Что такое цвет. Почему металл блестит, а стекло прозрачное?

Сегодня я расскажу о том, что очень плохо освещают в школьной программе. Я, например, вообще задалась этим вопросом случайно. Ну, гуманитарий – что тут еще сказать. Судя по всему, вам понравилась прошлая моя статья про по-настоящему большие числа, и я попробую продолжить в том же духе. Непонятные простому человеку, но весьма тривиальные для науки вещи, попробую объяснить простыми словами, с максимально возможным уровнем упрощения.

Разговор пойдет по очень скользкой для меня почве, потому что эта часть физики, а именно квантовая механика и тем более квантовая электродинамика, перенасыщены зубодробительным матаном до степени многократно превышающей мои скромные математические возможности. Но вещи, совершенно недоступные обывателю на уровне математическом, вполне доступны на уровне концепций и аналогий, поэтому сразу предупреждаю – если высказанные ниже суждения вам понятны, это не значит, что вы понимаете, как дела обстоят на самом деле, но, по крайней мере, стали ближе к пониманию этих вещей.

Это скриншот одного замечательного сайта, о нем в самом конце поста.

Итак, все мы видим цветной мир, и многие даже слышали про эти непонятные колбочки и палочки, которые составляют сетчатку нашего несовершенного глаза. Сетчатка глаза выглядит вот так вот: 

Что из этого палочки, а что колбочки, поймет только специалист, но нам достаточно того, что бывают палочки и аж три вида колбочек, и каждый из этих видов клеток воспринимает свою узкую часть спектра. Вообще, что такое часть спектра? Что за ерунда такая? Свет очень хитрая штука, которую иногда удобнее описывать как поток шариков-фотонов, а иногда как волну, не стоит пытаться это понять.

Итак, часть спектра это диапазон между определенными частотами. Проще всего это объяснить так: представьте себе гитару, самая низкая толстая струна излучает самый низкий звук (красный свет), самая тонкая и быстро телепающася струна – высокий (фиолетовый). А струны между этими двумя покрашены в остальные цвета радуги. Естественно вы не слышите инфразвук низкой частоты, но чувствуете телом (это инфракрасный свет, который мы воспринимаем как тепло), и есть звуки высокой частоты, которые вы уже не способны воспринимать невооруженным ухом (это ультрафиолет, который спалил вашу кожу в последнем отпуске). 

Этого знания нам достаточно, чтобы понять, что происходит, когда в свете, например, солнца вы видите, например, красный помидор. Солнце светит вообще почти во всех диапазонах, поэтому мы видим (условно) белый цвет – как будто кто-то дернул сразу все струны нашей цветной гитары. Когда этот белый свет попадает на помидор получается следующая история: все компоненты света поглощаются кроме красной, которая отражается в окружающее пространство и попадает на эти наши колбочки в глазах. 

Почему так происходит? Атомы состоят из ядер и электронов. Вот нас как раз интересуют электроны. Все они находятся на орбиталях своих атомов. Орбиталь это не орбита, наука далеко ушла от представления атомов как нано-аналогов солнечной системы. Орбиталь это некоторая область пространства вокруг ядра атома определенной формы, в которой может находиться электрон с высокой вероятностью. При том электрон не может летать «вокруг» ядра абы как, это Луна может себе позволить отдаляться от Земли по 38 миллиметров в год. Электрон может быть либо на одной орбитали, либо на другой, но никак не между ними. 

Когда вы не светите на помидор, с электронами все хорошо – они «сидят» каждый в своей орбитали. Как только вы выносите помидор на солнышко, на его поверхность начинают «падать» фотоны и начинается магия. Большая часть фотонов залетают внутрь вещества помидора и там расходуются на его нагрев, но часть фотонов поглощаются электронами. А вы помните, что электрон не может взять и просто «немножко» изменить свою энергию, его энергия меняется только скачками – переходами с орбитали на орбиталь. Поглощение фотона электроном происходит только тогда, когда энергия фотона точно равна энергии необходимой электрону для перехода на орбиталь повыше.

После того как электрон получил эту дополнительную энергию он, немного «поболтавшись» на новой орбитали, проваливается на прежнее место и при этом излучает точно такой же фотон, который до этого добавил ему энергии. То есть помидор красный, потому что все компоненты белого солнечного света провалились внутрь помидора и «сгинули», а вот именно в красных длинных волн произошло поглощение, а затем излучение в обратную сторону. Этот отраженный (на самом деле «переизлученный») свет и попадает на колбочки и палочки в наших глазах.

Никакого простого объяснения такому поведению нет, потому что поглощением и излучением света занимается самый каверзный раздел квантовой механики, а именно квантовая электродинамика. Вот это уже за гранью возможностей моего понимания, а ведь это только базовый уровень.

Естественно, это только «часть правды», например, фосфор умеет поглощать ультрафиолет, а излучать свет в видимом диапазоне. Именно фосфор, который есть в зубах – причина их жуткого свечения на дискотеке. Или фосфор в сперме отлично светится на простынях.

В этом посте стоит затронуть еще один интересный момент – зеркальные поверхности, которые ведут себя иначе, отражая все подряд в видимом диапазоне света. Дело в том, что металлы имеют внутреннюю структуру в которой часть электронов «не привязаны» к конкретному атому а свободно тусуются по всему объему вещества. Именно поэтому металлы проводят ток. И именно поэтому электроны способны поглощать фотоны без разбора. То есть как раз в ситуации с металлом электрон может изменить свою энергию не на четко-заданную величину, а в гораздо более свободных пределах. Соответственно после возбуждения такой электрон излучает обратно в пространство такой же фотон, и в совокупности мы видим цветное отражение. 

В общем-то, вы наверняка уже догадались, почему стекло прозрачное? В веществе, из которого состоит стекло, мало электронов, которые могли бы поглотить и переизлучить свет в видимом диапазоне. Поэтому световые волны проходят насквозь лишь с небольшими потерями. На самом деле, все несколько сложнее, но даже не хочется упоминать уравнения Максвелла.

Если осилю следующую серию, то расскажу, как работает поляризация, и почему угол отражения равен углу падения.  А пока что гляньте вот сюда: http://www.chromoscope.net/ – это сайт, с которого начинался черновик поста, и это – изначальная тема статьи, проработка которой привела к описанию чуть более фундаментальных процессов, чем просто объяснение того, что мы видим лишь малую часть реальности. Спектр видимого света очень-очень-очень коротенький по отношению ко всему диапазону электромагнитных волн. На сайте можно посмотреть, как было бы круто, если бы наши глазки имели дополнительные типы колбочек, восприимчивых к микроволновому излучению или к гамма-лучам. Мяу!

UPD: По просьбе @marusha, добавляю ссылку на прекрасного автора Sly2m и его статью на похожую тему из серии «на пальцах».