Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

А вот среди твердых видов материи прозрачность — исключение. Одной из редких естественных субстанций, прозрачных в твердом виде, является кварц, и изумленные греки считали его формой теплого льда. Само слово «кристалл», впервые примененное к кварцу, происходит от греческого «лед», а слово «кристальный» одним из своих значений имеет «прозрачный».

Прозрачность становится тем менее выраженной, чем толще становятся слои обычно прозрачных веществ. Небольшое количество воды явно прозрачно, и камни на дне чистого пруда четко видны. Однако когда ныряльщик погружается в воду моря, достигающий его свет становится все слабее и слабее, а на глубине 450 футов свет почти уже не проникает вглубь. Слои воды большей толщины так же непрозрачны, как и слои камня такой же толщины, и морское дно уже невозможно увидеть сквозь покрывающую его «прозрачную» воду.

Воздух поглощает свет еще меньше, чем вода, соответственно он менее прозрачен. Несмотря на то что мы находимся на дне воздушного океана глубиной во много миль, свет беспрепятственно достигает нас, а мы беспрепятственно можем наблюдать куда более слабый свет звезд [79] Строго говоря, если бы атмосфера была сжата до плотности воды, ее высота составляла бы всего 33 фута; слой воды такой толщины в значительной мере сохранит прозрачность. .

Тем не менее некоторое поглощение все же присутствует: подсчитано, что 30 процентов света, достигающего Земли из космоса, поглощается атмосферой. (Некоторые виды радиоактивного излучения, отличные от видимого света, поглощаются атмосферой с куда большей эффективностью, и толщины покрывающего нас воздуха достаточно, чтобы в данном случае он оказался непрозрачным для этих излучений.)

Свет — это форма энергии, и, поскольку он с легкостью может переходить в другие виды энергии, его нельзя уничтожить. Кажется, что при поглощении непрозрачной материей (или толстым слоем прозрачной материи) он уничтожается, но на самом деле он переходит в тепло.

Утверждение о том, что свет всегда движется по прямой, совершенно верно только в одном случае: когда свет движется в однородной среде, например в вакууме или в воздухе, обладающем по всей своей протяженности одинаковой температурой и плотностью. Если же в среде происходят изменения, например когда свет в воздухе натыкается на непрозрачное тело, правило о прямолинейном распространении теряет свою строгость. Свет, не поглощенный телом, резко меняет направление, как и бильярдный шар, ударяющийся о борт. Такой «отскок» света от непрозрачного предмета называется отражением.

Свет отражается от предмета по тем же законам, по которым бильярдный шар отскакивает от борта. Представьте себе плоскую поверхность, способную отражать свет. Линия, перпендикулярная к этой поверхности, называется нормалью (от латинского названия плотницкого уголка, который использовали для того, чтобы рисовать перпендикуляры) [80] На самом деле слово «нормально» стало нам настолько знакомо своим значением естественности, распространенности, сообразности, что его первоначальное значение «строго перпендикулярный к плоскости или другой линии» уже почти забыто. . Луч света, движущийся по нормали, ударяется в отражающую поверхность под прямым углом и отлетает назад по своей же траектории. Так же поведет себя и летящий на скорости бильярдный шар.

Если луч света движется под углом по отношению к поверхности, то и к нормали он придется под углом. Луч света, движущийся к поверхности, называется падающим лучом, а его угол к нормали называется углом падения. Отраженный луч пойдет обратно с другой стороны нормали, под новым углом к ней, под углом отражения. Падающий луч, отраженный луч и нормаль находятся в одной плоскости, то есть можно положить плоский лист таким образом, чтобы по нему проходили все три линии.

Эксперименты с лучами света и отражающими поверхностями в запыленном воздухе, в котором лучи света становятся видимыми, показывают, что угол падения (i) всегда равен углу отражения (r). Это может быть выражено просто:

Фактически найти действительно ровную поверхность трудно. Большинство поверхностей имеют крошечные неровности, даже если кажутся плоскими. Пучок света, состоящий из параллельных лучей, не даст одного и того же угла падения. Один луч коснется поверхности под углом падения 0°, другой упадет рядом, тем не менее поверхность в этом месте может быть искривлена на 10° по отношению к свету; он отразится под углом 10° в другом направлении, что в сумме даст 20°, и т. д. В результате пучок падающих лучей будет разбит отражением, и отраженные лучи разойдутся во все стороны по широкой дуге. Это будет рассеянное отражение.