Номер 4.2.10, страница 110, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

4.2.10. Какие вещества лучше отражают электромагнитные волны: металлы или диэлектрики? (Ответ:металлы.) Обоснуйте ответ.

Решение

Металлы отражают электромагнитные волны значительно лучше, чем диэлектрики. Это объясняется фундаментальными различиями в их электронной структуре и, как следствие, в механизме их взаимодействия с электромагнитным полем.

Основное отличие металлов от диэлектриков заключается в наличии в металлах огромного количества свободных носителей заряда — электронов проводимости. Эти электроны не связаны с конкретными атомами и образуют так называемый «электронный газ», способный свободно перемещаться по всему объему проводника. В диэлектриках же все электроны прочно связаны со своими атомами, и свободных зарядов практически нет.

Когда электромагнитная волна падает на поверхность металла, ее переменное электрическое поле $E$ вызывает вынужденные колебания свободных электронов. Эти коллективные упорядоченные колебания электронов создают в приповерхностном слое металла макроскопический переменный ток. Согласно классической электродинамике, любой заряд, движущийся с ускорением, излучает электромагнитные волны. Колеблющиеся электроны в металле становятся источниками вторичных волн. Эти вторичные волны интерферируют с падающей волной:

1. В направлении, обратном падающей волне, вторичные волны от всех электронов складываются и формируют сильную отраженную волну.

2. Внутри металла вторичные волны находятся почти в противофазе к падающей волне, что приводит к их взаимному гашению (деструктивной интерференции). В результате волна проникает в металл лишь на очень малую глубину (это явление известно как скин-эффект), где ее энергия быстро поглощается и превращается в тепло.

Таким образом, почти вся энергия падающей волны переизлучается металлом обратно в виде отраженной волны.

В диэлектрике, напротив, электрическое поле волны не может создать ток свободных зарядов. Оно лишь незначительно смещает связанные электроны относительно ядер, вызывая поляризацию атомов. Эти колеблющиеся диполи также излучают вторичные волны, но их амплитуда и общая интенсивность несравнимо меньше, чем у излучения, создаваемого свободными электронами в металле. В результате лишь небольшая часть волны отражается, а основная ее часть проходит вглубь диэлектрика (преломляется).

Количественно это подтверждается коэффициентом отражения $R$. Для хороших металлов, таких как серебро, $R$ превышает 95% для видимого света. Для типичного прозрачного диэлектрика, например, стекла с показателем преломления $n \approx 1.5$, коэффициент отражения при нормальном падении из воздуха составляет всего $R = \left(\frac{n-1}{n+1}\right)^2 = \left(\frac{1.5-1}{1.5+1}\right)^2 = 0.04$, то есть 4%.

Ответ: Металлы лучше отражают электромагнитные волны, поскольку наличие в них большого количества свободных электронов приводит к эффективному переизлучению энергии падающей волны в виде отраженной волны.