Научно о привычном. Глава 1: Принципы световозвращения

В этой первой пилотной статье о световозвращении, мы хотели бы рассказать о некоторых свойствах света и о том, как он взаимодействует с веществом - объектами материального мира вокруг нас.

Основные моменты:

• Свет — это электромагнитное излучение определенного спектра, представляющее из себя поток частиц (квантов). В силу того, что данные частицы обладают разной энергией, свойства электромагнитного излучения той или иной частоты также будут отличаться.
• Скорость распространения света меняется при прохождении через различные среды, что также в силу определенных причин преломляет световые лучи. 
• В зависимости от особенностей объекта, а именно от таких его свойств, как оптическая прозрачность, гладкость поверхности, химический состав, свет при взаимодействии с данным объектом будет вести себя по-разному.

Энергия световой волны обратно пропорциональна ее длине, то есть световая волна меньшей длины несет больше энергии, чем световая длина большей длины. Диапазон волн видимого света находится приблизительно в пределах от 400 нанометров (нм) до 700 нм — что сопоставимо с размерами бактерий.

400 нм (более энергетичное)

700 нм (менее энергетичное)

Когда световая волна встречает на своем пути какой-либо объект, материал данного объекта может: а) пропустить свет; б) отразить свет или в) поглотить свет, при этом обычно происходят все три феномена — пропускание, отражение и поглощение, но в различных пропорциях. В случае оптически прозрачного объекта большая часть света пройдет сквозь него. Оптическая плотность материала (среды) обуславливает его показатель преломления (n), который определяется фазовой скоростью света в данном материале (среде).  Например, на границе раздела воздуха (менее оптически плотная среда) и стекла (более оптически плотная среда) свет преломится в одном направлении, а на выходе из стекла, то есть на границе раздела стекла и воздуха, свет также преломится, но в другом направлении.

Показатель преломления зависит не только от оптической плотности материала, но и от длины волны падающего света. Именно поэтому на границе раздела двух сред, например, воздуха и какого-либо полимера или стекла, происходит расщепление белого света на составляющие — дисперсия.

При определенном критическом угле падения на границе раздела более оптически плотной и менее оптически плотной сред возникает явление полного внутреннего отражения. При этом световая волна полностью отражается на границе раздела сред внутри более оптически плотной среды и коэффициент отражения превосходит значения для отполированных поверхностей. Явление полного внутреннего отражения используется в оптоволоконных линиях передачи информации, а также в микропризматических световозвращающих материалах.

Объекты, которые не являются оптически прозрачными, будут в основном отражать свет. Если неровности поверхности меньше длины волны падающего на нее света, то поверхность будет отражать свет зеркально и такой феномен носит название зеркального отражения. Если же неровности поверхности больше по размеру, чем длина волны, то свет будет отражаться в разных направлениях, то есть рассеиваться.

При взаимодействии фотонов света с веществом, атомы данного вещества, а если быть точным, то электроны атомов вещества, поглощают и переизлучают эти фотоны. При этом при переизлучении фотонов они могут сохранять свои волновые характеристики (при этом происходят отражение, пропускание или рассеивание света) или изменять их и принимать форму излучения другой частоты, например, теплового излучения. Вещество может поглощать как фотоны всего спектра видимого света, и тогда такие тела будут восприниматься нами, как черные, либо фотоны определенных длин волн, тогда эти объекты будут восприниматься нами, как объекты различных цветов. Если, например, какой-либо материал кажется нам красным, это значит, что световые волны в диапазоне от желтого до синего света были им поглощены и переизлучены главным образом в тепловом (инфракрасном) диапазоне, а волны условно красного цвета были рассеяны на поверхности материала без изменения их свойств. Как следствие, тела, поглощающие свет всего видимого нам диапазона, кажутся нам черными и излучают больше тепла, чем тела, рассеивающие или пропускающие большую часть света видимого диапазона и воспринимаемые нами, как белые или прозрачные.

И, наконец, определенная комбинация всех феноменов взаимодействия света и вещества обуславливает явление световозвращения, при котором падающий на поверхность объекта свет возвращается (отражается, рассеивается, переизлучается) в направлении источника этого света.