Почему не все диэлектрики прозрачны?

Тот факт, что материал не проводит токи в макроскопическом масштабе, не означает, что он вообще не содержит никаких подвижных зарядов. На самом деле, как следует из самого названия «диэлектрик», такой материал содержит заряды, которые могут быть до некоторой степени разделены — электроны немного двигаются в одну или другую сторону, фактически никогда не прощаясь со своим родительским атомом, но все же создавая значительное поле.

Когда свет попадает на такой материал, электроны склонны вибрировать синхронно с поступающей электромагнитной волной. Это создает вторичное электромагнитное поле той же частоты, которое добавляется к исходному полю, как это делают более крупные токи под поверхностью проводника. В отличие от проводника, электроны не могут свободно перемещаться, поэтому это поле не может полностью нейтрализовать входящую волну, но оно также не проходит полностью беспрепятственно:

• Часть энергии, которую возвращает вторичная волна, направляется не в первоначальном направлении распространения, а в обратном направлении: часть света отражается . (Это также происходит и с проводниками, почти идеально, поэтому металлы блестят.)
• Вторичная волна не полностью синхронизирована с входящей, но обычно имеет небольшое отставание по фазе (например, когда вы качаете маятник). В результате волна выглядит «запаздывающей», как будто она прошла через материал больший путь, чем на самом деле — с внешней точки зрения это означает, что длина волны укорачивается, несмотря на постоянную частоту. Но поскольку волновой фронт должен быть везде синхронизирован, вы получите преломление .

Оба эффекта очень заметны для прозрачного стекла: часть света отражается, а не проходит сквозь него, а проходящий через него свет преломляется. Имейте в виду, что для стеклянного стекла преломление не имеет большого значения, оно просто немного меняет направление, когда свет входит, а затем снова возвращается к исходному, когда он уходит. Но для неоднородных материалов, таких как пенопласт, вы получите не одно отражение и преломление, а множество микроскопических поверхностей, выровненных в разных направлениях. В результате, даже если каждая микроповерхность пропускает большую часть света, на самом деле он не может проникнуть очень далеко в материал, а «отражается» полностью рассеянным образом. И это в основном то, что происходит со всеми материалами, которые выглядят белыми .. Большинство из них все еще в некоторой степени прозрачны, но если компоненты достаточно мелкие и преломляющие, то расстояние не превысит нескольких микрометров.

Для материалов, которые выглядят цветными или даже черными, вдобавок происходит еще кое-что: колеблющиеся электроны на самом деле забирают часть энергии приходящей волны и вообще не передают ее обратно с той же частотой, а «преобразовывают» в другую. формы энергии — обычно либо низкочастотный свет ( флуоресценция ), либо колебания решетки с нейтральным зарядом (которые проявляются в виде тепла). Объяснить, как это преобразование работает без квантовой механики, проблематично, но в основном вы можете представить его как затухающую вибрацию — в колебании есть «трение». Часто это происходит только на значительном уровне в определенной полосе частот из-за молекулярных резонансов; вот тогда какой цветпроисходит потому, что разные световые частоты затухают до разных долей.

Вы не можете полностью избежать квантовой механики, но достаточно сказать, что отражения от свободных электронов — не единственный способ предотвратить передачу. Любая ситуация, когда свет может перевести электрон из состояния с низкой энергией в состояние с более высокой энергией, вызовет поглощение, независимо от проводимости постоянного тока. Или даже при небольшом поглощении массивное рассеяние света множеством мелких частиц или множеством неупорядоченных границ раздела также может предотвратить передачу. Пара быстрых примеров:

1. Полупроводник с шириной запрещенной зоны меньше энергии света (например, кремний, графит).

2. Материалы, состоящие из множества мелких рассеивателей (например, дерево, краска, кожа).