Дзеркало відіграє важливу роль не тільки в історії Білосніжки, але і в нашому повсякденному житті, а також є важливим інструментом для астрономії та інших галузей досліджень завдяки широкому спектру різних оптичних приладів. І рефлексія також стала символом пізнання, представлення світу, одним з наріжних каменів нашого мислення. Але наскільки добре ми знаємо механізм, за допомогою якого дзеркало відбиває світло, фокусує, збільшує його або наближає далекі зірки? Ми можемо проілюструвати багато законів оптики простою аналогією, коли уявляємо крихітні кульки, які пружно відбиваються від дзеркала і продовжують свій шлях по прямій лінії, але це зображення мало що розповідає про фактичний процес, який відбувається між матеріал дзеркал і світло. Тому варто трохи глибше подумати над цими процесами.
Як зробити дзеркало?
Дзеркало можна створити, наносячи тонкий шар металу на рівномірно гладкий лист скла. Але чому метали мають властивість відбивати світло з хорошою ефективністю? Розуміти це допомагає розуміння властивостей електропровідності металів. Ключ до процесу полягає в русі електронів. Електрони розташовані в різних оболонках в атомах, орбіти з вищою енергією завжди набагато дифузніші, проходячи більші відстані від ядра атома. Метали характеризуються тим, що на самій зовнішній орбіті є лише один або два електрони, які звідти легко видалити. У чистих металах ці зовнішні доріжки з'єднуються і утворюють розгалужену мережу, вони називаються смугами.
У цих смугах здатність поглинання електронів є скінченною, що випливає із особливої властивості електрона: такий принцип виключення встановив австрійський швейцарсько-американський фізик-теоретик Вольфганг Паулі. Принцип забороняє два ферміони в одному і тому ж квантово-механічному стані, тобто напівспінові частинки, такі як електрони, знаходитися на одній орбіті. Через принцип виключення, в металі будуть смуги, які повністю і також напівнавантажені. Звичайно, бувають і порожні смуги, але електрон може потрапити сюди лише при великих вкладеннях енергії. Ключову роль у провідності відіграють напівнавантажені смуги, оскільки тут можливо потрапляння додаткових електронів. Це називається рушійною смугою. Розподіл енергії електронів, правила якого випливають із згаданого вище принципу виключення, вивчав італійський фізик Енріко Фермі.
Однак принцип Паулі не застосовується до бозонів із цілим спіном, де будь-яка кількість частинок може знаходитися на одній орбіті. Ось чому надпровідність виникає тоді, коли при критичній температурі деяка взаємодія «запаковує» два електрони, утворюючи бозони.
Як швидко електрони течуть в дротах?
Як протікає струм у лінії? Давайте проілюструємо це аналогією! Уявіть собі горизонтальну сантехнічну трубу з двома кінцями, наполовину закритими пластиною, що визначає, скільки води може зберігатися в трубі. Якщо надлишок води залити в один кінець труби, рівень води підніметься, а надлишок витече через інший бік. Щось подібне трапляється, коли ми встановлюємо різницю електричної напруги між двома кінцями дроту і починається електричний струм. Скільки часу потрібно, щоб струм пройшов через провід? Коли ми вмикаємо лампу, вона майже відразу буде яскравою. Чи б електрони в дроті так швидко рухались? Ні, насправді швидкість дрейфу електронів напрочуд повільна - якби вам довелося цього чекати, лампа запалала би годинами. Фактична швидкість струму визначається тим, наскільки швидко піднімається “рівень води”, тобто надлишок електрона досягає лампочки. Якщо кран для води відкритий, вода почне текти негайно, але якщо вода була попередньо герметична, а труби порожні, доведеться почекати, поки вони наповняться.
Що блокує потік електронів?
Рух електронів, що протікають в зоні провідності, стикається з підлітками через зіткнення рухомих електронів з атомами металу. Під час цього процесу частина енергії електричного струму втрачається, і в металевій сітці створюються більш інтенсивні вібрації, підвищуючи її температуру. Цей опір потоку визначає, скільки струму може створювати різниця електричної напруги в лінії відповідно до закону Ома: Я = U/R, де сила струму становила ампер, напруга, опір R зазвичай дається в одиницях. Опір залежить від геометрії дроту, збільшується із довжиною l дроту, зменшується із перетином А, а також залежить від матеріалу металу. Останнє виражається питомим опором ρ:
Хороша провідність металів характеризується низьким опором, наприклад 0,016 мкм · м для срібла та 0,028 мкм · м для алюмінію, тоді як опір ізоляторів на багато порядків вище, а опір напівпровідників між ними. Через низький питомий опір вони підходять для виготовлення металевих дзеркал. Срібло з хорошою провідністю досягає ефективності 98-99 відсотків, тоді як менш добре провідний алюміній має ефективність близько 85-90 відсотків.
Чому питомий опір визначає ефективність відображення?
Але чому відбивна здатність залежить від електропровідності? Це можна зрозуміти через взаємодію фотонів і електронів провідності. Повернемося до порівняння з водою, але тепер уявіть плоске водне дзеркало! Коли дме вітер, поверхня брижає, а сильніший вітер видає хвилі. Подібне відбувається в «морі» електронів, де фотони викликають цей ефект. Обертається електричне поле фотонів змушує електрони вібрувати з власною частотою. Хвилясті електрони, потрапляючи на атоми металевої решітки, частково передають свою енергію, менше в сріблі, більше в алюмінії. Однак електронні хвилі не виживають, вони на мить зникають, випромінюючи фотон тієї ж частоти: це відбите світло. Процес відбувається миттєво, у чому ми можемо переконатись самі, бо якщо ми вимкнемо лампу у своїй кімнаті, дзеркало не буде випромінювати світло, але залишатиметься темним. Негайне відображення також відображається в тому, що ми можемо без зволікань стежити за рухами в дзеркалі.
Автор - фізик, почесний професор BME та ELTE. Кубітен - це більш рання серія книг, названа "Пригоди у фізиці" можна прочитати тут.