Почему зеркало отражает свет?

[мат-ламер]

Задался вопросом - почему зеркало отражает свет и какой материал лучше подходит для изготовления отражательной поверхности зеркала? Ясно, что из дерева или из бетона зеркало не сделаешь. Поскольку в учебниках общей физики ответ не нашёл, рискну привести свои соображения. Мне кажется для создания зеркал лучше всего подходят металлы, хорошо проводящие электрический ток. Если фотон сталкивается с электроном проводимости, то последнему некуда подниматься на более высокие энергетические уровни (поскольку те заняты) и фотон упруго отражается от этого электрона, связанного с кристаллической решёткой, как от тела с большой массой. Кроме того металл не должен обладать желтоватым оттенком (золото и бронза отпадает). Мне кажется (однако, уверенности нет), что наличие или отсутствие этого оттенка зависит от того, насколько крепко связаны с ядром электроны предпоследней оболочки. У металлов, имеющий "серебристый" цвет эти электроны прочно связаны с ядром, и поэтому фотоны от них упруго отражаются (тоже как от тела с большой массой). Кроме того, металл не должен окисляться на воздухе и не быть дорогим (платина и т.п. отпадают). Материалов осталось немного - серебро, алюминий. Больше я не знаю. Насколько правильны мои соображения?

[Munin]

мат-ламер в сообщении #472946 писал(а):

Поскольку в учебниках общей физики ответ не нашёл

Он слишком сложен для учебников общей физики, это курс физики твёрдого тела.

мат-ламер в сообщении #472946 писал(а):

Мне кажется для создания зеркал лучше всего подходят металлы, хорошо проводящие электрический ток.

В целом да. Кроме того, под малым углом хорошо отражает любая гладкая поверхность раздела, хоть стекло, хоть уголь. И если заданы угол падения и длина волны, можно подобрать тонкую плёнку из чего угодно.

мат-ламер в сообщении #472946 писал(а):

Если фотон сталкивается с электроном проводимости, то последнему некуда подниматься на более высокие энергетические уровни (поскольку те заняты) и фотон упруго отражается от этого электрона, связанного с кристаллической решёткой, как от тела с большой массой.

Нет, увы. Здесь дело не в одном электроне. В металле - целая электронная жидкость, из свободных электронов, и именно она работает как зеркало. Отдельный электрон может отразить фотон с не-100 %-ной вероятностью и в любом направлении. А электронная жидкость - строго назад (из-за интерференции отражений на многих электронах) и гарантированно (пока слой металла не слишком тонкий).

мат-ламер в сообщении #472946 писал(а):

Кроме того металл не должен обладать желтоватым оттенком

Вот про разные красноватые, желтоватые, беловатые и синеватые оттенки - теория намного более сложная, и не уверен, что разработанная.

мат-ламер в сообщении #472946 писал(а):

Кроме того, металл не должен окисляться на воздухе

Стандартно для этого просто металл наносят на обратную сторону стекла. Вот как в телескопах поступают, не знаю.

[Gravist]

Munin

Munin в сообщении #473016 писал(а):

... металл наносят на обратную сторону стекла. Вот как в телескопах поступают не знаю

Так же. Разбирал небольшой ломаный.

[Circiter]

2мат-ламер

Цитата:

Ясно, что из дерева или из бетона зеркало не сделаешь.

Хм, это в видимом диапазоне. А вот, например, для ИК-лучей матовые поверхности таки являются очень хорошими зеркалами.

Вообще, конструкция зеркала может быть весьма экзотичной. Это может быть граница раздела между различными веществами, зеркало можно сконструировать из электромагнитного поля (?) и т.д.

Кажется, неплохо все причуды с отражениями объясняются в КЭД, в т.ч. при желании выводятся законы обычной геометрической оптики... Кстати, в квантово-механическом контексте ещё более необычные зеркала возможны, cf. quantum reflection.

При этом сам принцип отражения с точки зрения электродинамики можно рассматривать как излучение вторичных волн атомами/электронами отражающего вещества; для металлов же особо важно участие свободных электронов в этом процессе (что определяет характерный блеск). В общем, видимо, отражение света можно изучать решая уравнения Максвелла. :)

Цитата:

Материалов осталось немного - серебро, алюминий.

Ртуть. :)

Цитата:

Мне кажется для создания зеркал лучше всего подходят металлы, хорошо проводящие электрический ток.

Cf. dielectric mirror. Эти наикрутейшие диэлектрические зеркала работают примерно как и просветленная оптика, только наоборот --- за счет интерференции сводят проходящую насквозь энергию к минимуму.

2Munin

Цитата:

Вот как в телескопах поступают, не знаю.

Ну, в принципе, существуют зеркала с напылением на ближнюю поверхность (FS-mirrors). И, действительно, такие зеркала используют кое-где, в т.ч. и в телескопах, видимо, для уменьшения оптических искажений (точнее говоря, для подавления артефактов в виде дублей объектов; а то астрономы бы на ровном месте открывали бы двойные, двойные-двойные и т.д. :) ).

[myhand]

Circiter в сообщении #473029 писал(а):

зеркало можно сконструировать из электромагнитного поля (?)

Это как, в нелинейной среде что-ли?

[Comanchero]

Circiter в сообщении #473029 писал(а):

Хм, это в видимом диапазоне. А вот, например, для ИК-лучей матовые поверхности таки являются очень хорошими зеркалами.

Ну это же зависит от соотношения длины волны падающего э.м. излучения и размера неоднородностей (дефектов) поверхности.

[photon]

металлы, говорите...


А как насчет многослойников? И диэлектрики и полупроводники широко используют в качестве зеркал с высоким коэффициентом отражения. Спектр отражения, конечно, не такой как у металла, но это как-то выше не оговаривалось

[Munin]

Gravist в сообщении #473019 писал(а):

Так же. Разбирал небольшой ломаный.

Ну, я не про любительские. Впрочем, вспомнил, в них металл наносится на внешнюю сторону стекла, или на другую подложку. Интересно, а пыль они сдувают или смывают? :-)

Circiter в сообщении #473029 писал(а):

Ну, в принципе, существуют зеркала с напылением на ближнюю поверхность (FS-mirrors). И, действительно, такие зеркала используют кое-где, в т.ч. и в телескопах, видимо, для уменьшения оптических искажений (точнее говоря, для подавления артефактов в виде дублей объектов; а то астрономы бы на ровном месте открывали бы двойные, двойные-двойные и т.д. :) ).

Ну да, разумеется.

[Circiter]

2Comanchero

Цитата:

Ну это же зависит от соотношения длины волны падающего э.м. излучения и размера неоднородностей (дефектов) поверхности.

Не всегда. Но, в принципе, верно, по крайней мере в этом случае -- к примеру, потолок комнаты рассеивает видимый свет, но прекрасно зеркально отражает зайчик от ПДУ телевизора (ИК волны просто слишком большие и не замечают неровности потолка). Ну как-то так... :)

2myhand

Цитата:

Это как, в нелинейной среде что-ли?

Ну, видите-ли, не зря же я там вопросительный значек в скобках впендюрил... :) Понятия не имею, как такую идею можно реализовать. Это может быть, действительно, создаваемое и контролируемое ЭМ-полем зеркало в какой-нибудь активной среде. Это может быть гипотетическое зеркало использующее фотон-фотонное рассеяние. Или же более реалистичное зеркало на основе уже упомянутого эффекта квантового отражения или даже квантового аналога эффекта Зенона (кажется, возможно, ЭМ-импульсом уменьшить вероятность прохождения/поглощения кванта через зеркало, вызвав тем самым его отражение).

О, да, весьма спекулятивно.

Ссылок на подобные устройства пока найти не удалось. Зато немало информации есть по атомным зеркалам (в-принципе, лежащие в основе законы квантовой физики применимы к любым частицам, значит такие зеркала в теории могут отражать не только атомы :) ). Вот, например (впрочем, боюсь, что эти материала нифига нерелевантны -- понравились заголовки/абстракты, но контента не читал), V.I.Balykin et al., Quantum-State-Selective Mirror Reflection of Atoms by Laser Light, Phys.Rev.Let.; _____, Reflection of an electron beam by femtosecond light waves; R.J.Cook, An electromagnetic mirror for neutral atoms.

В общем, зачем я только ляпнул про ЭМ-зеркала... :)

Ладно с ними. Меня вот больше интересуют такие вопросы. Во-первых, получается, что диэлектрические зеркала наиболее эффективны из всех практически реализованных? Во-вторых, раз уж речь зашла о FS-зеркалах (напыление на лицевую сторону), то как все-таки там дела с окислением обстоят? Или оно вовсе никак не мешает, вопреки беспокойству ТС? В-третьих, товарищ Munin очень аппетитно рассказывал об отражательной роли электронного газа в металлах; надо ли в связи с этим считать возможным создание зеркал из плазмы?

2photon

Цитата:

А как насчет многослойников?

Видимо, это тоже самое, что я назвал диэлектрическими зеркалами, да? Или ещё один тип зеркала?

[Munin]

Circiter в сообщении #473244 писал(а):

В-третьих, товарищ Munin очень аппетитно рассказывал об отражательной роли электронного газа в металлах; надо ли в связи с этим считать возможным создание зеркал из плазмы?

С плазмой есть та загвоздка, что у неё нет ровной резкой поверхности. С другой стороны, если падающая волна длиннее, чем глубина поверхности (например, поджатой магнитным полем), то да, плазма зеркалит. Хотя к тому же ещё и сама светится - надо ронять на неё достаточно сильную волну, чтобы заметить отражение.

[мат-ламер]

Спасибо за ответы. Не совсем понятно, почему может отражать зеркало из диэлектрика. Если фотон (если конечно у него достаточно энергии) столкнётся с электроном атома диэлектрика, то последний перейдёт в зону проводимости, и упругого соударения не произойдёт. Пытаюсь понять как устроены энергетические зоны в металлах по популярной статье http://kvant.mccme.ru/1992/02/metally.htm. Но статья слишком краткая. Может кто подскажет, если что почитать популярное на эту тему, чтобы было понятно неспециалисту?

[Munin]

Зильберман "Электричество и магнетизм".

Зеркало из диэлектрика отражает плохо, частично пропускает. Почему - легко понятно на классическом уровне, где условия на электрические и магнитные поля на границе приводят к возникновению прощедщей и отражённой волны. А на уровне фотонов это приводит к вероятностям - пройти и отразиться. Тоже речь не об отдельных атомах, а о взаимодействии со всей массой атомов, и об интерференции результатов такого взаимодействия.

[rudoms]

Даже и не задумывался, но прочитал с удовольствием - плодотворная дискуссия (все бы такие)))). Спасибо.

[Emil89]

Кто может дать ответ? Кто знает теорию про?
А разве не любое тело отражает свет? Лишь зеркало сохраняет (лучшеи) зображение? Или разные- отражение и поглащение с излучением?
А наверно отражение это сохранение длины волны при новом испускание электромагнитной волны или впрямом смысле отражения? А как тогда с сохранением изображения?

-- 15.11.2011, 04:30 --

Или там где нашего отражения нету, в другом диапазоне волн есть изображение? А, содной стороны красный упал на поверхность свет и красный излучило тело? А такие тела токо одну длину волны пропускает поэтому изображения в некотором смысле нету?
А хотя при изменение длины волны , при отражение мы бы могли наблюдать другие диапазоны? Но надеюсь это нетак?
Есть ли разница в некоторых случаях то какие мы цвета наблюдаем при падение опрд. длины волны и испусканием? Если они разные получаются

[obar]

мат-ламер в сообщении #472946 писал(а):

Если фотон сталкивается с электроном проводимости, то последнему некуда подниматься на более высокие энергетические уровни (поскольку те заняты) и фотон упруго отражается от этого электрона, связанного с кристаллической решёткой, как от тела с большой массой.

Откуда такое представление? Как раз все наоборот. У металла валентная зона перекрывается с зоной проводимости. По определению, зона проводимости не заполненная, и ничто не мешает электронам переходить на более высокие уровни. Именно поэтому металлы -- проводники. Отсюда, казалось бы, можно заключить, что фотоны должны сильно поглощаться металлами. На самом деле это не так. Электроны в зоне проводимости являются свободными, а свободный электрон, как известно, не может поглотить фотон (по закону сохранения энергии и импульса). Происходит рассеяние фотонов (преимущественно отражение назад для хороших проводников). Для описания отражения более адекватным является приближение волновой оптики, т.к. отражение -- существенно коллективное явление.

мат-ламер в сообщении #473292 писал(а):

Не совсем понятно, почему может отражать зеркало из диэлектрика.

Диэлектриком принято называть вещества, у которых величина щели между валентной зоной и зоной проводимости более 3эВ. Энергия квантов видимого света лежит в интервале $1.6\div 3$ эВ. Этой энергии недостаточно для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости -- фотоны не поглощаются. Однако, в отличие от металлов, у которых глубина проникновения фотонов порядка длины волны, для диэлектриков глубина проникновения является макроскопически большой (для идеального кристалла -- бесконечной, такой кристалл будет полностью прозрачным). Коэффициент отражения однородных диэлектриков существенно меньше, чем у металлов, но не нулевой.