Отражение света от одной поверхности.

Рассмотрим (мысленно) сильно увеличенную поверхность стекла. Мы увидим поверхность устланную атомами и молекулами, точнее эти самые молекулы и атомы и создают данную поверхность. Эти молекулы и атомы лежат на этой поверхности не ровным слоем. Одни атомы выше некоторого условного уровня, другие ниже. Если вещество аморфно, то разброс превышений одних атомов над другими носит более хаотичный порядок (естественно при условии одинаковой механической обработке вещества), а если вещество кристаллическое, то порядок будет более строгий. При определенной шлифовке или отливке некоторая часть атомов будет находиться, примерно, на одном уровне. Если мы приблизимся к атому, то увидим ядро и движущиеся вокруг него электроны. Электроны можно представлять в любом виде. Кто пожелает, может представить его в Боровском виде (правда для великих ученых это не допустимо, так как, например, Фейнман полагает, что это 1910 год), а кто считает себя более продвинутым, может представлять электрон в виде некой волны с той или иной вероятностью находящейся в определенной точке. Главное не считать, что эта волна стоит на месте, а верить, что она движется по той или иной траектории вокруг ядра. И движется не хаотично, а по определенной траектории.

Мы знаем, что электрон имеет отрицательный заряд, который создает вокруг себя отрицательное электрическое поле, которое быстро затухает в макро масштабе, но в микромире это рабочая величина. В целом атом нейтрален, но поскольку электроны вокруг ядра, то вблизи орбит электронов существует повышенная напряженность поля. Она не однородна, но в среднем больше, нежели напряженность воздуха или вакуума. Если усреднить эту напряженность, то окажется, что атомы находятся в этом поле. Электроны тела стекла полностью находятся в этом поле, а электроны поверхностных атомов, частично попадают в зону воздуха или вакуума. Точнее скажем так, электроны атома “А” в нижней точке своей орбиты находятся в поле большей отрицательной напряженности, чем в верхней точке. (Рис.1.) А это значит, что снизу на электрон действует некая дополнительная сила. На ветви “а” эта сила совпадает с направлением движения электрона и она придает ему дополнительное положительное ускорение, то есть увеличивает его скорость. На ветви “б” наблюдается обратный процесс, то есть электрон тормозиться. Если предположить, что поле более-менее равномерное в пределах атома, то можно считать, что ускорения на обеих ветвях будут симметричны по модулю и обратные по знаку.

Но любое изменение скорости электрона приводит электрон в возбужденное состояние. При увеличении скорости он пытается излучить фотон, а при уменьшении скорости пытается поглотить фотон.

Как только электрон на ветви “б” начинает тормозиться, он приобретает свойство поглощать фотоны. Если в это время появится фотон, электрон начнет процедуру поглощения. И тут возможны варианты.

1. Электрон оказывается резонансным данному кванту. В этом случае электрон переходит на другой устойчивый уровень и может находиться в этом положении сколь угодно долго, пока некая сила не будет его тормозить или ускорять. И эта сила как раз появляется на ветви “а”. Она будет противоположная по знаку, и требуемая ее величина будет, аккурат, в симметричной точке на этой ветви. Поглощенный фотон будет излучен и угол падения и угол отражения будут равны. Если бы этой разгонной силы не было, то фотон бы поглотился и электрон в атоме находился бы на образовавшемся уровне. На втором витке может быть поглощен другой фотон, если позволяют ускорения и появится, именно резонансный фотон. И так до бесконечности.
2. Электрон не может при данных ускорениях приобрести резонансных свойств для данного спектра. В этом случае фотон не может замкнуться в электроне и поэтому электрон не может его удержать. И фотон начинает излучаться. В какой точке орбиты электрон излучит не резонансный фотон сказать трудно, но очевидно, что это ровно такая точка, которая изменяет направление излучения. Дальше фотон движется по нерезонансным электронам согласно гипотезе Гюйгенса, то есть прямо, поглощаясь и излучаясь промежуточными электронами.

В том случае, когда никаких фотонов нет, электрон, возбужденный для поглощения, так и будет в возбужденном состоянии, пока возбуждение не будет снято на противоположной ветви. Цикл будет повторяться все время.

Внутренние электроны находятся в одинаковых условиях, на них не воздействует внешняя пограничная среда, и свет может распространяться только прямо, в направлении, заданном пограничным электроном.

Когда в потоке фотонов некоторые окажутся резонансными для некоторых внутренних электронов, то эти фотоны будут поглощены данными электронами, электроны перейдут на следующие уровни. Световой поток уменьшится. Но ведь фотоны поступают и поступают. Где же брать резонансные электроны, чтобы они поглощали следующие порции фотонов? После того как электрон перешел на следующий уровень он уже не может поглотить такой же фотон, который перевел его на этот уровень, но он может передавать такой фотон. А передача это возбуждение электрона. Природа устроена так, что она сразу начинает действовать, а какой получится результат, она не знает. Поглощение фотона требует определенного времени (это и есть, по сути, физическая сущность времени). Когда фотон начинает поглощаться, электрон не знает, сможет он его поглотить, то есть резонансный ли для него этот фотон. Он просто поглощает его до конца и если место для фотона в электроне есть, то фотон поглощается и, несмотря на воздействие внешних сил (ядер и электронов), занимает другую орбиту, усиливая или ослабляя ковалентную связь. Если же фотон в процессе поглощения тянет электрон на другую орбиту, но сил мало (то есть он полностью поглотиться, а устойчивый уровень еще пока не достигнут), то внешние силы будут толкать его обратно, заставляя его излучать фотон. По совести эти силы должны бы заставить электрон излучить последний фотон, но они помят, что они были напряжены предыдущим фотоном. Для этих сил последний уровень оказывается менее устойчивый, нежели предыдущий. По этой причине они заставят излучить не только последний, но и предпоследний фотоны. По сути это фотон удвоенной энергии, а для видимого спектра удвоение энергии обозначает переход в инфракрасный диапазон излучения. Излучится фотон, который нашим организмом воспринимается как тепловой. Теперь электрон будет готов к поглощению следующего фотона. Так вещество, нагреваясь, будет поглощать резонансные ему фотоны, уменьшая световой поток. В конце концов, наступает равновесное состояние между поглощением и излучением. Количество резонансных электронов вещества определяет прозрачность вещества.

Возвратимся в начало статьи и вспомним о моделях отражения и прохождения света через вещество. Оказывается что “пятна” это резонансные электроны, а “дырки” это все остальное. В частности на поверхности стекла резонансных электронов 4%, а в теле стекла их почти нет. Хотя, возможно, это одни и те же электроны, но в различных условиях. “Колесики” и “шестеренки” это магнитные и электрические поля фотона. Все немножечко правы. Зря по этому поводу Р. Фейнман впадал в пессимизм.