为什么玻璃是透明的，而金属和砖却不是？镜子为什么会反射？为什么光线穿透磨砂玻璃，却什么也看不见？让我们看一个难题：物质如何作用于落在它上面的光。

一个看似简单的问题：光是如何穿过窗玻璃的，为什么它不穿过墙壁？要理解这一点，我们必须深入研究物质和光本身的结构。

光是波

光可以用两种语言来描述：光粒子流（光子）和电磁波。第一种语言比第二种语言更精确，但也更复杂。物质中的光子绝不是球或球。他的行为规律复杂，尚未完全理解，难以用普通的语言表达。因此，让我们先抛开量子光学的丛林，把光当作波来讨论。

请记住，物质是由原子组成的。每个原子都有一个带正电的原子核和围绕它旋转的带负电的电子。负电荷被正电荷吸引，因此原子核吸引电子，防止它们散射。

带电粒子如何在不相互接触的情况下在远处吸引或排斥？事实是它们被电场包围。电子沉浸在原子核的场中，这个场将它们吸引到原子核。形象地说，电场是长臂，电荷相互伸展以相互作用。

不仅带电粒子有电场，还有光。关键是光是一种电磁波。换句话说，它由一个振荡的电场和磁场组成。我们不会在这里讨论光的磁场，但让我们更详细地讨论一下电场。

电磁波在许多方面类似于投掷的岩石在水中产生的波。让我们把一块石头扔进水里，注视着伸出水面的一片草叶。它将被山脊和凹陷交替覆盖。同理，落在光波下的原子会被电场非常强的“脊”和同样强但方向相反的“谷”覆盖。诚然，在光线的情况下，脊和槽会经常相互替换：每秒数百万亿次！

重量和弹簧

原子会发生什么？回想一下，电场作用于带电粒子，要么吸引要么排斥它们。这种来自光侧的力将作用在原子核和电子上。但是原子核比电子重几千甚至几十万倍，你不能那么容易地移动它们。但是电子将开始随波随时间振荡。

然而，电子和原子核之间的吸引力不会去任何地方。波会将电子从其应有的位置拖出，而原子核会将其拉回。结果，电子会振荡，但不像湖面上的漂浮物，完全受波的支配。相反，它看起来像一个悬挂在弹簧上的重物，有节奏地上下拉动。这里的弹簧是对原子核的吸引力，而拉手是摆动电子的光波。

然后最有趣的事开始了。振荡的电子本身将成为光源！这就是自然规律，振荡的带电粒子会发射电磁波。物理学家称这些波为次级波，以将它们与覆盖原子并导致电子振荡的初级波区分开来。

当然，在一个原子的光下，一个人是无法阅读一本书的。但是有很多很多的原子。窗户玻璃里的水比海洋中的水杯还要多。而在所有落在光波下的原子中，电子都会振荡并辐射出二次波。

集体直接性

这些二次波相互叠加。这并不总是意味着他们变得更强大。如果第二个波的波峰正好叠加在第一个波的波峰上（据说这些波彼此同相），那么它们会相互加强。如果第二波的波峰正好落在第一波的波谷上（这些波是反相的），那么它们就会变得平滑，相互削弱。两个完全相同的反相波相互完全补偿，就好像根本没有波一样。我们将不得不记住下面的更多信息！

结果是一幅复杂的画面。每个单独的原子都向各个方向辐射二次波。但是来自不同原子的波是相互叠加的，在某处同相，在某处反相，在某处“中间到一半”。结果，在某处波通常会相互补偿并消失，而在某处它们会增加。

物理学家有办法计算当来自所有无数原子的二次波相互叠加时会发生什么。诚然，它需要更高的数学，所以在这里你必须听听科学家的话，即使结果看起来很奇怪。这真是太神奇了：事实证明……光以直线穿过物质。不是在所有方向上，而是严格在一条直线上。

烟雾散射光

光的散射：哦，多么散射！..

“光沿直线传播”的规则不适用于毛玻璃、烟雾弥漫的空气和其他多云环境。在这样的物质中，光波不断遇到障碍物：玻璃中的气泡、空气中的烟雾颗粒等等。正因为如此，她不断地改变方向。在多云的环境中，光是散射的：它在各个方向上随机移动。图像变得像一个拼图，其中的碎片混合和分散。这就是为什么透过磨砂玻璃看不到任何东西的原因（这在某些情况下非常合适！）。因此，一堆碎玻璃的小碎片是不透明的：碎片之间的边界也会散射光。

光的折射扭曲了铅笔的可见形状

光的折射：路上的一个转弯

让我们回到透明窗玻璃。如果初级波与玻璃表面成直角下降，那么由次级波产生的物质中的光将以完全相同的方式移动。如果它以任何其他角度落下，击中物质的光会稍微改变方向。这称为光折射。

一些透明物质对光的折射更强，而另一些则更弱。首先，它取决于密度：原子越接近，光的折射越强。玻璃的密度比水大，因此玻璃中的折射更明显。其次，原子也不同。上面，我们比较了在光波作用下振荡的电子与弹簧负载。但是弹簧有不同的长度和刚度。同样，原子从电子到原子核的距离以及它们之间的吸引力也不同。这取决于将发射哪些二次波，以及最终将如何折射光。

镜子的玻璃下面隐藏着一层金属反射层

光的反射：镜中的世界

所有物体，透明的和不透明的，至少会轻微反射光线。只是因为反射光进入我们的眼睛，我们才能看到它们。顺便说一句，我们将反射大量光线的物体视为光，而几乎没有反射的物体 - 视为黑暗。大热天戴一顶浅色的帽子，让你的头暖和起来！

反射光波从何而来？现在我们已经熟悉了振荡电子，很容易给出答案。来自物质表面每个原子的二次波向各个方向传播，既深入到物质内部，又向外传播。向内的形成物质的光，向外的形成反射光。

既然物体反射光，为什么我们在它们身上看不到我们自己的反射呢？首先，它们不会反射所有的光，而只是反射一部分，通常是一小部分。但即使在新雪中，反射 90% 的入射光，你也不会欣赏你的反射。太凹凸不平：表面的每一个微小区域都是一面镜子，向自己的方向反射光线。为了使表面成为单面镜子，它必须非常光滑。

最好的镜子是由金属制成的。在大型壁镜中，光线从最薄的银层反射，覆盖着透明玻璃。在便宜的袖珍镜中，反射层通常由铝制成。

为什么金属反射光的效果这么好？事实是金属中存在自由电子。它们不附着在特定的原子上，而是在整个物质体积中自由移动。这些电子没有被原子核阻挡，会大规模振荡。毫不奇怪，它们会产生强烈的二次波。正如我们所记得的那样，其中一些波会向外传播，而另一些会进入物质内部。向外传播的波是反射光。但是深入金属的波与入射波反相，几乎完全消失（如果不涉及数学，很难解释为什么它是反相的，相信我）。因此，金属可以很好地反射光线，但非常不透明。

那么为什么铁钉、铝勺或银十字架不是镜子呢？因为钉子涂的是氧化铁，勺子涂的是氧化铝，十字架涂的是氧化银。氧化物本身不再是金属，它们反射光的效果要差得多。

光吸收：消失得无影无踪

顺便说一句，关于不透明度。我们已经处理了金属，但是光会去哪里，例如落在砖墙上？一小部分被它反射，其余的光被吸收。什么是吸收，它是如何工作的？

想象一下，悬挂负载的弹簧非常紧。这样你就不会太大地摆动负载：所有的努力都将花在至少稍微拉伸弹簧上！同样，在不透明物质的原子中——除了金属——电子与原子核的结合如此牢固，以至于它们几乎不会振动（我们在上面谈到了金属不透明性的特殊性质）。入射的光波浪费了它的能量，试图将它们从他们的位置上移开，结果化为乌有。这种能量转化为热量，加热物质。

当光落在物质上时，会发生多么不同和令人惊奇的事情！