Изучение распространения света в различных средах

Лазерный луч, или монохроматический свет, распространяется прямолинейно в соответствии с принципом Ферма. Но всегда ли это так? Как будет выглядеть прохождение света через коллоидный раствор или пыльную комнату? Это и есть тема данной статьи.

Лазерное излучение распространяется в однородной среде по прямой линии. Когда оно сталкивается с границей с другой средой, оно может быть поглощено, отражено, преломлено или рассеяно. Давайте рассмотрим подробнее, от чего это зависит и как это выглядит.

Отражение света

При падении на гладкую металлическую поверхность лазерное излучение отражается по закону отражения (угол отражения равен углу падения). На рис. 1 видно, что параллельные пучки лазерного излучения, падающие на плоское зеркало и отражающиеся от него, сохраняют параллельность.

При падении на плоскую поверхность параллельные лучи света сохраняют свою параллельность
Рис. 1. При падении на плоскую поверхность параллельные лучи света сохраняют свою параллельность

Когда отражающая поверхность шероховатая, свет рассеивается. Это прекрасно видно на рис. 2, когда лучи лазерного света падают на шероховатую стену. Тогда мы не видим, как в предыдущем примере, параллельных отраженных лучей. Рассеянные лучи делают столешницу, на которой находится система, красной.

Лазерное излучение, падающее на шероховатую поверхность, рассеивается
Рис. 2. Лазерное излучение, падающее на шероховатую поверхность, рассеивается

Преломление света

Когда лазерное излучение падает на границу между двумя прозрачными для него средами, оно может как отражаться, так и преломляться. Его путь зависит от угла падения и коэффициентов преломления двух сред.

Свет, падающий из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления под углом, превышающим так называемый предельный угол ( αпр ), претерпевает только явление отражения. Это показано на рис. 3.

Лазерный свет, падающий на границу двух прозрачных сред
Рис. 3. Лазерный свет, падающий на границу двух прозрачных сред

Если угол падения меньше предельного угла, свет будет одновременно отражаться и преломляться по закону преломления (рис. 4):

sin α / sin β = n2 / n1 .

угол падения меньше предельного угла
Рис. 4

Если угол падения равен граничному углу, то преломленный луч “скользит” по границе двух сред (рис. 5).

Лазерное излучение скользит вдоль границы двух сред
Рис. 5. Лазерное излучение скользит вдоль границы двух сред

Другими словами, лазерное излучение, падающее на границу двух прозрачных сред, таких, что показатель преломления первой среды больше показателя преломления второй среды под углом, равным углу границы, не проникает во вторую среду, а “скользит” вдоль границы двух сред.

Если угол падения равен 0°, свет проходит в другую среду, не меняя направления распространения (рис. 6).

Если угол падения равен 0, направление распространения света не меняется
Рис. 6. Если угол падения равен 0, направление распространения света не меняется

Рассеяние света в неоднородной среде

Стоит также рассмотреть, как выглядит ситуация, когда мы имеем дело с неоднородной средой, например, коллоидом или суспензией. Свет рассеивается на этих неоднородностях. Наиболее известный эффект рассеяния света в воздухе – это наблюдаемый цвет неба.

В воздухе, как и в жидкостях, мы можем наблюдать так называемый эффект Тиндаля, также основанный на рассеянии света на молекулах среды. При этом образуется характерный конус света (рис. 7), видимый на тёмном фоне. Это явление можно наблюдать на частицах водяного пара, дыма или загрязняющих веществ в воздухе.

Эффект Тинда́лярассеяние Тинда́ля (англ. Tyndall effect) — оптический эффект, рассеивание света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса (конус Тиндаля), видимого на тёмном фоне.

Википедия
Эффект Тиндаля
Рис. 7. Свет, проходящий через коллоидный раствор, рассеивается на частицах, что приводит к расширению луча и образованию так называемого конуса Тиндаля