Tato otázka je velmi zajímavá a dá se říct, že cílí na důležitou podstatu vzájemného ovlivňování světelného záření a materiálu, na který záření dopadá. K tomuto problému se dá přistupovat na několika úrovních znalostí, bohužel žádný z přístupů není úplně jednoduchý a přesný popis se neobejde bez náročné matematiky.
Upozornění
Vysvětlení v tomto textu je popularizační a není matematicky úplně správně. Máte-li zájem o přesné odvození, doporučuji knihu Principles of Optics [1], kde se konkrétně v kapitole 1.1.3 autoři věnují řešení Maxwellových rovnic na rozhraních a ze kterých plyne existence odraženého světla.
Za všechno může elektrická síla
Základní důležitou myšlenkou je, že světlo se chová jako elektromagnetické vlnění, které se šíří prostorem. Protože je elektrická část světelného záření obecně intenzivnější než magnetická, pro vysvětlení základních jevů, jako je odraz světla, stačí uvažovat pouze elektrickou složku.
Elektrická složka světla interaguje s nabitými částicemi pomocí coulombické síly. Hmota je plná elektricky nabitých částic (elektronů a protonů), je zde tedy spousta možností interakce elektrického pole s látkou. A vzhledem k tomu, že protony jsou celkem pevně vázané v těžkém atomovém jádru, obyčejně uvažujeme, že s elektrickým polem budou interagovat hlavně elektrony, a to nejsnáze elektrony umístěné nejdále od jádra. Tady hraje podstatnou roli právě to, jaké jsou vlastnosti elektronů v různých materiálech, například v kovech se elektrony mohou volně pohybovat mezi atomy, což vede nejen k tomu, že kovy vedou elektrický proud, ale přispívá to i k tomu, že kovy dobře odrážejí světlo.
Kmitající elektrony vyzařují
Řekněme tedy, že máme v materiálu elektrony, na které působí elektrické pole dopadajícího světla. Elektrické pole světla rozhýbe elektrony v materiálu tak, že elektrony začnou kmitat ve stejné frekvenci jako dopadající světlo. Jak účinně se budou elektrony rozkmitávat, záleží právě na vlastnostech materiálu. Takto rozkmitané elektrony začnou samy vyzařovat světlo [2, 3].
To, že elektrony během kmitání vyzařují elektromagnetické pole, se možná může zdát trochu zvláštní, pro názornou vizualizaci doporučuji youtube video How wiggling charges give rise to light [I].
Dopadající světlo tedy v materiálu rozkmitá elektrony a ty začnou díky svému kmitání vyzařovat elektromagnetické záření. Ovšem směr tohoto záření už může být zcela jiný než směr původního záření, přičemž intenzita i směr velmi záleží na tom, jaký materiál bereme v úvahu. Toto druhotné světelné záření elektronů je právě to, co způsobuje odražené světlo.
Pro rovné povrchy se dá celkem snadno spočítat z Maxwellových rovnic známé pravidlo, že úhel dopadu je shodný s úhlem odrazu, ale pro hrubé povrchy, jako je třeba sníh, se světlo odráží do všech směrů. Pro zajímavost záření elektronů způsobuje nejen odraženou světelnou vlnu, ale i třeba změnu směru světla v opticky hustším prostředí, tedy takzvaný lom světla.
Korektní přístup
Světlo se řídí zákony fyziky popsanými pomocí Maxwellových rovnic. Pokud bychom řešili tyto rovnice na rozhraní mezi dvěma prostředími s rozdílnými elektromagnetickými vlastnostmi, vyjde nám, že existence odražené vlny je nutným řešením těchto rovnic [1].
Jiné typy vlnění
Pro jiné typy vlnění, třeba mechanické na pružině nebo na struně, platí velmi podobná pravidla. Jen pro odvození odrazů musíme uvažovat nikoliv elektromagnetické síly a zákony, ale stačí nám zákony mechaniky: Newtonovy zákony a zákon zachování hybnosti a energie. Podrobné řešení se dá najít např. v [3], kde je odrazům věnována celá kapitola 5.
Pro Zeptej se vědce odpovídal Jan
Zdroje:
[1] 1. Born M, Wolf E, Bhatia AB et al. Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light. 7. vydání. Cambridge University Press; 1999.
[2] Larmor, J. (1897). LXIII. On the theory of the magnetic influence on spectra; and on the radiation from moving ions. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 44(271), 503–512. https://doi.org/10.1080/14786449708621095
[3] J. Tolar; VLNĚNÍ, OPTIKA A ATOMOVÁ FYZIKA (Základní kurs fyziky FJFI) [online] https://physics.fjfi.cvut.cz/files/predmety/02VOAF/VOAF2017.pdf