5. 3. Отражение и пропускание света. Окраска тел в природе.@

Отражение
света – это явление,
заключающееся в том, что при падении
света из первой среды на границу раздела
со второй средой взаимодействие света
с веществом приводит к появлению световой
волны, распространяющейся от границы
раздела в первую среду.Несамосветящиеся
тела становятся видимыми благодаря
отражению света от их поверхности.
Данное явление тесно связано с явлениями
преломления и поглощения света.

Интенсивность
отраженного света зависит от угла
падения, поляризации падающего пучка
лучей, показателей преломления обеих
сред и характеризуется коэффициентом
отраженияR:
,
гдеI_отр –
интенсивность отраженного света.
Коэффициент отражения всегда меньше
единицы. Если неровности поверхности
границы раздела малы по сравнению с
длиной волны падающего света, то имеет
место правильное, или зеркальное
отражение света. Если же размеры
неровностей соизмеримы с длиной волны
или больше нее, то отражение называется
диффузным. При зеркальном отражении
фаза отраженного луча скачкообразно
меняется. В случае нормального падения
на оптически более плотную среду фаза
отраженной волны сдвигается на π.
Наибольшим коэффициентом отражения
обладают металлы и именно этим объясняется
использование металлизированных
поверхностей в зеркалах.

Пропускание
света – это прохождение
сквозь среду оптического излучения без
изменения набора частот составляющих
его монохроматических излучений и их
относительной интенсивности.Процесс
пропускания характеризуетсякоэффициентом
пропусканияТ, который зависит от
размеров тела и состояния его поверхности,
а также от спектрального состава, угла
падения и поляризации излучения:

,
где I_проп –
интенсивность света, пропущенного
веществом. Коэффициент пропускания
также всегда меньше единицы. Лучше всего
пропускают свет прозрачные тела. Так,
коэффициент пропускания обычного стекла
близок к единице.

На основе
вышеизложенного материала можно понять,
от чего зависит окраска окружающих нас
тел. Каждое тело, взаимодействуя со
светом, имеет способность поглощать,
пропускать или отражать свет тех или
иных длин волн. Если тело хорошо поглощает
падающий на него свет, а отражает и
пропускает плохо, оно черное и непрозрачное,
как, например, сажа. Белые тела наоборот
хорошо отражают падающий на них свет,
а поглощают плохо. Окраска всех
непрозрачных тел определяется тем,
какие длины волн тело лучше отражает.
Тело, для которого коэффициент отражения
красных длин волн значительно больше
коэффициентов отражения других волн,
будет красным и т.п. Окраска всех
прозрачных тел определяется тем, какие
длины волн тело лучше пропускает.
Прозрачное тело будет бесцветным, если
оно поглощает свет всех цветов в
одинаковой мере и таким образом, в
прошедшем свете не будет нарушено
соотношение между различными составляющими
белого света. Если же прозрачное тело
обладает избирательным поглощением,
то оно приобретает определенную окраску.
Прозрачное тело, для которого коэффициент
пропускания фиолетовых длин волн
значительно больше коэффициентов
пропускания других волн, будет фиолетовым
и т. п. На этом свойстве основано
изготовление светофильтров. Например,
красный светофильтр изготавливают из
стекла, которое менее всех поглощает и
лучше всех пропускает свет красных длин
волн. Если на такое стекло направить
зеленый или синий свет, то оно будет
казаться черным.

Поглощение, отражение и пропускание света в различных средах

А.И.Андреев, С.В.Мухин, В.В.Некрасов, В.А.Никитенко, А.В.Пауткина

Модульная многофункциональная оптоволоконная спектрометрическая система

Часть I

Устройство и принципы эксплуатации аппаратуры

1.2.1. Общие представления

При падении излучения на тело часть света отражается, а другая проходит внутрь среды. В среде часть излучения может поглотиться или рассеяться (при наличии в ней неоднородностей), а остальная часть пройти через неё. Поглощённое излучение превращается в тепло или излучается с другой длиной волны (фотолюминесценция), рис. 1.2.1.

Рис. 1.2.1

Схема, иллюстрирующая оптические процессы,

происходящие на поверхности среды и внутри неё

В общем случае световой поток, падающий на образец, делят на три компоненты:

(1.2.1)

где , соответственно, коэффициенты отражения, поглощения и пропускания.

При направленном пропускании, когда рассеянием можно пренебречь, отношение называется прозрачностью среды .

Очевидно, что

. (1.2.2)

Все коэффициенты зависят от длины волны.

Как следует из курса общей физики, электромагнитная волна, попадая в однородный диэлектрик, вызывает в нём вынужденные колебания связанных электрических зарядов, которые становятся источником вторичных электромагнитных волн. Интерферируя с первичной волной, эти волны создают результирующую преломлённую волну, которая распространяется в среде с фазовой скоростью в раз меньшей скорости света в вакууме ( — абсолютный показатель преломления среды).

Вторичные волны от поверхностного слоя выходят и наружу образца. Складываясь, они образуют отражённую волну.

Расчёт коэффициента отражения в зависимости от показателя преломления граничащих плоских диэлектриков был впервые выполнен Френелем и затем дополнен решением уравнений Максвелла для границы раздела двух сред, имеющих различные диэлектрические проницаемости.

Если электромагнитная волна падает перпендикулярно границе раздела двух сред, то коэффициент отражения рассчитывается по формуле

, (1. 2.3)

где — относительный показатель преломления.

В целом коэффициент отражения зависит от угла падения, оставаясь минимальным при нормальном падении света.

Металлы отличаются от диэлектриков как высокими значениями коэффициента отражения, так и поглощения. Это обусловлено большой концентрацией в них свободных электронов, которые легко раскачиваются падающим излучением. В результате появляется очень мощная отражённая волна, а сталкивающиеся с ионами кристаллической решётки свободные электроны трансформируют энергию падающего излучения в тепло.

Рассеяние вызвано оптическими неоднородностями среды (посторонними частицами) или флуктуациями плотности вещества, соответственно показателя преломления (такое рассеяние обычно называют молекулярным).

Рассеяние на неоднородностях среды происходит из-за отражения, преломления и дифракции на посторонних включениях. Если размер рассеивающих частиц критически мал по сравнению с длиной волны, то рассеяние практически отсутствует (например, излучение оптического диапазона не рассеивается отдельными атомами). С увеличением размера частиц (при переходе от атомов к молекулам) рассеяние сильно растёт и существенно зависит от длины волны. Согласно закону Рэлея при молекулярном рассеянии в газе интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна квадрату объёма частицы и обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны. Однако, уже для частиц с радиусом примерно в 5 раз больше длины волны интенсивность рассеяния перестаёт зависеть от частоты излучения.

Характер отражённого света зависит от интенсивности рассеяния:

— если рассеяние отсутствует (однородный слой с гладкими поверхностями), то имеет место направленное отражение (зеркальное) и пропускание;

— если излучение полностью рассеивается (молочные стёкла), то говорят о диффузном отражении и пропускании;

— смешанное отражение и пропускание (направленно-рассеянное) обычно наблюдается на поверхностях, элементы которых различно ориентированы относительно общей плоскости (матовое стекло).

Контрольные вопросы

1. Опишите оптические процессы, происходящие на поверхности среды и внутри неё при падении электромагнитного излучения.

2. Дайте определение коэффициентов отражения, поглощения и пропускания.

3. В результате чего появляется преломлённая и отражённая волна?

4. Чем вызвано рассеяние света?

5. В чём смысл закона Рэлея? Где мы встречаемся с его проявлением?

6. От чего зависит характер отражённого света?

7. Как меняется картина рассеяния света с увеличением размера рассеивающих частиц?

Поглощение, отражение и передача света

Ранее мы узнали, что волны видимого света состоят из непрерывного диапазона длин волн или частот. Когда световая волна одной частоты попадает на объект, может произойти ряд вещей. Световая волна может быть поглощена объектом, и в этом случае ее энергия преобразуется в тепло. Световая волна может отражаться от объекта. И световая волна могла быть передана объектом. Однако редко свет одной частоты падает на объект. Хотя это и происходит, чаще всего видимый свет многих частот или даже всех частот падает на поверхность объектов. Когда это происходит, объекты имеют тенденцию избирательно поглощать, отражать или пропускать свет определенных частот. То есть один объект может отражать зеленый свет, поглощая все остальные частоты видимого света. Другой объект может избирательно излучать синий свет, поглощая все остальные частоты видимого света. Способ взаимодействия видимого света с объектом зависит от частоты света и природы атомов объекта. В этом разделе Урока 2 мы обсудим, как и почему свет определенных частот может избирательно поглощаться, отражаться или передаваться.

Поглощение видимого света

Атомы и молекулы содержат электроны. Часто полезно думать об этих электронах как о прикрепленных к атомам пружинами. Электроны и прикрепленные к ним пружины имеют тенденцию вибрировать на определенных частотах. Подобно камертону или даже музыкальному инструменту, электроны атомов имеют собственную частоту, с которой они склонны вибрировать. Когда световая волна с той же собственной частотой падает на атом, электроны этого атома приходят в колебательное движение. (Это всего лишь еще один пример принципа резонанса, представленного в Разделе 11 Учебного пособия по физике.) Если световая волна заданной частоты попадает в материал с электронами, имеющими одинаковые частоты колебаний, то эти электроны будут поглощать энергию света. волну и преобразовать ее в колебательное движение. Во время своего колебания электроны взаимодействуют с соседними атомами таким образом, что преобразуют его колебательную энергию в тепловую энергию. Впоследствии световая волна с заданной частотой поглощается объектом и никогда больше не высвобождается в виде света. Таким образом, избирательное поглощение света конкретным материалом происходит потому, что выбранная частота световой волны соответствует частоте, с которой вибрируют электроны в атомах этого материала. Поскольку разные атомы и молекулы имеют разные собственные частоты вибрации, они избирательно поглощают разные частоты видимого света.

Отражение и передача видимого света

Отражение и передача световых волн происходят из-за того, что частоты световых волн не соответствуют собственным частотам вибрации объектов. Когда световые волны этих частот попадают на объект, электроны в атомах объекта начинают вибрировать. Но вместо того, чтобы вибрировать в резонансе с большой амплитудой, электроны колеблются в течение коротких промежутков времени с малой амплитудой колебаний; затем энергия переизлучается в виде световой волны. Если объект прозрачен, то колебания электронов передаются соседним атомам через объем материала и переизлучаются на противоположной стороне объекта. Такие частоты световых волн называются передано . Если объект непрозрачен, то колебания электронов не передаются от атома к атому через объем материала. Скорее электроны атомов на поверхности материала вибрируют в течение коротких периодов времени, а затем переизлучают энергию в виде отраженной световой волны. Говорят, что такие частоты света отражают .

Откуда берется цвет?

Цвет объектов, которые мы видим, во многом определяется тем, как эти объекты взаимодействуют со светом и в конечном итоге отражают или передают его нашим глазам. Цвет объекта на самом деле не находится внутри самого объекта. Скорее, цвет находится в свете, который падает на него и в конечном итоге отражается или передается нашим глазам. Мы знаем, что спектр видимого света состоит из диапазона частот, каждая из которых соответствует определенному цвету. Когда видимый свет падает на объект и поглощается определенной частотой, свет этой частоты никогда не доходит до наших глаз. Любой видимый свет, падающий на объект и отражающийся или передающийся нашим глазам, будет способствовать изменению цвета этого объекта. Таким образом, цвет находится не в самом объекте, а в свете, который падает на объект и в конечном итоге достигает нашего глаза. Единственная роль, которую играет объект, заключается в том, что он может содержать атомы, способные избирательно поглощать одну или несколько частот видимого света, падающего на него. Таким образом, если объект поглощает все частоты видимого света, кроме частоты, связанной с зеленым светом, то в присутствии ROYGBIV объект будет казаться зеленым. И если объект поглощает все частоты видимого света, кроме частоты, связанной с синим светом, то в присутствии ROYGBIV объект будет казаться синим.

Рассмотрим две приведенные ниже диаграммы. На диаграммах изображен лист бумаги, освещенный белым светом (ROYGBIV). Бумага пропитана химическим веществом, способным поглощать один или несколько цветов белого света. Такие химические вещества, способные избирательно поглощать одну или несколько частот белого света, известны как пигменты . В примере А пигмент листа бумаги способен поглощать красный, оранжевый, желтый, синий, индиго и фиолетовый. В примере В пигмент листа бумаги способен поглощать оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый. В каждом случае тот цвет, который не поглощается, отражается.

Проверьте свое понимание этих принципов, определив, какой цвет света отражается бумагой и каким цветом бумага будет казаться наблюдателю.

Прозрачные материалы – это материалы, которые позволяют проходить через себя одну или несколько частот видимого света; какой бы цвет (ы) ни передавались/не передавались такими объектами, они обычно поглощаются ими. Внешний вид прозрачного объекта зависит от того, какой цвет (цвета) света падает на объект и какой цвет (цвета) света проходит через объект.

Выразите свое понимание этого принципа, заполнив пустые места на следующих рисунках.

Цвета, воспринимаемые объектами, являются результатом взаимодействия между различными частотами волн видимого света и атомами материалов, из которых сделаны объекты. Многие объекты содержат атомы, способные выборочно поглощать, отражать или передавать одну или несколько частот света. Частоты света, которые передаются или отражаются в наших глазах, влияют на цвет, который мы воспринимаем.

Мы хотели бы предложить …

Иногда недостаточно просто прочитать об этом. Вы должны взаимодействовать с ним! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего Интерактивного освещения сцены. Интерактив находится в разделе «Физические интерактивы» на нашем веб-сайте и позволяет учащимся исследовать внешний вид актеров на сцене при освещении различными комбинациями красного, зеленого и синего света.

Посетите:  Интерактивное освещение сцены

1. Натурфилософы долго размышляли над глубинными причинами цвета в природе. Одним из распространенных исторических убеждений было то, что цветные объекты в природе производят мелкие частицы (возможно, частицы света), которые впоследствии достигают наших глаз. Различные объекты производят частицы разного цвета, что способствует их разному внешнему виду. Верно это убеждение или нет? __________________ Обосновать ответ.

2. Какого цвета появляется красная рубашка, когда в комнате выключен свет и в комнате совершенно темно? ____________ Как насчет синей рубашки? ____________ … зеленая рубашка? ____________

3. На схемах изображен лист бумаги, освещенный белым светом (ROYGBIV). Бумага пропитана химическим веществом, способным поглощать один или несколько цветов белого света. В каждом случае определите, какой цвет (цвета) света отражается бумагой и каким цветом бумага будет казаться наблюдателю.

4. Внешний вид прозрачного объекта зависит от того, какой цвет (цвета) света падает на объект и какой цвет (цвета) света проходит через объект. Выразите свое понимание этого принципа, определив, какой цвет (цвета) света будет пропускать и каким цветом бумага будет казаться наблюдателю.

Следующий раздел:

Перейти к следующему уроку:

Отражение, поглощение и передача — Maggie’s Science Connection

D. Когда свет попадает на объект, он проходит, поглощается,

и/или отражается

Свет слева отражается, свет в середине поглощается и свет справа передается. Любой объект, который вы можете видеть, должен хотя бы частично отражать свет для ваших глаз. Объекты ТАКЖЕ могут поглощать и/или пропускать свет.

Сравните свет, отражающийся от гладкой и шероховатой поверхности