Жарқыраған бөлшектердің шағылысуы: Diffuse шағылыс, жарықтың кездейсоқ бұрыштарда таралуы. Көру қабілеті үшін маңызды, беттердің көрінуін қамтамасыз етеді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
зарядталған бөлшектердің шағылысуы
Жарық шашыраған кездейсоқ бұрыштарда шағылысу
reflection of charged particles
Reflection with light scattered at random angles
Диффузиялық шағылыс – жарық немесе басқа толқындардың немесе бөлшектердің беттен шашырауы, онда бетке түскен сәуле тек бір бұрышта емес, көптеген бұрыштарда шашыратылады. Бұл, айна тәрізді шағылыстан өзгеше. Идеалды диффузиялық шағылыстыратын бет Ламберт шағылысын көрсетеді, яғни бетке жақын жарты кеңістіктегі барлық бағыттардан қарағанда бірдей жарық қарқындылығы байқалады. Гипс сияқты сіңірмейтін ұнтақтан, қағаз сияқты талшықтардан немесе ақ мәрмәр сияқты поликристалды материалдан жасалған бет жарықты өте тиімді түрде диффузиялық шағылысқа ұшыратады. Көптеген материалдар айна тәрізді және диффузиялық шағылыстың аралас түрлерін көрсетеді. Жарық шығаратын объектілерді есептемегенде, объектілердің көрінуіне негізінен жарықтың диффузиялық шағылысы себеп болады: бақылаушының көзіне объектінің бейнесін қалыптастыратын – осы диффузиялық шашыраған жарық.
Diffuse reflection is the reflection of light or other waves or particles from a surface such that a ray incident on the surface is scattered at many angles rather than at just one angle as in the case of specular reflection. An ideal diffuse reflecting surface is said to exhibit Lambertian reflection, meaning that there is equal luminance when viewed from all directions lying in the half space adjacent to the surface. A surface built from a non absorbing powder such as plaster, or from fibers such as paper, or from a polycrystalline material such as white marble, reflects light diffusely with great efficiency. Many common materials exhibit a mixture of specular and diffuse reflection. The visibility of objects, excluding light emitting ones, is primarily caused by diffuse reflection of light: it is diffusely scattered light that forms the image of the object in the observer's eye.
Механизм
Қатты денелердің диффуздық шағылысуы көбінесе беттің кедір-бұдырлығына байланысты емес. Көлеңкелі шағылыс үшін тегіс бет қажет, бірақ ол диффуздық шағылыстың алдын қалдырмайды. Өте жылтыратылған ақ мәрмәр ақ болып қалады; оны жылтыратудың өзі айнаға айналдырмайды. Жылтырату белгілі бір көлеңкелі шағылысты тудырады, бірақ қалған жарық диффуздық түрде шағылыса береді. Беттің диффуздық шағылысын қамтамасыз ететін ең жалпы механизм беттің өзіне тікелей қатысты емес: жарықтың көп бөлігі бет астындағы шашырату орталықтары арқылы беріледі, бұл 1-суретте көрсетілген. Егер бұл сурет қарды бейнелейтінін және көпбұрыштар оның (мөлдір) мұз кристалдары екенін көзге елестетсек, түсетін сәуле бірінші бөлшектен ішінара (бірнеше процент) шағылысып, оның ішіне еніп, екінші бөлшектің интерфейсінен қайта шағылысып, оның ішіне еніп, үшіншіге соқтығысады, және т.б. Бұл сәулелердің барлығы жарықты жұтпайтын қар кристалдары арқылы жүріп, бетке жетіп, кездейсоқ бағытта шығады. Нәтижесінде, шығарылған жарық барлық бағытта қайтарылады, сондықтан қар мөлдір материалдан (мұз кристалдарынан) жасалғанына қарамастан ақ болады. Түсініктілік үшін «шағылыс» туралы айтылады, бірақ көптеген материалдарды құрайтын кішкентай бөлшектер арасындағы интерфейс жарық толқын ұзындығымен салыстыратын масштабта тегіс емес, сондықтан әрбір интерфейсте бір шағылысқан сәуле емес, диффуздық жарық пайда болады, бірақ оқиғаны осылай да түсіндіруге болады. Бұл механизм өте жалпы, өйткені барлық кәдімгі материалдар біріктірілген «кішкентай заттардан» жасалған. Минералды материалдар көбінесе поликристаллды болады: оларды кішкентай, дұрыс емес пішінді кемшіліктері бар кристалдардың 3D мозаикасынан жасалған деп сипаттауға болады. Органикалық материалдар әдетте талшықтардан немесе жасушалардан тұрады, олардың мембраналары мен күрделі ішкі құрылымы бар. Әрбір интерфейс, біртектіліксіздік немесе кемшілік жарықты бұрып, шағылыстырып немесе шашыратып, жоғарыда айтылған механизмді қайта жасай алады. Диффуздық шағылысты тудырмайтын материалдар аз: олардың арасында жарық өткізбейтін металдар, газдар, сұйықтар, шыны және мөлдір пластик (сұйық сияқты аморфты микроскопиялық құрылым); кейбір асыл тастар немесе тұз кристалдары сияқты бір кристалдар; және көздің мүйіз қабығы мен линзасын құрайтын тіндер сияқты ерекше материалдар бар. Дегенмен, олардың беті микроскопиялық түрде кедір-бұдыр болса, мысалы, мұздатылған шыныда (2-сурет) немесе, әрине, олардың біртекті құрылымы нашарласа, көздің линзасының катарактасындай, бұл материалдар диффуздық түрде шағылысуы мүмкін. Бетте көлеңкелі және диффуздық шағылыс екеуі де болуы мүмкін, мысалы, үйді бояу үшін қолданылатын жылтыр бояулар, олар көлеңкелі шағылыстың бір бөлігін береді, ал матовый бояулар тек диффуздық шағылысты береді. Көптеген материалдар кейбір көлеңкелі шағылысты бере алады, егер олардың бетін жарық толқын ұзындығымен салыстыратын (микрометрдің бір бөлігі) бұзылыстарды жою үшін жылтыратуға болады. Материал мен беттің кедір-бұдырлығына байланысты, шағылыс көбінесе көлеңкелі, көбінесе диффуздық немесе аралықта болуы мүмкін. Сұйықтар мен шыны сияқты кейбір материалдарда жоғарыда сипатталған бет асты шашырау механизмін тудыратын ішкі бөліністер жоқ, сондықтан олар тек көлеңкелі шағылысты береді. Кәдімгі материалдардың ішінде, тек жылтыратылған металдар ғана жарықты айнадағы алюминий немесе күміс сияқты жоғары тиімділікпен көлеңкелі шағылыстыра алады. Барлық басқа кәдімгі материалдар, тіпті жақсы жылтыратылған кезде де, көлдегі жайылым бұрышындағы шағылысу немесе шыны призманың толық шағылысуы сияқты ерекше жағдайларды қоспағанда, бірнеше проценттен аспайтын көлеңкелі шағылысты береді немесе көптеген балық түрлерінің күміс түсті терісі немесе диэлектрлік айнаның шағылыстыратын беті сияқты белгілі бір күрделі конфигурацияларда құрылымдалған кезде. Диффуздық шағылыс, ақ материалдардағыдай, көптеген бет асты шағылыстарының жиынтығына байланысты өте тиімді болуы мүмкін.
Diffuse reflection from solids is generally not due to surface roughness. A flat surface is indeed required to give specular reflection, but it does not prevent diffuse reflection. A piece of highly polished white marble remains white; no amount of polishing will turn it into a mirror. Polishing produces some specular reflection, but the remaining light continues to be diffusely reflected. The most general mechanism by which a surface gives diffuse reflection does not involve exactly the surface: most of the light is contributed by scattering centers beneath the surface, as illustrated in Figure 1. If one were to imagine that the figure represents snow, and that the polygons are its (transparent) ice crystallites, an impinging ray is partially reflected (a few percent) by the first particle, enters in it, is again reflected by the interface with the second particle, enters in it, impinges on the third, and so on, generating a series of "primary" scattered rays in random directions, which, in turn, through the same mechanism, generate a large number of "secondary" scattered rays, which generate "tertiary" rays, and so forth. All these rays walk through the snow crystallites, which do not absorb light, until they arrive at the surface and exit in random directions. The result is that the light that was sent out is returned in all directions, so that snow is white despite being made of transparent material (ice crystals). For simplicity, "reflections" are spoken of here, but more generally the interface between the small particles that constitute many materials is irregular on a scale comparable with light wavelength, so diffuse light is generated at each interface, rather than a single reflected ray, but the story can be told the same way. This mechanism is very general, because almost all common materials are made of "small things" held together. Mineral materials are generally polycrystalline: one can describe them as made of a 3D mosaic of small, irregularly shaped defective crystals. Organic materials are usually composed of fibers or cells, with their membranes and their complex internal structure. And each interface, inhomogeneity or imperfection can deviate, reflect or scatter light, reproducing the above mechanism. Few materials do not cause diffuse reflection: among these are metals, which do not allow light to enter; gases, liquids, glass, and transparent plastics (which have a liquid like amorphous microscopic structure); single crystals, such as some gems or a salt crystal; and some very special materials, such as the tissues which make the cornea and the lens of an eye. These materials can reflect diffusely, however, if their surface is microscopically rough, like in a frost glass (Figure 2), or, of course, if their homogeneous structure deteriorates, as in cataracts of the eye lens. A surface may also exhibit both specular and diffuse reflection, as is the case, for example, of glossy paints as used in home painting, which give also a fraction of specular reflection, while matte paints give almost exclusively diffuse reflection. Most materials can give some specular reflection, provided that their surface can be polished to eliminate irregularities comparable with the light wavelength (a fraction of a micrometer). Depending on the material and surface roughness, reflection may be mostly specular, mostly diffuse, or anywhere in between. A few materials, like liquids and glasses, lack the internal subdivisions which produce the subsurface scattering mechanism described above, and so give only specular reflection. Among common materials, only polished metals can reflect light specularly with high efficiency, as in aluminum or silver usually used in mirrors. All other common materials, even when perfectly polished, usually give not more than a few percent specular reflection, except in particular cases, such as grazing angle reflection by a lake, or the total reflection of a glass prism, or when structured in certain complex configurations such as the silvery skin of many fish species or the reflective surface of a dielectric mirror. Diffuse reflection can be highly efficient, as in white materials, due to the summing up of the many subsurface reflections.
Түсті заттар
Осы уақытқа дейін жарық сіңірмейтін ақ заттар туралы айтылды. Бірақ жоғарыдағы схема материал жарықты сіңіретін жағдайда да қолданылады. Мұндай жағдайда, тараған сәулелер материал ішінде қозғалғанда кейбір толқын ұзындықтарын жоғалтады және түсті болып шығады. Диффузия заттардың түсіне маңызды әсер етеді, себебі ол материалдағы жарықтың орташа жолын анықтайды, соның салдарынан әртүрлі толқын ұзындықтары қаншалықты сіңіріледі. Қызыл сия бөтелкеде қара болып көрінеді. Оның айқын түсі тек шашыраңқы материалға (мысалы, қағазға) жаққанда ғана байқалады. Өйткені қағаз талшықтары (және сия) арқылы жарық миллиметрдің бір бөлігін ғана өтеді. Ал бөтелкеден шыққан жарық бірнеше сантиметр сиядан өтіп, тіпті қызыл толқын ұзындығында да күшті сіңіріледі. Түсті затта диффузиялық және күзгүлік шағылыс болғанда, көбінесе тек диффузиялық компонент түсті болады. Шершін қызыл жарықты диффузиялық түрде шағылыстырады, қалған барлық түстерді сіңіреді және негізінен ақ түсті күзгүлік шағылыс көрсетеді (егер түсетін жарық ақ болса). Бұл жалпы ереже, себебі металдардан басқа көптеген материалдардың шағылысу қабілеті олардың сыну көрсеткішіне байланысты, ол толқын ұзындығына байланысты аз өзгереді (бірақ осы өзгеріс призмадағы хроматикалық дисперсияны тудырады), сондықтан барлық түстер шамамен бірдей күшпен шағылысады.
Up to this point white objects have been discussed, which do not absorb light. But the above scheme continues to be valid in the case that the material is absorbent. In this case, diffused rays will lose some wavelengths during their walk in the material, and will emerge colored. Diffusion affects the color of objects in a substantial manner because it determines the average path of light in the material, and hence to which extent the various wavelengths are absorbed. Red ink looks black when it stays in its bottle. Its vivid color is only perceived when it is placed on a scattering material (e. g. paper). This is so because light's path through the paper fibers (and through the ink) is only a fraction of millimeter long. However, light from the bottle has crossed several centimeters of ink and has been heavily absorbed, even in its red wavelengths. And, when a colored object has both diffuse and specular reflection, usually only the diffuse component is colored. A cherry reflects diffusely red light, absorbs all other colors and has a specular reflection which is essentially white (if the incident light is white light). This is quite general, because, except for metals, the reflectivity of most materials depends on their refractive index, which varies little with the wavelength (though it is this variation that causes the chromatic dispersion in a prism), so that all colors are reflected nearly with the same intensity.
Көру қабілеті үшін маңызы
Көрінетін заттардың көп бөлігі олардың бетінен таралған шағылысу арқылы көрінеді. Полировкаланған (айнадай шағылыстыратын) беттері бар заттар мен өздігінен жарық шығаратын заттар бұл ереженің тым болмаса да қағидасынан тыс. Рейли шашырауы аспанның көк түсіне, ал Ми шашырауы бұлттардағы су тамшыларының ақ түсіне жауап береді.
The vast majority of visible objects are seen primarily by diffuse reflection from their surface. Exceptions include objects with polished (specularly reflecting) surfaces, and objects that themselves emit light. Rayleigh scattering is responsible for the blue color of the sky, and Mie scattering for the white color of the water droplets in clouds.
Бір-бірімен салыстыру
Диффузиялық өзара шағылысу – бір заттан шағылысқан жарық қоршаған басқа заттарға түсіп, оларды жарықтандыру процесі. Диффузиялық өзара шағылысу, әсіресе, жылтыр немесе айна тәрізді емес беттерден шағылысқан жарықты сипаттайды. Шын мәнінде, бұл жарық, жылтыр емес беттерден – мысалы, жерден, қабырғалардан немесе матадан – жарық көзіне тікелей көрінбейтін жерлерге шағылысып жетеді дегенді білдіреді. Егер диффузиялық бет түсті болса, шағылысқан жарық та сол түсті болады, нәтижесінде айналадағы заттар да сол түске боялады. 3D компьютерлік графикада диффузиялық өзара шағылысу – жаһандық жарықтандырудың маңызды құрауы. Көрсетілім жасау кезінде диффузиялық өзара шағылысуды модельдеудің бірнеше тәсілі бар. Радиоздық және фотон картасы – ең көп қолданылатын екі тәсіл.
Diffuse interreflection is a process whereby light reflected from an object strikes other objects in the surrounding area, illuminating them. Diffuse interreflection specifically describes light reflected from objects which are not shiny or specular. In real life terms what this means is that light is reflected off non shiny surfaces such as the ground, walls, or fabric, to reach areas not directly in view of a light source. If the diffuse surface is colored, the reflected light is also colored, resulting in similar coloration of surrounding objects. In 3D computer graphics, diffuse interreflection is an important component of global illumination. There are a number of ways to model diffuse interreflection when rendering a scene. Radiosity and photon mapping are two commonly used methods.
Спектроскопия
Диффузиялық рефлекциялық спектроскопияны ұнтақталған үлгілердің сіңіру спектрлерін анықтау үшін пайдалануға болады, егер жіберу спектроскопиясы қолданылмайтын жағдайда. Бұл UV Vis NIR спектроскопиясы немесе орта инфрақызыл спектроскопиясы үшін де қолданылады.
Diffuse reflectance spectroscopy can be used to determine the absorption spectra of powdered samples in cases where transmission spectroscopy is not feasible. This applies to UV Vis NIR spectroscopy or mid infrared spectroscopy.