Cum funcționează oglinda?

Oglinda joacă un rol important nu numai în istoria Albă-ca-Zăpada, ci și în viața noastră de zi cu zi și este, de asemenea, un instrument esențial pentru astronomie și alte domenii de cercetare, prin gama sa largă de diferite dispozitive optice. Și reflecția a devenit și un simbol al cunoașterii, al reprezentării lumii, una dintre pietrele de temelie ale gândirii noastre. Dar cât de bine cunoaștem mecanismul prin care o oglindă reflectă lumina, o focalizează, o mărește sau apropie stelele îndepărtate? Putem ilustra multe dintre legile opticii cu o simplă analogie atunci când ne imaginăm mici bile care sărit elastic de la o oglindă și își continuă drumul în linie dreaptă, dar această imagine nu spune prea multe despre procesul real care are loc între materialul oglinzilor și al luminii. Prin urmare, merită să ne gândim puțin mai profund la aceste procese.

Cum se face o oglindă?

O oglindă poate fi creată prin aplicarea unui strat subțire de metal pe o foaie de sticlă uniformă. Dar de ce metalele au proprietatea de a reflecta lumina cu o eficiență bună? Înțelegerea acestui lucru este ajutată de înțelegerea proprietăților de conductivitate electrică a metalelor. Cheia procesului constă în mișcarea electronilor. Electronii sunt localizați în diferite cochilii din atomi, orbite de energie mai mare sunt întotdeauna mult mai difuze, rulând distanțe mai mari măsurate de la nucleul atomului. Metalele se caracterizează prin faptul că există doar unul sau doi electroni pe orbita exterioară, care pot fi îndepărtați cu ușurință de acolo. În metalele pure, aceste piste externe se conectează și formează o rețea extinsă, acestea sunt numite benzi.

În aceste benzi, capacitatea de absorbție a electronilor este finită, ceea ce rezultă dintr-o proprietate specială a electronului: acesta este principiul de excludere stabilit de fizicianul teoretic elvețian-american de origine austriacă Wolfgang Pauli. Principiul interzice doi fermioni în aceeași stare mecanică cuantică, adică particulele pe jumătate de spin, cum ar fi electronii, să se afle pe aceeași orbită. Datorită principiului excluderii, vor exista benzi în metal care sunt complet încărcate pe jumătate. Desigur, există și benzi goale, dar electronul poate ajunge aici doar cu o investiție mare de energie. Rolul cheie în conducere este jucat de benzile pe jumătate încărcate, deoarece aici este posibil ca electroni suplimentari să ajungă acolo. Aceasta se numește banda de conducere. Distribuția energiei electronilor, ale cărei reguli decurg din principiul excluziunii menționate mai sus, a fost studiată de fizicianul italian Enrico Fermi.

Cu toate acestea, principiul Pauli nu se aplică bosonilor cu spin întreg în care orice număr de particule poate fi pe aceeași orbită. Acesta este motivul pentru care superconductivitatea este cauzată atunci când, sub o temperatură critică, o anumită interacțiune „împachetează” doi electroni pentru a forma bosoni.

Cât de repede curg electronii în fire?

Cum curge curentul în linie? Să ilustrăm acest lucru cu o analogie! Imaginați-vă o conductă orizontală cu două capete pe jumătate închise de o placă, aceasta determină cantitatea de apă care poate fi stocată în conductă. Dacă excesul de apă este turnat într-un capăt al conductei, nivelul apei va crește și excesul va curge peste cealaltă parte. Ceva similar se întâmplă atunci când punem o diferență de tensiune electrică între cele două capete ale unui fir și curentul electric începe. Cât durează curentul să treacă prin fir? Când aprindem lampa, aceasta va fi strălucitoare aproape imediat. Ar călători electronii din sârmă atât de repede? Nu, de fapt, viteza de deriva a electronilor este surprinzător de lentă - dacă ar trebui să așteptați acest lucru, ar fi nevoie de ore până când lampa să se aprindă. Viteza reală a curentului este determinată de cât de repede crește „nivelul apei”, adică excesul de electron ajunge la bec. Dacă robinetul de apă este deschis, apa va începe să curgă imediat, dar dacă apa a fost sigilată în prealabil și conductele sunt goale, va trebui să așteptați să se umple.

Ce este blocarea fluxului de electroni?

Mișcarea electronilor care curg în banda de conducere se ciocnește cu adolii datorită coliziunii electronilor în mișcare cu atomii metalici. În timpul acestui proces, o parte din energia curentului electric se pierde și se creează vibrații mai intense în rețeaua metalică, crescându-i temperatura. Această rezistență la curgere determină cât de mult curent poate genera diferența de tensiune electrică în linie conform legii lui Ohm: Eu = U/R, unde curentul a fost amper, tensiunea, rezistența R este de obicei dată în unități. Rezistența depinde de geometria firului, crește odată cu lungimea l a firului, scade odată cu secțiunea transversală A și depinde și de materialul metalului. Acesta din urmă este exprimat prin rezistența specifică ρ:

Buna conductivitate a metalelor se caracterizează printr-o rezistivitate scăzută, de exemplu 0,016 μΩ · m pentru argint și 0,028 μΩ · m pentru aluminiu, în timp ce rezistența izolatorilor este cu multe ordine de mărime mai mare, iar cea a semiconductoarelor este între cele două. Datorită valorii reduse a rezistivității, metalele sunt potrivite pentru fabricarea oglinzilor. Argintul cu o conductivitate bună atinge o eficiență de 98-99 la sută, în timp ce aluminiu mai puțin conductiv are o eficiență de aproximativ 85-90 la sută.

De ce rezistența specifică determină eficiența reflexiei?

Dar de ce reflectivitatea depinde de conductivitatea electrică? Acest lucru poate fi înțeles prin interacțiunea fotonilor și a electronilor de conducție. Să ne întoarcem la comparația cu apa, dar acum imaginați-vă o oglindă de apă plată! Când bate vântul, suprafața se unduiește și vântul mai puternic face valuri. Un lucru similar se întâmplă în „marea” electronilor, unde fotonii provoacă acest efect. Câmpul electric rotativ al fotonilor face ca electronii să vibreze la propria frecvență. Electronii ondulați, când lovesc atomii rețelei metalice, își transferă parțial energia, mai puțin în argint, mai mult în aluminiu. Cu toate acestea, undele electronice nu supraviețuiesc, dispar momentan, emitând un foton de aceeași frecvență: aceasta este lumina reflectată. Procesul este instantaneu, pe care îl putem vedea singuri, pentru că dacă oprim lampa din camera noastră, oglinda nu va emite lumină, ci va rămâne întunecată. Reflecția imediată se reflectă și în faptul că putem urmări mișcările în oglindă fără întârziere.

Autorul este fizician, profesor onorific la BME și ELTE. Qubiten este o serie anterioară de scriere numită Aventuri în fizică poate fi citit aici.