Блеск в природе, или Почему у кошки глаза светятся

20

С. А. Хейфец

Тяга к блестищему запрятана馏то в глубинах сознания. Ребенок, впервые увидевший свет, тянется к яркому; туземцы отдают за блестищие безделушки и пищу, и воду. Одаренный, глубокий ум люди называют «блестищим». Мы не будем интересовать, связано ли это внимание к блестищему с атавистическими воспоминаниями о плашщем огне или с гипнозом, мы попробуем разобрать,почему появляется блеск — будь то блеск золота, амаза или кошачих глаз в темноте.

Мы судим о ярости предмета по количеству света, которое отразило от него и попало к нам в глаз *). Ясно, что это количество зависит от доли отраженного света, и от его направленности. Белый лист бумаги отражает лучше черного, зеркальная поверхность — лучше матовой.

Направление света, отраженного отладкой поверхности, определяется хорошо известным законом: угол падения равен углу отражения. А энергия отраженного света зависит еще и от коэффициента преломления среды $n$. Если свет падает по нормали на границу сред с показателями преломления $n_1$ и $n_2$, то доля отраженной

*) Яркость определяется световым потоком, попадающим на сетчатку глаз.

энергии равна $\eta = \left( \frac{n_1 - n_2}{n_1 + n_2} \right)^2$. Для стекла $n=1,52$, для воздуха $n=1$, так что отражается всего 4,3% падающего света. Для стеклянной пластинки доля отраженной энергии будет примерно в два раза больше, так как часть прошедшего света отразится от второй поверхности стекла и вернется назад. Если лучи падают не вертикально, а под углом, они отражаются лучше (рис. 1). При $60^\circ$ отражаются от стекла не 4,3%, а 9%; при $80^\circ$ уже 39%. Когда угол падения приближается к $90^\circ$ — скользывающий луч,— почти весь свет отражается (козффициент отражения стремится к 100%). Далее очень черные тела, такие как графи, сажа, бархат, начинают блестить, если смотреть на них под маленьким углом к поверхности.

При нормальном падении света на стеклянную пластину доля отраженной энергии близка к 8,6%. Мало это или много? Оказывается, немного. Свежий снег отражает 80—85% падающего света, столко же отражают облака.

Однако осокок стекла на снегу легко заметить, так же как и блестики отделных снежинок. Это объясняется не столько отражательными свойствами пластинки, сколько паралельность солнечных лучей — рас-

22

Рис. 3. Отражение от пузырька воздуха.

отличалось направлением. Исключение составляли «скользывание» лучи. Тогда блеск был следствием почти 100% отражения падающего света. Подобное положение наблюдается, если луч попадает на границу раздела двух сред из более плотной среды. Если свет падает по нормали, то доля отраженной световой энергии определяется той же формулой, что и раньше. Для воды это означает, что 98% света выходит в воздух. С увеличением угла падания β интенсивность преломленного луча уменьшается, и при $\sin \beta = \frac{1}{n}$ преломленный луч исчезает. При этом весь падающий свет отражается от границ — проискодит так называемое полное внутреннее отражение. Для стекла $n = 1,52$, так что луч, induzione под углом к нормали $\beta \ge 36^\circ$, не выходит наружу. Для воды $n = 1,33$, так что рыба может видеть небо только в «лунку» с углом расвора около 45°

Рис. 4. Ход лучей в капле воды.

(рис. 2). Остальная поверхность воды (с точки зреня рыб) bleibt и отражает только до водоема. Граница раздела при полном внутреннем отражении — идеальное зеркало.

Еще одно интересное применение этого эффекта — светопроводы. Если пустить луч внутри стекловолокна, то можно потом плавано изгибать эти волокна, даже кругтить узлы, и луч света покорно закрутится, следуя закону полного внутреннего отражения.

Опустите в воду лист сербристой нвы. Обратная сторона листа, покрыта множеством пузырьков, начинает сербристу. А сверкание капли росы вам наверняка приходилось видеть. В обонх случаях дело в полном внутреннем отражении: в первом случae — от внешней, во втором — от внутренней поверхности пузырька воздуха или капли росы (рис. 3, 4). Угол между вошедшим в каплю и вышедшим лучами легко определять, если учесть, что радиус перпендикулярен поверхности шара. Этот угол $\varphi = 4\gamma - 2\alpha$. Впервые такой расчет сделал Декарт. Труднее проанализировать зависимость угла отклонения ф от прицельного параметра $d$.

Если падающие лучи параллельны, то, пройдя сквозь каплю, они начинают расходиться. Однако существует минимальный угол отклонения. Он близок к 42°. Вблизи этого направления преломленные лучи идут гуше, то есть основная доля преломленных лучей идет именно в этом направлении. Росинка, наблюдаемая под этим углом, быстро особенно ярко. Под этим же углом к солнечным лучам видна радуга.

Где бы ни находился яркий источник света (Солнце, яркое небо), вы всегда сможете наблюдать в росинке его искру-изображение (рис. 5). Отраженные от поверхности капли лучи могут попадать в глаз, даже если угол $\alpha$ близок к 180°. В этом смысле в капле воды действительное отражение весы мир.

Говоря о блеске, нельзя не вспомнить о драгоценных камнях. Общно