I Newtons modell av ljus som består av partiklar är det lätt att föreställa sig reflektion som en återhämtning av enskilda kroppar från en yta. Men eftersom ljus också kan bete sig som en våg, utgör det en utmaning att visualisera reflektion.
Hur reflekterar en våg från en yta, oavsett om det är spegelreflektion eller diffus reflektion? Måste vågen först absorberas och sedan sändas ut igen? Eller finns det en annan mekanism?
Kommentarer
- Denna fråga diskuterar reflektion och brytning med kvantelektrodynamik: physics.stackexchange.com / q / 2041
- @Bjorn: Så från vad jag förstod absorberas fotoner verkligen och återges under reflektion. Varför är det då att infallsvinkeln är lika med reflektionsvinkeln? Logiskt sett måste det finnas en begränsad tid som elektronen håller på energin. När det strålas bort, varför är det inte i en slumpmässig riktning?
- De ' strålas inte slumpmässigt på grund av störningar. Jag kommer ihåg en bra Feynman-diskussion om det (jag tror i den andra av hans offentliga QED-föreläsningar ) – Jag tittade bara på tråden @Bjorn länkad till och Feynman ' s QED är huvudreferensen där.
- @ Simon, @ voithos: Ja och nej, de är faktiskt spridda slumpmässigt men i en superposition av alla möjliga riktningar . Kvantöverlagringsprincipen väljer sedan genom interferens den reflekterande (icke-slumpmässiga) riktningen som det klassiska huvudresultatet (mest sannolikt). Detta beskrivs på ett MYCKET bra sätt i den helt viktiga läsningen: " Feynman – QED Den konstiga teorin om ljus och materia. "
- @Bjorn: Det är sant att jag borde ha varit mer försiktig i min kommentar!
Svar
Jag fortsätter bara och skriver ner detta även om det redan har täckts av den andra tråden .. men jag skrev inte det så 🙂
Först om du tänker på ljus som en (skalär) våg (som verkligen är ett semi-klassiskt sätt att tänka men som kan vara tillräckligt för att svara på din fråga) kan du åberopa Huygen-Fresnel-principen som i det här fallet handlar om att betrakta varje punkt på den reflekterande ytan som en ursprung för en återutsänd sfärisk våg med en startfas som är direkt relaterad till den fas som punkten fick från den infallande vågfronten.
Överläggningen av dessa vågfronter, när du låter dem destruktivt störa varandra, kommer att till en ny kombinerad vågfront som sprider sig enligt Snells lag (infallsvinkel = reflektionsvinkel). Se den här bilden för motsvarande illustration av brytning (vilket är mycket lika, jag kunde inte snabbt hitta en bra bild av reflektion):
Nu beter sig ljuset inte ”ibland som en partikel, ibland som en våg”. Det detekteras alltid som kvantiteter (partiklar) men sannolikhetsamplituderna (faserna) sprids på ett våglikt sätt. Ett sätt att uttrycka förökningen är att säga att en foton är slags splittring och tar varje möjlig väg mellan A och B (eller, i fallet med en reflektor, från A till vilken punkt som helst på reflektorn och därifrån till punkt B på något sätt). Varje väg får ett fasbidrag, och alla oskiljbara vägar sammanfattas. De flesta vägar avbryter helt enkelt varandra men vissa stör konstruktivt och skapar ett stort bidrag (om du inte känner till QM är sannolikhetsamplituden i kvadrat sannolikheten för den beskrivna händelsen, så ett stort bidrag innebär att detta resultat sannolikt kommer att inträffa). Det finns en MYCKET bra bild och beskrivning av denna process i Feynman – QED The Strange Theory of Light and Matter (som jag skrev i kommentaren ovan).
När det gäller reflektorn inträffar det stora bidraget vid den klassiska reflektionsvinkeln (Snells lag igen). Lägg märke till likheten mellan denna formulering (kallad vägintegrerad strategi) och den halvklassiska princip som beskrivs ovan; detta är naturligtvis inte en tillfällighet.
Också för att kortfattat avvika från din underförstådda fråga på ”atomens” reflektionstid ”utan noll – att säga att en elektronbana absorberar fotonenergin ett tag återutsänder det en icke-noll tid senare är naturligtvis också en liten förenkling. I verkligheten interagerar elektronen med en foton, förändrar sin momentum lite, den återutsänder (interagerar) med den nya foton och ändrar sin momentum igen. Denna spridningsprocess inträffar vid alla tillåtna momenta och mellanliggande tider, som sedan överlagras som ovan och därför är jag inte säker på att det är meningsfullt att prata om någon märkbar reflektionstid. Lägg märke till att denna spridning i praktiken är väldigt annorlunda än spridning som kan excitera elektronen till en annan bana.
Kommentarer
- Ah, intressant. Jag tror att det sista stycket förmodligen var det mest hjälpsamma. Och när jag fortsätter att läsa alla verkar det som att slå upp Mr. Feynman ' s samtal och publikationer är ett bra sätt att lära sig mer om QM i allmänhet. : D
Svar
Egentligen anser jag att reflektion av en våg är enklare än reflektion av en partikel: säg vi har ett medium i vilket vågen enkelt kan fortplantas, det vill säga dess amplitud kan variera fritt och fylla någon form av vågekvation. Du kan föreställa dig det som en sekvens av oscillatorer, där var och en av dem alltid överför sin energi till nästa.
Om vi nu lägger en tegelvägg på vågens sätt skapar vi i princip bara en region där det finns inga eller mycket färre oscillatorer som tar över energin. Så vad gör vågen? Den kan inte fortsätta i den ursprungliga riktningen, det kan inte bli av med energin. Så oscillatorerna har inget annat val än att skicka tillbaka energin genom mediet.