Odbicie rozproszone

Rysunek 1 – Ogólny mechanizm odbicia rozproszonego od powierzchni stałej (zjawiska załamania nie są przedstawione)

.

Rysunek 2 – Odbicie rozproszone od nieregularnej powierzchni

Odbicie rozproszone od ciał stałych na ogół nie wynika z chropowatości powierzchni. Płaska powierzchnia jest rzeczywiście wymagana do uzyskania odbicia lustrzanego, ale nie zapobiega ona odbiciu rozproszonemu. Kawałek wysoko wypolerowanego białego marmuru pozostaje biały; żadna ilość polerowania nie zmieni go w lustro. Polerowanie powoduje pewne odbicie lustrzane, ale pozostałe światło nadal jest odbijane dyfuzyjnie.

Najbardziej ogólny mechanizm, dzięki któremu powierzchnia daje odbicie rozproszone, nie obejmuje dokładnie powierzchni: większość światła jest wnoszona przez centra rozpraszające pod powierzchnią, jak pokazano na rysunku 1.Jeśli wyobrazimy sobie, że rysunek przedstawia śnieg, a wielokąty to jego (przezroczyste) kryształy lodu, padający promień jest częściowo odbijany (w kilku procentach) przez pierwszą cząstkę, wchodzi w nią, jest ponownie odbijany przez interfejs z drugą cząstką, wchodzi w nią, uderza w trzecią, i tak dalej, generując serię „pierwotnych” promieni rozproszonych w losowych kierunkach, które z kolei, poprzez ten sam mechanizm, generują dużą liczbę „wtórnych” promieni rozproszonych, które generują promienie „trzeciorzędne”, i tak dalej. Wszystkie te promienie przechodzą przez krystality śniegu, które nie pochłaniają światła, aż docierają do powierzchni i wychodzą w przypadkowych kierunkach. W rezultacie światło, które zostało wysłane jest zwracane we wszystkich kierunkach, więc śnieg jest biały, mimo że jest wykonany z przezroczystego materiału (kryształków lodu).

Dla uproszczenia, mówi się tu o „odbiciach”, ale bardziej ogólnie interfejs pomiędzy małymi cząsteczkami, które tworzą wiele materiałów jest nieregularny w skali porównywalnej z długością fali świetlnej, więc światło rozproszone jest generowane na każdym interfejsie, a nie pojedynczy promień odbity, ale historia może być opowiedziana w ten sam sposób.

Mechanizm ten jest bardzo ogólny, ponieważ prawie wszystkie powszechne materiały są wykonane z „małych rzeczy” trzymanych razem. Materiały mineralne są generalnie polikrystaliczne: można je opisać jako wykonane z trójwymiarowej mozaiki małych, nieregularnie ukształtowanych wadliwych kryształów. Materiały organiczne składają się zazwyczaj z włókien lub komórek, z ich membranami i złożoną strukturą wewnętrzną. A każdy interfejs, niejednorodność lub niedoskonałość może odchylać, odbijać lub rozpraszać światło, odtwarzając powyższy mechanizm.

Niewiele materiałów nie powoduje odbicia rozproszonego: wśród nich są metale, które nie pozwalają światłu wejść; gazy, ciecze, szkło i przezroczyste tworzywa sztuczne (które mają ciekłą amorficzną strukturę mikroskopową); pojedyncze kryształy, takie jak niektóre kamienie szlachetne lub kryształ soli; i niektóre bardzo specjalne materiały, takie jak tkanki, które tworzą rogówkę i soczewkę oka. Materiały te mogą jednak odbijać światło rozproszone, jeśli ich powierzchnia jest mikroskopijnie chropowata, jak w przypadku szronu (rysunek 2), lub oczywiście, jeśli ich jednorodna struktura ulega pogorszeniu, jak w przypadku zaćmy soczewki oka.

Powierzchnia może również wykazywać zarówno odbicie zwierciadlane, jak i rozproszone, jak to ma miejsce na przykład w przypadku farb błyszczących stosowanych w malarstwie domowym, które dają również ułamek odbicia zwierciadlanego, podczas gdy farby matowe dają prawie wyłącznie odbicie rozproszone.

Większość materiałów może dawać pewne odbicie zwierciadlane, pod warunkiem, że ich powierzchnia może być wypolerowana w celu wyeliminowania nieregularności porównywalnych z długością fali świetlnej (ułamek mikrometra). W zależności od materiału i chropowatości powierzchni, odbicie może być w większości spekularne, w większości rozproszone, lub gdziekolwiek pomiędzy. Niektóre materiały, takie jak ciecze i szkła, nie posiadają wewnętrznych podziałów, które wytwarzają opisany powyżej mechanizm rozpraszania podpowierzchniowego, a więc dają tylko odbicie lustrzane. Wśród powszechnie stosowanych materiałów, tylko polerowane metale mogą odbijać światło z dużą wydajnością, jak w przypadku aluminium lub srebra stosowanego w lustrach. Wszystkie inne powszechnie stosowane materiały, nawet gdy są doskonale wypolerowane, zwykle dają nie więcej niż kilka procent odbicia zwierciadlanego, z wyjątkiem szczególnych przypadków, takich jak odbicie pod kątem wypasania w jeziorze lub całkowite odbicie w szklanym pryzmacie, lub gdy mają strukturę w pewnych złożonych konfiguracjach, takich jak srebrzysta skóra wielu gatunków ryb lub powierzchnia odbijająca lustra dielektrycznego. Odbicie rozproszone może być bardzo wydajne, jak w przypadku białych materiałów, ze względu na sumowanie się wielu odbić podpowierzchniowych.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.