Текст статьи Ашкинази Л. А. Рассказ про пропускание, поглощение, рассеивание и излучение // Квант. — 2026. — № 5/6. — С. 26—31.
Что ещё может происходить со светом, кроме очевидных процессов отражения и преломления? Оказывается, много чего.
Свет может поглощаться — тёмная на вид, т. е. не отражающая, вещь совершенно не обязана быть прозрачной. Но если она и не отражает, и не пропускает, значит — поглощает. Попутно превращая энергию поглощённого излучения в свою тепловую энергию, т. е. 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 какого-то другого — хуже.
А вот пример на пропускание света. Если вы интересуетесь историей компьютерной техники, вы помните, что такое дискеты 1,44 Мб, или, как их называли, «трёхдюймовки». А знаете ли вы, что их можно было использовать, чтобы смотреть на Солнце, например во время солнечного затмения? Внутри корпуса дискеты был тонкий полимерный диск с магнитным покрытием, и вот через эту плёнку можно было наблюдать за Солнцем. Учтите, что при этом любые фокусирующие приборы — лупы, линзы, бинокли и телескопы — использовать нельзя. Если, конечно, вам нужно ваше зрение.
Этот пример показывает, что свет может не только отражаться и преломляться. То, что лежит внутри корпуса дискеты, это плёнка, которая не преломляет, немного (она тёмная) отражает и заметное количество света пропускает (поэтому через неё вообще что-то видно). Давайте сравним её просто с белой бумагой, которая тоже не преломляет, явно больше отражает, примерно столько же пропускает, но через неё ничего не видно. Дело в том, что бумага рассеивает свет, а эта плёнка — нет. В нормальной ситуации лучи света идут от объекта, глаз их берёт и строит изображение на сетчатке, а мозг обрабатывает сигнал и говорит — вижу то-то и то-то. Примерно это же происходит с плёнкой из дискеты, только свет частично поглощается в плёнке. 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 плёнки — быть носителем информации, конкретно — в виде намагниченного слоя. То, что он оказался полупрозрачным, это 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 нём нет кристалликов. Тут всё правильно, но учтите, что свет рассеивается не на всяких границах. Если кристаллы очень маленькие и границы у них устроены определённым образом, то рассеивание не происходит! Так был создан важный материал для лазерной техники. На рисунке 1 изображены монокристалл
Вот ещё один пример рассеивания. На рисунке 2 вы видите шоколадку, которую вынули из холодильника, положили на стол, а потом увидели на ней нечто интересное, 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.
Теперь вернёмся 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, потом выключите свет в комнате и посмотрите ещё раз. На этот раз вы увидите больше, хотя сигнал, поступающий с улицы, остался тем же. Но исчез фоновый сигнал — свет из комнаты, отражённый 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, увеличилась чувствительность глаза, это называется «темновая адаптация».
Теперь обратитесь к интернету и спросите «охота чёрной цапли». Вы увидите, как птичка уменьшает фоновый сигнал от дневного света, чтобы он ей не мешал охотиться. А ещё она для этого покрасила себе крылья в чёрный цвет. Кажется, что птичка знает физику...
Однако самый важный пример — оптоволокно. Примерно половина общего потока информации, который перекачивает человечество, распространяется по оптоволокну — отсюда понятна его важность (вторая половина — обмен со спутниками, радиосигнал в атмосфере и космосе). Для работы оптоволоконной связи нужно соблюдение двух условий. Во-первых, у оптоволокна должна быть какая-то граница, причём сигнал на этой границе должен отражаться обратно в оптоволокно настолько полно, что никакое металлическое зеркало этого не обеспечит. Решение этой проблемы известно давно — оболочка должна быть сделана тоже из прозрачного материала, причём 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 должны быть малы рассеивание и поглощение. Оказалось, что для этого кварц в основе нити должен быть очень чистым. Более того, очень чистым должен быть и кварц в материале оболочки, потому что хотя мы и говорим «полное отражение», но свет «заглядывает» в оболочку на расстояние около длины волны. И если там будут потери, т.е. перекачка энергии волны в тепло, то отражение не будет полным.
Тут внимательный читатель заметит, что 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 задумываетесь, для чего вам могут потребоваться знания физики и от работы в какой области вы, возможно, будете получать удовольствие, то это неплохой выбор.
С Луной у нас две проблемы, две сюжетные линии, которые в конце этой части рассказа 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).
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, т. е. отражают свет навстречу падающему лучу, навстречу Солнцу. А в полнолуние это будет как раз направление на Землю. Как действует катафот, вы можете увидеть 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, возможно, вы сможете ею заняться.
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 одним из спутников, после чего была проведена лазерная локация. Отклик от отражателя Лунохода-1 оказался в 4—5 раз больше, чем от Лунохода-2. Это было очень непросто, но в итоге в ситуации удалось разобраться (об этом можно прочитать в журнале «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 течение 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 ещё быть, как не на склонах кратера? Шероховатость — вообще вещь загадочная и может принести ещё сюрпризы. Например, она может увеличивать эффективность солнечных элементов.
А вот другая демонстрация работы катафота. Эти два снимка, рисунок 4 и рисунок 5, сделаны днём, но второй — со вспышкой. Катафот стал, естественно намного ярче, а электроника фотоаппарата уменьшила экспозицию, и окружающий мир стал темнее.
Ну и на десерт старый вопрос, ответ на который известен уже полтора века, но на который до сих пор часто отвечают неправильно. Почему небо голубое? Понятно, что это результат рассеивания света, иначе небо было бы чёрным. Часто этим и ограничиваются, но на чём происходит это рассеивание? Обычно 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 (рис. 6), на которой видно, что склоны гор в тени, где они освещены рассеянным светом неба, голубоватые, а на свету, где преобладает прямой солнечный свет, они белые.
Свет может не только делать всё, о чём было рассказано, 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 растёт излучаемая мощность, а 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 оказывается 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, помещённый в разные части спектра, нагревается по-разному, причём к красному концу нагрев увеличивается, и он фиксируется даже там, где спектр уже «кончился». Иными словами, 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, помещённого в поток излучения, зависит не только от энергии отдельных квантов, но ещё как минимум от трёх факторов. Это — количество разных квантов в исходном излучении Солнца, доля квантов, проходящая сквозь призму, и доля, поглощённая градусником (ведь часть он отражает).
Метеориты, летя в атмосфере, нагреваются и начинают излучать. «Больше всего впечатляют те падающие звёзды, 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 ещё одна причина — состав того, что с метеорита 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 её тонкий край нагрет сильнее. Происходит это потому, что тепло хуже распространяется по тонкой части. А в правом верхнем углу рисунка показано увеличенное изображение кромки при менее сильном нагреве. Видны отдельные яркие точки — это частички окалины, они плохо контактируют с основной частью пластинки и поэтому нагреваются ещё сильнее.
Кстати, о частичках и ярких точках. Что за искры летят, когда что-либо точат на точильном круге или абразивным диском режут металл (рис. 8)? Подобную картину вы наверняка видели. 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, искры в полёте остывали бы и темнели. Но этого не происходит, скорее всего, потому, что они в полёте горят, окисляются, выделяя тепло. Когда-то вид этих искр применялся для определения марок сталей. На рисунке 9 приведён отрывок из соответствующей инструкции (первая треть прошлого века, архив инженера А. Ашкинази). «Звёздочка» на конце траектории — точка разрушения частицы и разлёта осколков.
В заключение 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 тёплого воздуха), либо излучение. Если бы дело было 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, значит, это излучение. Причём не отражённое излучение Солнца (опять полость не была бы 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.
Пример того, что если бы дело было в передаче тепла через контакт, то при исчезновении контакта прекратилась бы передача тепла, продемонстрирован на рисунке 11. Слева виден слой снега, который лёг на каменную ограду и начал подтаивать. А как только образовалась щель, узкая, но глубокая, теплообмен прекратился, теперь снег лежит спокойно (правая часть рисунка).
На земле, как мы знаем, стоят не только деревья. Так, на земле может стоять стол, например вот такой: ножки железные, столешница из стеклянного листа (рис. 12). Сверху падает снег, а потом он протаивает напротив железных полос, на которых лежит стекло. Почему? Железные полосы получают тепло от Солнца, потому что для видимого излучения тонкий слой снега прозрачен — он рассеивает свет, но не поглощает его. Нагретые полоски излучают невидимое инфракрасное излучение, которое снегом (и водой, и льдом) отлично поглощается. А ещё немного тепла полоски получают от земли, теплопроводностью по ножке, и это тоже можно увидеть на снимке. На углу, где стоит (не видимая на снимке) железная ножка, температура горизонтальных полосок больше — судя по плавлению облучаемого ими снега.
Итак, кроме отражения и преломления, могут происходить также поглощение, пропускание, рассеивание и излучение света.