為什么玻璃是透明的，而金屬和磚卻不是？鏡子為什么會反射？為什么光線穿透磨砂玻璃，卻什么也看不見？讓我們看一個難題：物質(zhì)如何作用于落在它上面的光。

一個看似簡單的問題：光是如何穿過窗玻璃的，為什么它不穿過墻壁？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

光可以用兩種語言來描述：光粒子流（光子）和電磁波。第一種語言比第二種語言更精確，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，難以用普通的語言表達(dá)。因此，讓我們先拋開量子光學(xué)的叢林，把光當(dāng)作波來討論。

請記住，物質(zhì)是由原子組成的。每個原子都有一個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)是它們被電場包圍。電子沉浸在原子核的場中，這個場將它們吸引到原子核。形象地說，電場是長臂，電荷相互伸展以相互作用。

不僅帶電粒子有電場，還有光。關(guān)鍵是光是一種電磁波。換句話說，它由一個振蕩的電場和磁場組成。我們不會在這里討論光的磁場，但讓我們更詳細(xì)地討論一下電場。

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被電場非常強(qiáng)的“脊”和同樣強(qiáng)但方向相反的“谷”覆蓋。誠然，在光線的情況下，脊和槽會經(jīng)常相互替換：每秒數(shù)百萬億次！

重量和彈簧

原子會發(fā)生什么？回想一下，電場作用于帶電粒子，要么吸引要么排斥它們。這種來自光側(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倍，你不能那么容易地移動它們。但是電子將開始隨波隨時間振蕩。

然而，電子和原子核之間的吸引力不會去任何地方。波會將電子從其應(yīng)有的位置拖出，而原子核會將其拉回。結(jié)果，電子會振蕩，但不像湖面上的漂浮物，完全受波的支配。相反，它看起來像一個懸掛在彈簧上的重物，有節(jié)奏地上下拉動。這里的彈簧是對原子核的吸引力，而拉手是擺動電子的光波。

然后最有趣的事開始了。振蕩的電子本身將成為光源！這就是自然規(guī)律，振蕩的帶電粒子會發(fā)射電磁波。物理學(xué)家稱這些波為次級波，以將它們與覆蓋原子并導(dǎo)致電子振蕩的初級波區(qū)分開來。

當(dāng)然，在一個原子的光下，一個人是無法閱讀一本書的。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。如果第二個波的波峰正好疊加在第一個波的波峰上（據(jù)說這些波彼此同相），那么它們會相互加強(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），那么它們就會變得平滑，相互削弱。兩個完全相同的反相波相互完全補(bǔ)償，就好像根本沒有波一樣。我們將不得不記住下面的更多信息！

結(jié)果是一幅復(fù)雜的畫面。每個單獨(dú)的原子都向各個方向輻射二次波。但是來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，在某處波通常會相互補(bǔ)償并消失，而在某處它們會增加。

物理學(xué)家有辦法計(jì)算當(dāng)來自所有無數(shù)原子的二次波相互疊加時會發(fā)生什么。誠然，它需要更高的數(shù)學(xué)，所以在這里你必須聽聽科學(xué)家的話，即使結(jié)果看起來很奇怪。這真是太神奇了：事實(shí)證明……光以直線穿過物質(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：它在各個方向上隨機(jī)移動。圖像變得像一個拼圖，其中的碎片混合和分散。這就是為什么透過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散射光。

光的折射扭曲了鉛筆的可見形狀

光的折射：路上的一個轉(zhuǎn)彎

讓我們回到透明窗玻璃。如果初級波與玻璃表面成直角下降，那么由次級波產(chǎn)生的物質(zhì)中的光將以完全相同的方式移動。如果它以任何其他角度落下，擊中物質(zhì)的光會稍微改變方向。這稱為光折射。

一些透明物質(zhì)對光的折射更強(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。順便說一句，我們將反射大量光線的物體視為光，而幾乎沒有反射的物體 – 視為黑暗。大熱天戴一頂淺色的帽子，讓你的頭暖和起來！

反射光波從何而來？現(xiàn)在我們已經(jīng)熟悉了振蕩電子，很容易給出答案。來自物質(zhì)表面每個原子的二次波向各個方向傳播，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，為什么我們在它們身上看不到我們自己的反射呢？首先，它們不會反射所有的光，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，你也不會欣賞你的反射。太凹凸不平：表面的每一個微小區(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，而是在整個物質(zhì)體積中自由移動。這些電子沒有被原子核阻擋，會大規(guī)模振蕩。毫不奇怪，它們會產(chǎn)生強(qiáng)烈的二次波。正如我們所記得的那樣，其中一些波會向外傳播，而另一些會進(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：消失得無影無蹤

順便說一句，關(guān)于不透明度。我們已經(jīng)處理了金屬，但是光會去哪里，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。這樣你就不會太大地?cái)[動負(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振動（我們在上面談到了金屬不透明性的特殊性質(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，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，會發(fā)生多么不同和令人驚奇的事情！