為什么玻璃是透明的，而金屬和磚卻不是？鏡子為什么會(huì)反射？為什么光線穿透磨砂玻璃，卻什么也看不見(jiàn)？讓我們看一個(gè)難題：物質(zhì)如何作用于落在它上面的光。
一個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題：光是如何穿過(guò)窗玻璃的，為什么它不穿過(guò)墻壁？要理解這一點(diǎn)，我們必須深入研究物質(zhì)和光本身的結(jié)構(gòu)。
光是波
光可以用兩種語(yǔ)言來(lái)描述：光粒子流（光子）和電磁波。第一種語(yǔ)言比第二種語(yǔ)言更精確，但也更復(fù)雜。物質(zhì)中的光子絕不是球或球。他的行為規(guī)律復(fù)雜，尚未完全理解，難以用普通的語(yǔ)言表達(dá)。因此，讓我們先拋開(kāi)量子光學(xué)的叢林，把光當(dāng)作波來(lái)討論。
請(qǐng)記住，物質(zhì)是由原子組成的。每個(gè)原子都有一個(gè)帶正電的原子核和圍繞它旋轉(zhuǎn)的帶負(fù)電的電子。負(fù)電荷被正電荷吸引，因此原子核吸引電子，防止它們散射。
帶電粒子如何在不相互接觸的情況下在遠(yuǎn)處吸引或排斥？事實(shí)是它們被電場(chǎng)包圍。電子沉浸在原子核的場(chǎng)中，這個(gè)場(chǎng)將它們吸引到原子核。形象地說(shuō)，電場(chǎng)是長(zhǎng)臂，電荷相互伸展以相互作用。
不僅帶電粒子有電場(chǎng)，還有光。關(guān)鍵是光是一種電磁波。換句話說(shuō)，它由一個(gè)振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成。我們不會(huì)在這里討論光的磁場(chǎng)，但讓我們更詳細(xì)地討論一下電場(chǎng)。
電磁波在許多方面類似于投擲的巖石在水中產(chǎn)生的波。讓我們把一塊石頭扔進(jìn)水里，注視著伸出水面的一片草葉。它將被山脊和凹陷交替覆蓋。同理，落在光波下的原子會(huì)被電場(chǎng)非常強(qiáng)的“脊”和同樣強(qiáng)但方向相反的“谷”覆蓋。誠(chéng)然，在光線的情況下，脊和槽會(huì)經(jīng)常相互替換：每秒數(shù)百萬(wàn)億次！
重量和彈簧
原子會(huì)發(fā)生什么？回想一下，電場(chǎng)作用于帶電粒子，要么吸引要么排斥它們。這種來(lái)自光側(cè)的力將作用在原子核和電子上。但是原子核比電子重幾千甚至幾十萬(wàn)倍，你不能那么容易地移動(dòng)它們。但是電子將開(kāi)始隨波隨時(shí)間振蕩。
然而，電子和原子核之間的吸引力不會(huì)去任何地方。波會(huì)將電子從其應(yīng)有的位置拖出，而原子核會(huì)將其拉回。結(jié)果，電子會(huì)振蕩，但不像湖面上的漂浮物，完全受波的支配。相反，它看起來(lái)像一個(gè)懸掛在彈簧上的重物，有節(jié)奏地上下拉動(dòng)。這里的彈簧是對(duì)原子核的吸引力，而拉手是擺動(dòng)電子的光波。
然后最有趣的事開(kāi)始了。振蕩的電子本身將成為光源！這就是自然規(guī)律，振蕩的帶電粒子會(huì)發(fā)射電磁波。物理學(xué)家稱這些波為次級(jí)波，以將它們與覆蓋原子并導(dǎo)致電子振蕩的初級(jí)波區(qū)分開(kāi)來(lái)。
當(dāng)然，在一個(gè)原子的光下，一個(gè)人是無(wú)法閱讀一本書(shū)的。但是有很多很多的原子。窗戶玻璃里的水比海洋中的水杯還要多。而在所有落在光波下的原子中，電子都會(huì)振蕩并輻射出二次波。
集體直接性
這些二次波相互疊加。這并不總是意味著他們變得更強(qiáng)大。如果第二個(gè)波的波峰正好疊加在第一個(gè)波的波峰上（據(jù)說(shuō)這些波彼此同相），那么它們會(huì)相互加強(qiáng)。如果第二波的波峰正好落在第一波的波谷上（這些波是反相的），那么它們就會(huì)變得平滑，相互削弱。兩個(gè)完全相同的反相波相互完全補(bǔ)償，就好像根本沒(méi)有波一樣。我們將不得不記住下面的更多信息！
結(jié)果是一幅復(fù)雜的畫(huà)面。每個(gè)單獨(dú)的原子都向各個(gè)方向輻射二次波。但是來(lái)自不同原子的波是相互疊加的，在某處同相，在某處反相，在某處“中間到一半”。結(jié)果，在某處波通常會(huì)相互補(bǔ)償并消失，而在某處它們會(huì)增加。
物理學(xué)家有辦法計(jì)算當(dāng)來(lái)自所有無(wú)數(shù)原子的二次波相互疊加時(shí)會(huì)發(fā)生什么。誠(chéng)然，它需要更高的數(shù)學(xué)，所以在這里你必須聽(tīng)聽(tīng)科學(xué)家的話，即使結(jié)果看起來(lái)很奇怪。這真是太神奇了：事實(shí)證明……光以直線穿過(guò)物質(zhì)。不是在所有方向上，而是嚴(yán)格在一條直線上。
煙霧散射光
光的散射：哦，多么散射！..
“光沿直線傳播”的規(guī)則不適用于毛玻璃、煙霧彌漫的空氣和其他多云環(huán)境。在這樣的物質(zhì)中，光波不斷遇到障礙物：玻璃中的氣泡、空氣中的煙霧顆粒等等。正因?yàn)槿绱?，她不斷地改變方向。在多云的環(huán)境中，光是散射的：它在各個(gè)方向上隨機(jī)移動(dòng)。圖像變得像一個(gè)拼圖，其中的碎片混合和分散。這就是為什么透過(guò)磨砂玻璃看不到任何東西的原因（這在某些情況下非常合適?。?。因此，一堆碎玻璃的小碎片是不透明的：碎片之間的邊界也會(huì)散射光。
光的折射扭曲了鉛筆的可見(jiàn)形狀
光的折射：路上的一個(gè)轉(zhuǎn)彎
讓我們回到透明窗玻璃。如果初級(jí)波與玻璃表面成直角下降，那么由次級(jí)波產(chǎn)生的物質(zhì)中的光將以完全相同的方式移動(dòng)。如果它以任何其他角度落下，擊中物質(zhì)的光會(huì)稍微改變方向。這稱為光折射。
一些透明物質(zhì)對(duì)光的折射更強(qiáng)，而另一些則更弱。首先，它取決于密度：原子越接近，光的折射越強(qiáng)。玻璃的密度比水大，因此玻璃中的折射更明顯。其次，原子也不同。上面，我們比較了在光波作用下振蕩的電子與彈簧負(fù)載。但是彈簧有不同的長(zhǎng)度和剛度。同樣，原子從電子到原子核的距離以及它們之間的吸引力也不同。這取決于將發(fā)射哪些二次波，以及最終將如何折射光。
鏡子的玻璃下面隱藏著一層金屬反射層
光的反射：鏡中的世界
所有物體，透明的和不透明的，至少會(huì)輕微反射光線。只是因?yàn)榉瓷涔膺M(jìn)入我們的眼睛，我們才能看到它們。順便說(shuō)一句，我們將反射大量光線的物體視為光，而幾乎沒(méi)有反射的物體 – 視為黑暗。大熱天戴一頂淺色的帽子，讓你的頭暖和起來(lái)！
反射光波從何而來(lái)？現(xiàn)在我們已經(jīng)熟悉了振蕩電子，很容易給出答案。來(lái)自物質(zhì)表面每個(gè)原子的二次波向各個(gè)方向傳播，既深入到物質(zhì)內(nèi)部，又向外傳播。向內(nèi)的形成物質(zhì)的光，向外的形成反射光。
既然物體反射光，為什么我們?cè)谒鼈兩砩峡床坏轿覀冏约旱姆瓷淠?？首先，它們不?huì)反射所有的光，而只是反射一部分，通常是一小部分。但即使在新雪中，反射 90% 的入射光，你也不會(huì)欣賞你的反射。太凹凸不平：表面的每一個(gè)微小區(qū)域都是一面鏡子，向自己的方向反射光線。為了使表面成為單面鏡子，它必須非常光滑。
最好的鏡子是由金屬制成的。在大型壁鏡中，光線從最薄的銀層反射，覆蓋著透明玻璃。在便宜的袖珍鏡中，反射層通常由鋁制成。
為什么金屬反射光的效果這么好？事實(shí)是金屬中存在自由電子。它們不附著在特定的原子上，而是在整個(gè)物質(zhì)體積中自由移動(dòng)。這些電子沒(méi)有被原子核阻擋，會(huì)大規(guī)模振蕩。毫不奇怪，它們會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的二次波。正如我們所記得的那樣，其中一些波會(huì)向外傳播，而另一些會(huì)進(jìn)入物質(zhì)內(nèi)部。向外傳播的波是反射光。但是深入金屬的波與入射波反相，幾乎完全消失（如果不涉及數(shù)學(xué)，很難解釋為什么它是反相的，相信我）。因此，金屬可以很好地反射光線，但非常不透明。
那么為什么鐵釘、鋁勺或銀十字架不是鏡子呢？因?yàn)獒斪油康氖茄趸F，勺子涂的是氧化鋁，十字架涂的是氧化銀。氧化物本身不再是金屬，它們反射光的效果要差得多。
光吸收：消失得無(wú)影無(wú)蹤
順便說(shuō)一句，關(guān)于不透明度。我們已經(jīng)處理了金屬，但是光會(huì)去哪里，例如落在磚墻上？一小部分被它反射，其余的光被吸收。什么是吸收，它是如何工作的？
想象一下，懸掛負(fù)載的彈簧非常緊。這樣你就不會(huì)太大地?cái)[動(dòng)負(fù)載：所有的努力都將花在至少稍微拉伸彈簧上！同樣，在不透明物質(zhì)的原子中——除了金屬——電子與原子核的結(jié)合如此牢固，以至于它們幾乎不會(huì)振動(dòng)（我們?cè)谏厦嬲劦搅私饘俨煌该餍缘奶厥庑再|(zhì)）。入射的光波浪費(fèi)了它的能量，試圖將它們從他們的位置上移開(kāi)，結(jié)果化為烏有。這種能量轉(zhuǎn)化為熱量，加熱物質(zhì)。
當(dāng)光落在物質(zhì)上時(shí)，會(huì)發(fā)生多么不同和令人驚奇的事情！
