§ 76. Отражающие и рассеивающие тела

Наряду с задачей концентрации светового потока нередко возникает потребность распределения этого потока на большую площадь с целью создания равномерной и умеренной освещенности. Для этой цели обычно заставляют световой поток отражаться и рассеиваться соответствующими поверхностями. Однако надо считаться с тем, что при этом лишь часть светового потока отражается или пропускается телом, часть же неминуемо поглощается.

Тот факт, что мы видим тела, связан с тем, что они различным образом отражают, преломляют и поглощают падающий на них свет. Если некоторое тело отражает свет сильнее, чем окружающие его тела, то оно представляется нам светлым на темном фоне. Если же тело отражает меньше света, чем окружающие его тела, то оно будет казаться нам темным. Например, белая бумага отражает свет сильнее, чем серый картон, и кусочек картона на листе бумаги кажется нам темным. Этот же кусочек картона, если его положить на черный бархат (очень слабо отражающее тело), кажется нам светлым. Тело, отражающее свет так же, как и окружающий фон, сливается с этим фоном.

Прозрачные тела мы видим частично в отраженном, частично в прошедшем через них свете. Рассматривая, например, такой, казалось бы, простой предмет, как граненая стеклянная пробка от графина, мы имеем дело с рядом сложных явлений: свет частично отражается от граней пробки или рассеивается, если ее грани матированы; часть света проходит сквозь пробку, преломляясь на ее поверхности. Если вполне прозрачное тело погрузить в жидкость с тем же показателем преломления, как у данного тела, то оно станет невидимым, так как световые лучи пройдут через него, не изменяя ни своего направления, ни интенсивности.

Поглощение света ведет к потерям в световом потоке, энергия которого расходуется при этом главным образом на нагревание поглощающего тела. Как правило, стремятся избегать поглощения светового потока; иногда, впрочем, бывает необходимо обеспечить темный фон или устранить световые потоки нежелательного направления; при этом прибегают к сильно поглощающим покрытиям (например, чернение некоторых поверхностей внутри оптических приборов). Поглощение характеризуется коэффициентом поглощения , равным отношению светового потока  поглощенного телом, к световому потоку , падающему на тело:

.                             (76.1)

Отражение светового потока оценивается коэффициентом отражения , показывающим отношение отраженного потока  к падающему , т. е.

.                             (76.2)

Наконец, для характеристики пропускания света служит коэффициент пропускания , равный отношению пропущенного телом светового потока  к падающему , т. е.

.                            (76.3)

По закону сохранения энергии имеем

,

откуда на основании (76.1), (76.2) и (76.3) следует

.                            (76.4)

Итак, сумма коэффициентов поглощения, отражения и пропускания равна единице. Коэффициенты  зависят обычно от цвета (длины волны) света.

Как при отражении, так и при пропускании светового потока следует различать направленное и диффузное (рассеянное) отражение и пропускание.

При зеркальном отражении от плоской поверхности телесный угол светового потока не изменяется (рис. 162, а, в). При рассеянном отражении происходит увеличение телесного угла, в котором распространяется световой поток (рис. 162, 6, г). Увеличение может быть более или менее значительным в зависимости от свойств рассеивающей поверхности. Аналогично, направленное пропускание характеризуется сохранением телесного угла при прохождении потока сквозь тело, например прохождении света через плоскопараллельную пластинку (рис. 163, а). В противоположность этому диффузное пропускание сопровождается более или менее значительным увеличением телесного угла светового потока. Примером диффузно отражающей поверхности может служить матовая бумага; примером диффузно пропускающего материала — так называемые молочные стекла. Матовое стекло является одновременно и диффузным отражателем и диффузно пропускающей средой.

Рис. 162. Отражение светового потока от плоскостей поверхности: а) направленное отражение; диаграмма 6) не изменяется при изменении угла падения первичного пучка; в) направленное (зеркальное) отражение; параллельный пучок света, падающий на полированной металлическую поверхность, создает резко очерченный отраженный луч; г) диффузное отражение; при падении параллельного пучка световых лучей на белую бумагу свет отражается по всем направлениям.

Рис. 163. Пропускание света плоскопараллельной пластинкой: а) направленное пропускание; 6) диффузное пропускание. Диаграмма б) не меняется при изменении угла падения первичного пучка

Рассеивающие свойства поверхности характеризуются диаграммами, подобными изображенным на рис. 162, б и 163, б, где длины стрелок показывают, какая часть света рассеивается в том или ином направлении. Диффузно отражающие поверхности могут различаться также и по коэффициенту отражения, который для таких поверхностей обычно называют альбедо. Так, белая бумага для рисования имеет альбедо около . Очень высокое альбедо — около  — имеют поверхности, покрытые окисью магния (белый порошок, получающийся при сжигании металлического магния). Наоборот, очень малым альбедо обладает черный бархат — от  до .

При наблюдении земной поверхности с самолета и особенно при аэрофотосъемке большое значение имеет альбедо земных покровов и его зависимость от цвета (длины волны). Различные почвы имеют альбедо от  до, причем большие значения соответствуют области оранжево-красного цвета; пески мало отражают (около) в фиолетовой области, особенно важной при фотосъемке, но их альбедо в красной пасти повышается до. Трава и листья имеют альбедо до  в желто-зеленой части (особенно к осени); очень велико альбедо снега, достигающее  для всех цветов.