые полосочки излучают невидимое инфракрасное излучение, которое снегом (и водой, и льдом) отлично поглощается. А еще немного тепла полосочки получают от земли, теплопроводностью по ножке, и это видно на снимке, правда? На углу, где стоит (не видимая на снимке) железная ножка, температура горизонтальных полосочек больше - судя по плавлению облучаемого ими снега.
И еще две картинки с невидимым. Зачем микросхеме на рисунке 13 окошко, причем не стеклянное, а кварцевое? Наверное, не для того, чтобы мы посмотрели, как хранится информация. Это память, стираемая ультрафиолетовым излучением.
Рис. 13. Микросхема с окошком
А теперь можем познакомиться, это я. На рисунке 14 фото с экрана тепловизора - прибора, который видит инфракрасное излучение, по его спектру определяет температуру и рисует картинку, как принято говорить, "в условных цветах". В данном случае цвет означает температуру (шкала справа). Я в рубашке, и ее температура выше там, где она прилегает к телу (плечи). Очки, естественно, холоднее лица, а холодный объект ниже лица... который я явно держу в руках... ба, да это фотоаппарат!
