Какой металл лучше отражает свет
Обновлено: 05.10.2024
Закончили рисунок, а доспехи рыцаря не похожи на потрепанное в боях железо? Золото больше напоминает медь? Возможно, стоит попрактиковаться в рисовании (или 2D рендере) материалов. Посмотрим, как эти задачи решают другие художники.
Что такое рендер материалов в 2D рисовании и зачем он нужен?
Термин “рендеринг” пришел в сферу цифрового рисования из 3D моделирования. В дословном переводе он означает “визуализация”, а по сути описывает конечный этап создания изображения с помощью компьютерной программы. На стадии рендеринга объекты приобретают свой финальный облик — реалистичный или стилизованный. В 2D рисунке этими словами называют процесс отрисовки деталей.
Зачем практиковать рендеринг материалов? Чтобы лучше рисовать! Умение передавать текстуру и фактуру разных материалов, правильно расставлять блики и тени поможет создать ощущение реальности объекта. Зрителю будет понятно, что он видит металл, а не пластик; стекло, а не дымку.
Поверхность объектов также может стать элементом сторителлинга и дополнить историю персонажа или предмета. Одежда, изготовленная из одной и той же ткани, будет по-разному выглядеть на бедняке или на зажиточном торговце. У первого материал скорее всего изношен и испачкан, а у второго — чистый и новенький, ведь он может позволить себе менять костюм каждый день.
В результате использования материалы изнашиваются, что отражается на их внешнем виде. Это касается не только кожи, но и вообще всего.
Какие параметры материала важно изучать?
Чтобы реалистично изобразить сталь, камень или кусок янтаря, нужно не только найти подходящие референсы, но и изучить свойства материалов. Не обязательно помнить, сколько процентов углерода содержит сталь, но нужно знать какого она цвета, как отражает свет и как изменяется со временем.
Текстура и фактура
Вмятины, на металле создают фактуру (слева), а слоистый рисунок на камне — текстуру (справа).
Текстура — исключительно визуальная характеристика материала. Это цвет и узор на его поверхности. Текстура некоторых материалов, таких как дерево или оникс, уникальна и позволяет сразу понять, из чего сделан предмет. Также узор на поверхности помогает передать форму объекта.
Текстура должна лежать по форме: изгибаться и мяться по складкам на ткани, заворачиваться и обрезаться по контуру объекта и т.д. Если вы нарисуете ее неправильно, то форма основного предмета также будет хуже читаться.
Если текстура по своей сути — плоский рисунок, натянутый на форму, то фактура — это рельеф материала. Он может быть гладким или шероховатым, покрытым вмятинами и царапинами. Через фактуру показывают устойчивость материала к повреждениям, его возраст и степень обработки человеком. Но самое главное — от рельефа поверхности зависит способность материала отражать свет.
На необработанных пиломатериалах видны следы распила и торчащие волокна древесины. После обработки фактура становится гладкой. Вместе с этим выравниваются края предмета и появляются яркие блики.
Отражательная способность
Отражательная способность разных металлов: железо чистое и ржавое, золото старое и полированное, хромированный шарик. Учебная работа концепт-художницы и иллюстратора Giulia Zoia
Это свойство во многом зависит от состояния поверхности материала. Если предмет неровный и шероховатый, то световые волны, попадающие на него, отражаются в разных направлениях. Блики и тени на таком материале ненасыщенные, он будет казаться матовым.
Если же поверхность идеально гладкая (размер неровностей не превышает 0,001 мм.), то свет от нее будет отражаться в одном направлении. Благодаря такой концентрации светового луча часть предмета будет очень яркой, а другая часть — очень темной.
В зависимости от состояния поверхности материала различают зеркальное, диффузное и смешанное отражение.
При работе с отражениями нужно помнить об эффекте Френеля. Его суть такова: чем меньше угол между линией взгляда и плоскостью, тем сильнее свет будет отражаться от нее. Это проще понять на наглядных примерах:
Схема действия эффекта Френеля.
А вот как это выглядит в жизни:
По мере изменения точки обзора поверхность стола светлеет, так как мы видим отраженную в ней стену.
Прозрачность
Некоторые материалы могут пропускать сквозь себя большую часть светового излучения, поэтому обычное стекло почти не отражает свет и мы можем видеть, что творится за окном. А вот металлы, например, не пропускают свет совсем. Если с прозрачными и непрозрачными материалами все понятно, то с полупрозрачными — куда интереснее.
Луч света проникает внутрь полупрозрачного предмета и многократно отражается частицами материала в случайных направлениях, т.е. рассеивается. Этот эффект называется подповерхностным рассеиванием. Материал поглощает свет не полностью — часть его проходит сквозь предмет и в освещенной области цвет становится более ярким и насыщенным.
В прозрачном объекте (слева) луч света не меняет свою траекторию, а в полупрозрачном (справа) — искажается и рассеивается.
Подповерхностное рассеивание особенно заметно на тонких объектах:
Поднесите пыльцы в темноте к источнику света и увидите тот же эффект.
Крепкая база
Даже самый реалистичный рендер не спасет работу, если она имеет неудачную композицию или у персонажа имеются проблемы с анатомией. Поэтому прежде всего художник должен владеть базовыми знаниями академического рисунка и живописи. Об этом не устает повторять такой титан цифрового рисунка, как Крейг Маллинс.
«Основы академического рисунка — крепкий фундамент для профессионального роста художника. Важно знать композицию и анатомию, уметь работать с цветом и тоном»
Крейг Маллинс
Время для практики
Металлы
Человек стал изготавливать металлические изделия еще в доисторические времена. Благодаря прочности и плавкости металлы используются повсеместно. Из них делают технику, инструменты, предметы быта, украшения и многое другое. Металлы применялись на протяжении всей человеческой истории и, скорее всего, будут применяться в обозримом будущем.
Художнику важно освоить этот материал, научиться различать железо и сталь, не путать золото и медь. Навык пригодится в любом направлении, будь то фэнтези или сай-фай, ведь из металла могут быть сделаны как доспехи средневекового рыцаря, так и корпус боевого робота.
Разберем свойства металлов, с которыми может столкнуться художник.
Железо
Железо, особенно неотполированное, отражает свет хуже, чем все прочие металлы.
Нарисуем шар с простой светотенью. Переходы между тенью и светом будут неровными из-за шершавой фактуры, поэтому лучше использовать текстурную кисть с рваным краем.
Железо, по сравнению со многими его сплавами — мягкий и пластичный металл, поэтому на нем легко образуются сколы, царапины и вмятины. На новом слое в режиме “Overlay” нарисуем текстурной кистью мелкие дефекты и шероховатости, сделаем тень более насыщенной. Для глубоких вмятин и царапин возьмем темный оттенок основного цвета, а края, на которые попадает свет, выделим светлым оттенком.
Железо быстро окисляется от влаги, если его не обработать. Коррозия разрушает материал, его поверхность искажается и хуже отражает цвет. Поэтому несколько мазков, сделанных ненасыщенным красно-оранжевым цветом, будут уместно смотреться на нашей сфере.
Сталь
Сталь — это сплав железа с углеродом. Оно выглядит светлее железа, которое в чистом виде сегодня почти не применяется.
Благодаря небольшой примеси углерода сталь становится твердой. Поэтому из нее делали холодное оружие в Средние века, а позже — пушки, танковую броню и защитные каски. Стальной предмет будет иметь меньше царапин и вмятин, чем железный при аналогичных условиях использования. Поэтому фактура стали гладкая и она лучше отражает свет.
Как отличить от серебра?
Полированную сталь можно легко спутать с серебром. Она тоже светло-серая, сильно бликует и имеет насыщенные тени. Чтобы рендер материала был узнаваемым, можно оглядываться на эту картинку:
Слева направо: железо, сталь, серебро. Shing jong hun.
Со старым изделиями проще — с возрастом серебро темнеет и становится матовым, а сталь не меняется.
Серебро покрывается пленкой из-за того, что вступает в реакцию с частицами сероводорода в воздухе.
Золото
Золото, как и серебро — один из первых металлов, с которым познакомилось человечество. У него теплый желто-оранжевый цвет, а о его манящем блеске ходит множество легенд.
В отличие от железа, которое остается сугубо рабочим металлом, обработке золотых изделий уделяется больше времени. Мы обычно видим материал гладким и полированным. Поэтому создадим на сфере плавные переходы от света к тени с помощью мягкой кисти и добавим ярко выраженный рефлекс.
Драгоценный металл хорошо отражает свет. Поэтому сделаем блики и тень более насыщенными, добавим нечеткое отражение окружающих предметов и источников света, а также падающую тень.
Если золотое изделие не хранится в музее под стеклом, то на нем могут появиться царапины и вмятины, ведь золото — очень мягкий металл. В чистом виде оно сравнимо по твердости с ногтем. Поэтому на сферу можно добавить шероховатости. Несмотря на мягкость, золото почти не изменяет цвет с течением времени и может лишь немного потускнеть.
Как не превратить золото в бронзу или медь?
Если художник ошибется с насыщенностью цвета или делает блики и рефлексы недостаточно яркими, то драгоценный металл тут же теряет в цене: зритель путает золото с медью или бронзой, у которых похожий цвет. Держите еще одну шпаргалку:
Слева направо: медь и бронза, латунь, золото. Автор: Shing jong hun.
Камень
Камень — это твердая горная порода, которая состоит из минералов или окаменевшего органического материала и не относится к металлам.
Существует огромное количество горных пород, различающихся цветом и рисунком на изломе. Они могут образоваться в результате вулканической активности, жизнедеятельности живых организмов и под действием внешних условий — давления, температуры и т.д.
Камни подвержены влиянию окружающей среды. Они выветриваются, вымываются, трескаются, разламываются на части. Природный камень неровный, поэтому можно немного отойти от правильной формы шара. Так рендер будет более естественным.
На первых двух этапах наметим грани каменной глыбы и определим, на какие падает свет, а какие останутся в тени. В качестве основного цвета будем использовать серый с небольшой примесью синего, будто камень лежит в лесу под открытым небом.
Далее сделаем рубленые формы немного мягче и добавим трещин. Начнем создавать шероховатую фактуру, чередуя светлую и темную кисть. Сделаем тень более насыщенной в самых темных участках и добавим света на подставленные солнцу участки. Раз уж наш камень лежит в лесу, то немного мха не помешает — зеленый добавит жизни серому камню.
На завершающем этапе уточним границы всех граней с помощью света и тени, а также добавим блики по краям излома.
Полупрозрачные камни и минералы
Способ обработки минералов слева называется кабошон, а справа — фасетная огранка.
Светотень на полупрозрачном объекте будет совершенно не такой, как на литых сферах. Темным будет участок, расположенный ближе к источнику освещения. Все потому, что свет внутри предмета рассеивается не сразу, а постепенно.
Свет попадает на заднюю стенку, проходит сквозь нее и освещает поверхность, где лежит предмет. Поэтому падающая тень тоже нестандартная — она будет идти от светлого к темному и окрашиваться в цвет сферы.
В нижней части сферы добавим отражение поверхности, на которой она лежит. Поверхность драгоценных камней обрабатывают и полируют, поэтому она будет сильно бликовать. В финале слегка пройдемся текстурной кистью, чтобы показать неоднородную структуру материала. Кабошоны обычно делают из мутных камней или из минералов с необычным оптическим эффектом.
Некоторые минералы имеют кристаллическую структуру, которая придает им вид правильных многогранников с плоскими гранями и острыми углами. В рисовании таких материалов пригодится инструмент “Rectangle Tool”, который позволяет работать с прямоугольными областями в фотошопе. С помощью функции “Free Transform” можно придавать им вид ромбов, трапеций и треугольников.
Кристалл собран из простых форм справа. Как сделать такой же? Читайте в нашем руководстве.
Каждую грань лучше создавать на отдельном слое — так проще вносить правки и не задеть лишнего кистью. В итоге получим ровный и аккуратный кристалл.
Фасетную огранку обычно делают для прозрачных минералов. Свет в них многократно преломляется и может давать яркие отблески на разных гранях. Но касательно общей светотени ограненные кристаллы подчиняются общим правилам для полупрозрачных материалов.
Древесина
Текстура и цвет древесины зависит от многих факторов — способа распила, породы дерева, обработки и условий использования. Материал может меняться от светло-желтого и охристого до темно-коричневого и серого цвета.
Цвет и узор зависит от породы древесины и возраста изделия.
Древесина, полученная из одного и того же дерева, может иметь разную текстуру в зависимости от направления спила:
Необработанная древесина имеет волокнистую структуру, поэтому она матовая. Если дерево полированное или покрыто лаком, то оно станет контрастнее — на гранях появятся яркие блики, а тени на изломе граней будут насыщеннее.
Узор древесины не всегда идеален, ведь это природный материал. Он может иметь пороки, которые образовались в результате развития растения, его распила или неправильного хранения. Поэтому трещины, царапины и глазки придадут живости рисунку. Но нужно знать меру — древесина с разнородной текстурой будет естественнее смотреться в домике лесника, чем в кабинете большого начальника.
Изобразим старую древесину, поэтому в качестве основного возьмем ненасыщенный серо-коричневый цвет. Чтобы передать текстуру дерева, нужно придерживаться направления роста волокон. Со временем они рассыхаются и образуют глубокие неровные трещины. Нарисуем их жесткой кистью, а затем выделим светлым тоном края, на которые попадает свет.
Продолжим добавлять детали — нарисуем глазок и сделаем так, будто сфера собрана из досок и между ними есть ощутимые зазоры. Это испортит идеальную форму окружности, но позволит лучше передать ощущение материала.
Цвет древесины неравномерный, поэтому на выручку снова придет большая текстурная кисть. Сделаем несколько легких мазков темным и светлым оттенком основного цвета, а затем добавим немного зеленого, будто на дереве уже проросли мхи и лишайники. В качестве финального штриха добавим холодный свет от бокового освещения на грани трещин.
Уметь рендерить растения нужно не только специалисту по окружению, но и концепт-художникам и иллюстраторам — вдруг поступит заказ на энта?
Рисование растений мало чем отличается от рисования других объектов. Принцип построения веток, стволов, листвы, цветов и плодов тоже основан на простых формах.
При работе с растительностью художники часто сталкиваются с множеством мелких форм, объединенных в один массив. Это могут быть пышные кроны деревьев, состоящие из отдельных листьев или поля, на которых растут десятки видов трав и кустарников. Поэтому начнем с простых форм — наметим, где будут листья, которые образуют силуэт. На следующем шаге уточним их форму и направление роста, сделаем несколько углублений в нижней части сферы.
Продолжаем расширять палитру рисунка — используем разные оттенки основного цвета для освещенных и затемненных участков, чтобы получился градиент. Продолжаем мазками прорабатывать детали листвы.
Чтобы внести разнообразие в структуру сферы, сделаем в центре участок из плотно свернутых листьев. Он будет немного похож на кочан капусты. Поставим блик на гладкой поверхности и нарисуем тонкие прожилки. Чтобы сделать картинку сочнее, подкорректируем насыщенность цвета и усилим контрастность.
Как и многие органические материалы, растительность пропускает свет. В зелень примешивается цвет от источника освещения, поэтому листья в лучах солнца приобретают нежный салатовый цвет. Ниже пример того, как будет вести себя растительная сфера при смене положения источника света. Обратите внимание, что грани листьев, повернутых к зрителю под острым углом, выглядят почти белыми благодаря эффекту Френеля.
А что дальше?
Прокачав свои навыки рендера, вы сможете рисовать персонажей, состоящих из необычных материалов и выполнить любое пожелание заказчика. Каменный голем? Человек-желе? Или, может быть, хромированное чудовище? По ссылке можно почитать, как умение рисовать зеркальные поверхности пригодилось Стивену Белледину (Steven Belledin) — художнику для карточек Magic: The Gathering.
Почему одни материальные объекты излучают свет, а другие отражают?
Излучение света называется люминесценцией, бывает несколько видов люминесценции. Все они сводятся к тому, что атомам источника света в какой-то форме передаётся энергия, достаточная для излучения именно видимого света. Это тепловое излучение (Солнце), электролюминесценция (молния), фотолюминесценция (фосфор), хемилюминесценция (светлячок), катодолюминесценция (кинескоп). Если же телу (его атома) не передана такая энергия, то она может только отражать свет.
Кстати, отражают свет в большей или меньшей степени практически все тела (кроме "абсолютно черного тела"). — 3 года назад
Вообще-то любые объекты способны как поглощать, так и отражать свет. В природе нет ни абсолютно белых объектов (с коэффициентом отражения 100%), ни абсолютно чёрных (с коэффициентом поглощения 100%).
Другое дело, что какие-то действительно лучше отражают, а какие-то действительно лучше поглощают. Никелированная шишечка от кровати по своим оптическим свойствам, в частности по коэффициенту отражения, сильно отличается от обуглившейся деревяшки.
Связано это со многими вещами, универсального объяснения тут нет.
Высокий коэффициент отражения металлов связан с высокой концентрацией в них подвижных носителей заряда - электронов, и с тем, что масса электронов чрезвычайно мала. По сравнению со всеми прочими частицами. Это приводит к тому, что при падении на поверхность металла электромагнитной волны не очень высокой частоты (частота оптического диапазона тут ещё "не очень высокая") электроны успевают дрыгаться в такт с волной, и поэтому решение уравнений Максвелла для такой поверхности раздела - непроводящая среда с одной стороны и металл с высокой подвижностью и высокой концентрацией свободных носителей с другой - даёт отражённую волну. Коэффициент отражения тем выше, тем ближе к 1, чем лучше электропроводность металла. Именно поэтому и появились серебряные зеркала: серебро - превосходный проводник.
Высокий коэффициент отражения снега, облаков, ваты, бумаги и множества других объектов связан уже совсем с другим: с их пористостью. Проще всего это объяснить на примере снега: это, химически, лёд. А лёд прозрачен (точно так же прозрачна и целлюлоза - если бы удалось получить целлюлозу в виде монолитного куска вещества, без пор, без отдельных волокон). И белый цвет таких материалов связан как раз с их прозрачностью и с тем, что там существует огромное число поверхностей раздела вещество-воздух. Каждая такая поверхность отражает часть света - это опять же следствие решения уравнений Максвелла для границы двух диэлектриков с разным показателем преломления (а он таки разный у льда и воздуха). Как следствие, огромное число хаотически расположенных поверхностей раздела вызывает интенсивное рассеяние света. То, что вещества прозрачны, или почти прозрачны, и имеет своим следствием довольно высокий коэффициент отражения от этого материала (не вещества!). Мы видим не столько отражённый свет, сколько свет рассеянный.
Объекты, которые интенсивно поглощают свет, выглядят как тёмные или почти чёрные. Поглощение света тоже может вызываться кучей разных причин, как правило это просто потери энергии в веществе.
А вот с излучением интересно. Ещё раз: свет могут излучать и обязательно излучают абсолютно все объекты, если их температура отличается от абсолютного нуля. Это закон природы. Но вот при данной температуре они тем лучше излучают свет, чем они чернее. Абсолютно чёрное тело, нагретое до температуры, при которой оно начинает светить видимым светом (при более низкой оно тоже излучает, но основная энергия - не в оптическом диапазоне), будет светиться ярче, чем нагретый до той же температуры кусок серебра. Это тоже закон природы: чем лучше тело отражает свет, тем хуже оно излучает при данной температуре.
Отмазка. Нагретый до 1000 градусов кварц, абсолютно прозрачный кварц, светится нестерпимо ярко. Но это никак не противоречит тому, что написано одним абзацем выше. Просто прозрачен кварц при температурах сравнительно низких. А вот когда его нагреть как следует - он тупо теряет прозрачность, а значит, приобретает способность хорошо излучать.
Особенности распространения света в металлах
Для металлов характерно отражение света от поверхности, что связано с тем, что металлы имеют большое «свободных» электронов. Вынужденные колебания таких электронов порождают вторичные волны, они вызывают интенсивную отраженную волну (до $95\%$ от интенсивности падающей волны) и относительно слабую волну, которая идет внутрь металла. В связи с тем, что плотность свободных электронов высока, то даже тонкие слои металла отражают большую часть падающего света и почти непрозрачны. Энергия световой волны, которая попадает внутрь металла, поглощается им. При этом световая волна вызывает колебания свободных электронов. Они взаимодействуют с ионами кристаллической решетки, как следствие, энергия, полученная от волны света, переходит в тепловую энергию. При этом электромагнитная волна быстро затухает в металле.
Доли света, отражаемые металлом и поглощаемые, зависят от его проводимости. Если мы имеем дело с идеальным проводником, в котором потери на джоулево тепло отсутствуют, поглощение равно нулю, при этом падающая волна света полностью отражается. Так, отражательная способность натрия достигает $99,8\%$.
Чем больше коэффициент электропроводности, тем выше отражательная способность металлов.
При не высоких частотах оптические свойства металлов определяет поведение свободных электронов. При увеличении частоты световой волны повышается роль связанных электронов, которые характеризуются собственной частотой, находящейся в области относительно коротких длин волн. Участие данных электронов определяет неметаллические оптические свойства металлов. Например, серебро, которое в видимой части спектра волн света имеет большой коэффициент отражения (около $95\%$) и заметное поглощение, что можно отнести к типичным оптическим свойствам металлов, в области ультрафиолетового излучения характеризуется плохим отражением и высокой прозрачностью. Так при длине волн порядка $316$ нм отражательная способность серебра становится равной $4,2\%$, что равно отражению от стекла.
Готовые работы на аналогичную тему
Оптические постоянные металлов
Допустим, что в слое металла толщиной $dz$ поглощается часть падающего света, равная:
Интенсивность волны света при проникновении ее внутрь металла при этом убывает в соответствии с законом:
где $\alpha $ -- коэффициент поглощения. Введем величину \varkappa$, которая равна:, которая равна:
где $\lambda $ -- длина волны света в среде. Если через $<\lambda >_0$ обозначить длину света в вакууме, $n$ -- показатель преломления вещества, то:
В таком случае можно записать, что:
По предложению Планка поглощение считается металлическим, если $n\varkappa >1.$ В видимой части спектра большинство металлов значение $n\varkappa $ находится между $1,5$ и $5$. При увеличении длины волны падающего света $n\varkappa $ возрастает.
Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды волны, значит, в результате поглощения изменение амплитуды происходит в соответствии с законом:
Из чего следует, что волна света в металле имеет вид:
Выражение (7) можно преобразовать к виду:
При применении комплексной формы записи (8) волну в металле можно представить в обычном виде, только вместо привычного показателя преломления $n$ в формуле используется комплексный показатель преломления ($n'$), равный:
Мнимая часть показателя $n'$ относится к поглощению волны.
Параметры $n\$ и $\varkappa$ -- постоянные, которые характеризуют оптические свойства металла. Соотношение между ними можно представить как:
при этом $n$ называют главным показателем преломления металла, $\varkappa$ -- называют главным показателем затухания (затухание может проходить без поглощения).
Можно связать оптические характеристики металлов с электрическими постоянными выражением вида:
где $\nu $ -- частота света, $\sigma $ -- электропроводность металла. Следует заметить, что $\sigma $ измерить легко для постоянного поля (или поля низкой частоты). Непосредственно измерить $\varepsilon $ невозможно. Значит, вычисление оптических постоянных для видимого или ультрафиолетового света на основе выражений (10), (11) не представляется возможным. Один из экспериментальных методов измерения оптических постоянных металлов предложили Кундт, другой Друде.
Задание: Опишите идею Друде по экспериментальному нахождению оптических постоянных металлов.
Решение:
Способ, который предложил Друде для определения $n\ и\ \varkappa $ основывается на свойствах света, отраженного от металла. Оптические особенности металла учитывает выражение:
При этом в формулах Френеля для металлов амплитуды отраженной и преломленной волн становятся комплексными (появляется разность фаз между составляющими отраженной (преломленной) и падающей волнами). Данное отличие в фазах отличается для компонент вектора напряженности электрического поля волны для плоскости падения и перпендикулярной к ней плоскости. Между взаимно перпендикулярными составляющими в отраженном (и преломленном) свете $E_$ и $E_$ появляется разность фаз. Что означает, если на поверхность металла падает плоско поляризованный свет, то отраженный свет будет эллиптически поляризован. При этом эксцентриситет и положение эллипса зависит от оптических свойств металла ($n\ и\ \varkappa $).
Метод Друде связал данные величины с данными об эллиптической поляризации и дает возможность определить оптические постоянные металла.
Задание: Пусть световая волна падает на металл перпендикулярно его поверхности. Найдите выражение для определения коэффициента отражения световой волны (r) (по интенсивности) от поверхности металла.
Для решения задачи используем соотношение:
Заменим показатель преломления $n$ на $n'=n\left(1-i\varkappa \right)$, то есть имеем:
Из выражения (2.2) имеем:
Из выражения (2.2), умножая это выражение на комплексно сопряженную величину $\left|r\right|e^_r>$получим:
Силы света: как путешествовать через вещество?
Почему стекло прозрачное, а металл и кирпич — нет? Почему зеркало отражает? Почему сквозь матовое стекло проникает свет, но ничего не видно? Разберемся в непростом вопросе: как вещество действует на падающий на него свет.
(с) minka2507/Pixabay.
Простой, казалось бы, вопрос: как свет проходит через оконное стекло и почему он не проходит через стену? Чтобы понять это, нам придется углубиться в строение вещества и самого света.
Свет — это волны
О свете можно говорить на двух языках: как о потоке частиц света (фотонов) и как об электромагнитных волнах. Первый язык более точен, чем второй, но гораздо более сложен. Фотон в веществе — отнюдь не шарик или мячик. Законы его поведения сложны, не до конца еще изучены и плохо поддаются изложению на обыденном языке. Поэтому оставим в покое дебри квантовой оптики и поговорим о свете как о волнах.
Вспомним, что вещество состоит из атомов. У каждого атома есть положительно заряженное ядро и кружащие вокруг него отрицательно заряженные электроны. Отрицательные заряды притягиваются к положительным, поэтому ядро притягивает электроны, не давая им разлететься.
Как заряженные частицы могут притягиваться или отталкиваться на расстоянии, не касаясь друг друга? Дело в том, что они окружены электрическим полем. Электроны погружены в поле ядра, и это поле притягивает их к ядру. Образно говоря, электрические поля — это длинные руки, которые заряды протягивают друг другу, чтобы взаимодействовать.
Электрическое поле есть не только у заряженных частиц, но и у света. Дело в том, что свет — электромагнитная волна. Другими словами, он состоит из колеблющегося электрического и магнитного поля. Магнитного поля света мы здесь касаться не будем, а вот об электрическом поговорим подробнее.
Электромагнитные волны во многом похожи на волны в воде от брошенного камня. Бросим камень в воду и зафиксируем взгляд на какой-нибудь торчащей из воды былинке. Ее поочередно будут накрывать гребни и впадины. Точно так же атом, попавший под световую волну, будут накрывать «гребни», где электрическое поле очень сильное, и «впадины», где оно такое же сильное, но противоположно направленное. Правда, в случае света гребни и впадины будут сменять друг друга очень часто: сотни триллионов раз в секунду!
Грузики и пружинки
Что при этом произойдет с атомом? Вспомним, что электрическое поле действует на заряженные частицы, притягивая их или отталкивая. Эта сила со стороны света будет действовать и на ядро, и на электроны. Но ядра тяжелее электронов в тысячи, а то и сотни тысяч раз, их так просто с места не сдвинешь. А вот электроны начнут колебаться в такт волне.
Однако притяжение между электроном и ядром никуда не денется. Волна будет утаскивать электрон с его законного места, а ядро притягивать его обратно. В результате электрон будет колебаться, но не как поплавок на поверхности озера, который всецело во власти волны. Скорее, он будет похож на подвешенный на пружине грузик, за который ритмично тянут вверх-вниз. Здесь пружина — это притяжение к ядру, а тянущая рука — раскачивающая электрон световая волна.
Дальше начинается самое интересное. Колеблющийся электрон сам станет источником света! Таков уж закон природы, что колеблющаяся заряженная частица испускает электромагнитные волны. Физики называют эти волны вторичными, чтобы отличить их от первичной волны, которая накрыла атом и заставила электрон колебаться.
Конечно, под светом одного атома книжку не почитаешь. Но атомов много, очень много. В стекле вашего окна их больше, чем стаканов воды в Мировом океане. И во всех атомах, попавших под световую волну, электроны колеблются и излучают вторичные волны.
Коллективная прямота
Эти вторичные волны накладываются друг на друга. Это не всегда значит, что они становятся сильнее. Если гребень второй волны накладывается точно на гребень первой (говорят, что эти волны в фазе друг с другом), то они усиливают друг друга. Если же гребень второй волны попадает точно на впадину первой (эти волны в противофазе), то они сглаживают, ослабляют друг друга. Две строго одинаковые волны в противофазе компенсируют друг друга полностью, как будто никаких волн нет вообще. Нам еще придется вспомнить об этом ниже!
Получается сложная картина. Каждый отдельный атом излучает вторичные волны во всех направлениях. Но волны от разных атомов накладываются друг на друга, где-то в фазе, где-то в противофазе, а где-то «серединка на половинку». В результате где-то волны вообще компенсируют друг друга и исчезают, а где-то усиливаются.
У физиков есть способ рассчитать, что получается, когда друг на друга накладываются вторичные волны от всех бесчисленных атомов. Правда, он требует высшей математики, так что здесь вам придется поверить ученым на слово, даже если результат покажется очень странным. А он действительно поразителен: получается… свет, идущий сквозь вещество по прямой. Не во все стороны, а строго по прямой линии.
Рассеяние света: ах, какой рассеянный.
Правило «свет движется по прямой» не работает для матового стекла, задымленного воздуха и прочих мутных сред. В таких веществах световая волна то и дело наталкивается на препятствия: пузырьки воздуха в стекле, частицы дыма в воздухе и так далее. Из-за этого она постоянно меняет направление. В мутной среде свет рассеивается: беспорядочно движется во все стороны. Изображение становится похоже на пазл, кусочки которого перемешали и разбросали. Именно поэтому сквозь матовое стекло ничего не видно (что весьма уместно в некоторых ситуациях!). Поэтому же непрозрачна груда мелких осколков разбитого стекла: границы между осколками тоже рассеивают свет.
Преломление света: поворот в пути
Вернемся к прозрачному оконному стеклу. Если первичная волна падала под прямым углом к поверхности стекла, то точно так же будет двигаться и свет в веществе, порожденный вторичными волнами. Если же она падала под любым другим углом, свет, попав в вещество, несколько изменит направление. Это называется преломлением света.
Одни прозрачные вещества преломляют свет сильнее, другие слабее. Это зависит, во-первых, от плотности: чем теснее расположены атомы, тем сильнее преломляется свет. Стекло плотнее воды, поэтому преломление в стекле заметнее. Во-вторых, атомы тоже бывают разные. Выше мы сравнивали электрон, колеблющийся под действием световой волны, с грузом на пружине. Но пружины бывают разной длины и жесткости. Так и атомы различаются расстоянием от электрона до ядра и силой притяжения между ними. От этого зависит, какие вторичные волны будут излучаться и в конечном итоге — как будет преломляться свет.
Отражение света: мир в зеркалах
Все предметы, прозрачные и непрозрачные, хоть немного отражают свет. Только благодаря тому, что отраженный свет попадает нам в глаза, мы их и видим. Кстати, предметы, отражающие много света, мы воспринимаем как светлые, а почти ничего не отражающие — как темные. В жаркий день надевайте светлый головной убор, чтобы не напекло голову!
Откуда берется отраженная световая волна? Теперь, когда мы познакомились с колеблющимися электронами, легко дать ответ. Вторичные волны от каждого атома на поверхности вещества идут во всех направлениях, как вглубь вещества, так и наружу. Те, что идут внутрь, образуют свет в веществе, а те, что идут наружу,— отраженный свет.
Раз предметы отражают свет, почему мы не видим в них своего отражения? Во-первых, они отражают не весь свет, а только часть, и обычно небольшую. Но даже в свежем снегу, отражающем 90% падающего света, не полюбуешься своим отражением. Он слишком неровный: каждый крошечный участок поверхности представляет собой зеркальце, отражающее свет в собственную сторону. Чтобы поверхность стала единым зеркалом, она должна быть очень гладкой.
Лучшие зеркала получаются из металлов. В больших настенных зеркалах свет отражается от тончайшего слоя серебра, прикрытого прозрачным стеклом. В дешевых карманных зеркалах отражающий слой часто делают из алюминия.
Почему именно металлы так хорошо отражают свет? Дело в том, что в металлах есть свободные электроны. Они не прикреплены к конкретному атому, а свободно путешествуют по всему объему вещества. Эти электроны, не сдерживаемые ядрами, колеблются с большим размахом. Неудивительно, что они порождают сильные вторичные волны. Как мы помним, часть этих волн идет наружу, а часть внутрь вещества. Волны, идущие наружу, это и есть отраженный свет. А вот волны, идущие вглубь металла, находятся в противофазе с падающей волной и почти полностью гасятся (почему именно в противофазе, сложно объяснить без привлечения математики, просто поверьте). Поэтому металлы хорошо отражают свет, но очень непрозрачны.
Почему же тогда железный гвоздь, алюминиевая ложка или серебряный крестик — это не зеркало? Потому что гвоздь покрыт оксидом железа, ложка — оксидом алюминия, а крестик — оксидом серебра. Оксиды — это уже не сами металлы, и они гораздо хуже отражают свет.
Читайте также: