Можно объяснить, что свет взаимодействует с материей довольно просто: на микроскопическом уровне материя состоит из атомов, протоны и электроны которых обладают зарядом. Между тем свет является колеблющимся, распространяющимся в пространстве электрическим полем: это поле вызывает колебание зарядов.
Но такие колеблющиеся заряды сами создают колеблющееся электрическое поле: это поле, созданное зарядами, накладывается на поле света, которое распространяется, возмущая его. В итоге свет не может свободно перемещаться в материи: свет возмущает заряды материи, которые, в свою очередь, возмущают свет…
Это возмущение может вызвать множество явлений: рассеяние света, снижение скорости волны по сравнению со скоростью в вакууме, абсорбцию, рефлексию или рефракцию. Мы сделаем их краткий обзор.
Она возникает, когда электромагнитное поле света заставляет электроны вибрировать внутри атомов. Вибрируя, электрон также начинает испускать электромагнитную волну во всех направлениях. Частота возникающего света соответствует частоте вибрации электрона, которая, в свою очередь, соответствует частоте падающего света. Таким образом, свет просто рассеивается во всех направлениях без потери энергии и изменения длины волны.
Можно продемонстрировать, что длинные (красные) волны, которые колеблются медленно, мало подвержены этому феномену: в каком-то смысле у электронов есть время сопровождать движение волны, не возмущая ее. У коротких волн (синих) быстрая вибрация электронов уже не в фазе и возмущает электромагнитное поле: возникает рассеяние.
Наиболее наглядный пример этого явления – голубой цвет неба: электроны молекул атмосферы рассеивают синее излучение, исходящее от солнца, во всех направлениях. Таким образом, небо само становится источником синего света, рассеянного во всех направлениях: именно благодаря ему на земле светло, когда солнце скрывается за тучей или недалеко за краем горизонта.
Это также объясняет красный цвет солнца на рассвете и на закате: синий цвет, идущий от солнца, был рассеян во всех направлениях, тогда как красный продолжает идти по прямой, достигая нашего глаза. Толстый слой атмосферы, через который мы смотрим на горизонт, усиливает этот феномен, но он возникает в любое время дня: солнце кажется немного желтее (менее белым), чем есть на самом деле.
Взаимодействие с зарядами материи уменьшает скорость волны относительно скорости ее перемещения в вакууме (ограничимся таким условием). Как и при рассеянии, волны большой длины (красные) менее подвержены этому, чем короткие (синие), то есть в среде красный цвет распространяется быстрее синего.
По сравнению с распространением в вакууме отличие может быть значительным: например, в стекле скорость света составляет порядка 200 000 км/с, в воде – 225 000 км/c, а в вакууме – 300 000 км/с. Скорость света в воздухе приближается к скорости в вакууме: среда, мало уплотненная газом, слабо возмущает скорость излучения.
Вместо того чтобы уточнять скорость света в той или иной среде, лучше обозначить отношение n между скоростью в вакууме с и скоростью в среде ν: по определению n = c/ν.
Коэффициент n называется «показателем преломления среды» и является очень важной величиной в оптике. Он всегда больше 1, потому что материя всегда стремится замедлить свет по сравнению с вакуумом (ν < c). Для стекла он составляет примерно 1,5, для воды 1,3, для воздуха 1,0.
Как мы убедились, этот показатель зависит от длины волны: для синего света он немного выше (короткая длина волны → низкая скорость → высокий показатель преломления), чем для красного света (большая длина волны → скорость, близкая скорости света в вакууме → показатель преломления близок к 1).
Молекулы содержат много атомов, которые могут быть заряжены (это мы объяснили в главе 11). Так, прохождение электромагнитной волны может заставить атомы вибрировать внутри молекул: эта вибрация тут же передается от атома к атому путем толчков, что передает вибрацию соседним молекулам. В конце концов температура среды повышается: это значит, что свет передал материи энергию. Сила свечения, то есть амплитуда электромагнитного поля, уменьшилась: произошла абсорбция (поглощение).
Волны разной длины поглощаются по-разному: волна поглощается сильнее, если она колеблется с частотой, совпадающей с естественной вибрацией атомов в молекулах (явление резонанса). Между тем каждое вещество обладает различными молекулами, составленными разными способами. Таким образом, каждое вещество будет поглощать волны разной длины, то есть разного цвета. Сироп гренадин больше поглощает синий цвет: только красный цвет может выйти наружу, что объясняет цвет сиропа. Аналогично мятный сироп пропускает только зеленый цвет…
Стекло также имеет свойства абсорбции, несмотря на свою прозрачность: оно поглощает инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, но не видимый свет. Это объясняет, почему мы не можем загорать через стекло (ультрафиолетовые лучи сквозь него не проходят). Это объясняет также «парниковый эффект»: свет солнца может проникнуть внутрь теплицы, но инфракрасное излучение предметов внутри не может выйти наружу (мы вернемся к этому позже). Салон машины, например, начинает сильно нагреваться.
Мимоходом заметим, что радиоволны (волны очень большой длины) в основном поглощаются очень мало, каким бы ни было вещество, благодаря очень медленным колебаниям (низкой частоте): поэтому мы можем слушать радио дома.
Абсорбция также объясняет цвет всех непрозрачных предметов вокруг нас: цвета, которые мы видим, те, что не были поглощены внутрь. Синий предмет поглощает красный цвет, и наоборот. Кроме того, черный цвет поглощает все, а белый ничего.
В частности, вода поглощает в основном красный цвет, что объясняет синий цвет моря. Ныряльщику, который погружается в глубину, все окружающее также кажется синеватым. Также необходимо, чтобы толщина воды была достаточной для абсорбции: так, лужа выглядит прозрачной, потому что свет может пройти через небольшой слой воды без искажений. Наконец, отметим, что отражение синего неба усиливает его синий цвет: в пасмурную погоду море выглядит гораздо менее синим.
На этом этапе напрашивается вопрос: мы сказали, что белая стена ничего не поглощает, как и прозрачное стекло. Почему же тогда стена непрозрачная и не пропускает свет? На это мы ответим в следующем параграфе.
Когда свет резко переходит из одной среды в другую, взаимодействие с атомами, близкими к поверхности, заставляет волну частично «отскочить»: происходит отражение. Отражение также очень сильно зависит от вещества и молекул, которые оно содержит. В любом случае если излучение поглощено, оно не может отражаться.
Возьмем, например, синюю стену: она лучше поглощает красный цвет, отражает синий и ничего не передает (она непрозрачна). Другой пример: сироп гренадин больше поглощает синий цвет, частично отражает красный, а часть пропускает через себя (он относительно прозрачен в красном секторе спектра).
Мы видим, что внешний вид различных предметов является сложной игрой поглощений и отражений света на их поверхности. Большинство веществ полностью поглощают излучения, которые не были отражены, что делает предметы непрозрачными. Стекло и вода составляют два важных исключения.
Как именно отражается свет, мы объясним чуть позже в этой же главе.
Что касается части света, которая не была отражена и не была сразу поглощена, она продолжает свой путь внутри вещества. При этом можно видеть, что свет резко меняет траекторию, проникая внутрь объекта: происходит преломление, или рефракция. Мы подробно вернемся к преломлению света позже в этой главе.