In Newtons Lichtmodell, das aus Partikeln besteht, kann man sich Reflexion leicht als Rückprall einzelner Körperchen von einer Oberfläche vorstellen. Da sich Licht jedoch auch wie eine Welle verhalten kann, stellt es eine Herausforderung bei der Visualisierung der Reflexion dar.
Wie wird eine Welle von einer Oberfläche reflektiert, sei es Spiegelreflexion oder diffuse Reflexion? Muss die Welle zuerst absorbiert und dann wieder emittiert werden? Oder gibt es einen anderen Mechanismus?
Kommentare
- In dieser Frage wird die Reflexion und Brechung durch Quantenelektrodynamik erörtert: physics.stackexchange.com / q / 2041
- @Björn: Soweit ich verstanden habe, werden Photonen während der Reflexion tatsächlich absorbiert und wieder emittiert. Warum ist der Einfallswinkel dann gleich dem Reflexionswinkel? Logischerweise muss es eine begrenzte Zeit geben, in der das Elektron an der Energie festhält. Wenn es weggestrahlt wird, warum ist es nicht in eine zufällige Richtung?
- Sie ' werden aufgrund von Interferenzen nicht zufällig abgestrahlt. Ich erinnere mich an eine gute Feynman-Diskussion darüber (ich denke in der 2. seiner öffentlichen QED-Vorträge ) – ich habe mir nur den Thread @Bjorn angesehen, der mit und Feynman ' s QED ist dort die Hauptreferenz.
- @ Simon, @ voithos: Ja und nein, sie sind zwar zufällig verstreut, aber in einer Überlagerung aller möglichen Richtungen . Das Quantenüberlagerungsprinzip wählt dann durch Interferenz die reflektierende (nicht zufällige) Richtung als das klassische (bei weitem wahrscheinlichste) Hauptergebnis aus. Dies wird in der absolut wesentlichen Lesart SEHR gut beschrieben: " Feynman – QED Die seltsame Theorie von Licht und Materie. "
- @Bjorn: Richtig, ich hätte in meinem Kommentar vorsichtiger sein sollen!
Antwort
Ich werde einfach weitermachen und dies aufschreiben, obwohl es bereits im anderen Thread behandelt wurde. Aber ich habe dort nicht so gepostet 🙂
Zuerst, wenn Sie an Licht denken Als (skalare) Welle (die eigentlich eine halbklassische Denkweise ist, aber zur Beantwortung Ihrer Frage ausreichen könnte) können Sie das Huygen-Fresnel-Prinzip aufrufen, das in diesem Fall darauf hinausläuft, jeden Punkt auf der reflektierenden Oberfläche als zu betrachten Ursprung einer wieder emittierten sphärischen Welle mit einer Startphase, die in direktem Zusammenhang mit der Phase steht, die der Punkt von der einfallenden Wellenfront erhalten hat.
Die Überlagerung dieser Wellenfronten, nachdem Sie sie sich gegenseitig destruktiv stören lassen, beträgt zu einer neuen kombinierten Wellenfront die sich nach dem Snells-Gesetz ausbreitet (Einfallswinkel = Reflexionswinkel). In diesem Bild finden Sie die entsprechende Darstellung der Brechung (die sehr ähnlich ist, ich konnte nicht schnell ein gutes Bild der Reflexion finden):
Nun, Licht „verhält sich“ wirklich nicht „manchmal als Teilchen, manchmal als Welle“. Es wird immer als Quanten (Partikel) erfasst, aber die Wahrscheinlichkeitsamplituden (Phasen) breiten sich wellenförmig aus. Eine Möglichkeit, die Ausbreitung auszudrücken, besteht darin, zu sagen, dass ein Photon sozusagen gespalten ist und jeden möglichen Weg zwischen A und B nimmt (oder im Fall eines Reflektors von A zu einem beliebigen Punkt auf dem Reflektor und dann von dort zu Punkt B. auf jeden Fall). Jeder Pfad erhält einen Phasenbeitrag und alle nicht unterscheidbaren Pfade werden summiert. Die meisten Pfade heben sich einfach gegenseitig auf, aber einige stören sich konstruktiv und erzeugen einen großen Beitrag (falls Sie QM nicht kennen, ist die quadratische Wahrscheinlichkeitsamplitude die Wahrscheinlichkeit des beschriebenen Ereignisses, sodass ein großer Beitrag bedeutet, dass dieses Ergebnis höchstwahrscheinlich auftritt). Es gibt ein SEHR gutes Bild und eine Beschreibung dieses Prozesses in Feynman – QED Die seltsame Theorie von Licht und Materie (wie ich im obigen Kommentar geschrieben habe).
Im Fall des Reflektors tritt der große Beitrag auf im klassischen Reflexionswinkel (wieder Snells Gesetz). Beachten Sie die Ähnlichkeit zwischen dieser Formulierung (als Pfadintegralansatz bezeichnet) und dem oben beschriebenen halbklassischen Prinzip. Dies ist natürlich kein Zufall.
Um auch kurz auf Ihre implizite Frage nach der „Reflexionszeit“ pro Atom ungleich Null einzugehen – zu sagen, dass eine Elektronenbahn die Photonenenergie für eine Weile absorbiert Eine spätere Zeit ungleich Null ist natürlich auch eine leichte Vereinfachung. In Wirklichkeit interagiert das Elektron mit dem a-Photon, ändert seinen Impuls ein wenig, emittiert (interagiert) mit dem neuen Photon und ändert seinen Impuls erneut. Dieser Streuprozess findet zu allen erlaubten Momenten und Zwischenzeiten statt, die dann alle wie oben überlagert sind, und daher bin ich mir nicht sicher, ob es sinnvoll ist, über eine nennenswerte Zeit des Reflexionsvermögens zu sprechen. Beachten Sie, dass sich diese Streuung in der Praxis stark von der Streuung unterscheidet, die das Elektron in eine andere Umlaufbahn anregen kann.
Kommentare
- Ah, interessant. Ich denke, der letzte Absatz war wahrscheinlich der hilfreichste. Und da ich immer wieder alle lese, scheint es, als ob die Vorträge und Veröffentlichungen von Herrn Feynman ' eine gute Möglichkeit sind, mehr über QM im Allgemeinen zu erfahren. : D
Antwort
Eigentlich halte ich die Reflexion einer Welle für einfacher als die Reflexion eines Teilchens: Sagen wir ein Medium haben, in dem sich die Welle leicht ausbreiten kann, dh ihre Amplitude kann frei variieren und eine Art Wellengleichung erfüllen. Sie können es sich als eine Folge von Oszillatoren vorstellen, bei denen jeder von ihnen seine Energie immer an den nächsten weitergibt.
Wenn wir jetzt der Mauer eine Mauer in den Weg stellen, schaffen wir im Wesentlichen nur eine Region, in der Es gibt keine oder viel weniger Oszillatoren, die die Energie übernehmen können. Was macht die Welle also? Sie kann nicht in die ursprüngliche Richtung weitergehen, es gibt keine Möglichkeit, die Energie loszuwerden. Also haben die Oszillatoren keine andere Wahl, als die Energie durch das Medium zurückzusenden.