Die Wechselwirkungen von Licht und Materie

Die optischen Eigenschaften von Materie sind eine höchst nicht triviale Angelegenheit. Lassen Sie mich versuchen, einige der grundlegenden Mechanismen zu erklären.

Wie Sie wissen, kann Licht entweder als elektromagnetische Welle (auf makroskopischer Ebene angemessen) oder als aus Photonen bestimmter Energie und Frequenz bestehend (auf mikroskopischer Ebene angemessener) beschrieben werden.

Die Phänomene Absorption, Transmission, Reflexion etc. erfordern je nach Material oft beide Konzepte. Betrachten wir daher verschiedene Materialklassen:

Gase: Betrachten wir ein Gas, das aus einer Ansammlung von Atomen oder Molekülen besteht. Die Quantenmechanik sagt Ihnen, dass die Elektronen in diesen diskrete Orbitale (Atomorbitale oder Molekülorbitale) besetzen. Ein Photon mit der richtigen Energie kann Elektronen von niedrigeren zu höheren Orbitalen anregen. Wenn dies geschieht, wird das Photon zerstört (absorbiert). Folglich fehlt es im Sendestrahl. Da dies nur bei diskreten Energien geschieht, sehen Sie dies als schwarze Flecken im Spektrum, wenn Sie weißes Licht verwenden (dh Licht, das Photonen des gesamten sichtbaren Lichts enthält):

Das obige Bild zeigt zuerst das kontinuierliche Spektrum von weißem Licht, dann die Emissionslinien eines Elements und dann das Spektrum, das Sie sehen, wenn Sie weißes Licht betrachten, nachdem es dieses Gas passiert hat. Diese Informationen können verwendet werden, um unbekannte Elemente zu identifizieren und werden beispielsweise in der Astronomie verwendet, um festzustellen, woraus Sterne bestehen. Zusammenfassend ist der relevante Prozess hier das diskrete Energiespektrum von Gasen.

Festkörper: In Festkörpern "wechselwirken" die diskreten Energieniveaus der Atome miteinander und bilden kontinuierliche Bänder. Diese kontinuierlichen Bänder werden durch die Zustandsdichte beschrieben $D(E)$was Ihnen sagt, wie viele Zustände es in einem kleinen Intervall um die Energie herum gibt$E$. Sie füllen dann Ihr System mit Elektronen auf, beginnend mit der niedrigstmöglichen Energie und bis zu einer maximalen Energie, die als Fermi-Energie bezeichnet wird$E_F$. Wenn du Energie hast$E_1 < E_F$und eine Energie$E_2 > E_F$, und wenn$D(E_1) \not= 0$Und$D(E_2) \not= 0$, kann ein Photon prinzipiell absorbiert werden, wenn es Energie hat$E_2 - E_1$. In einem Halbleiter haben Sie eine Lücke im Band: Alle Bänder unterhalb der Fermi-Energie sind gefüllt, und alle Bänder oberhalb der Fermi-Energie sind leer, und der letzte besetzte und der erste unbesetzte Zustand sind durch eine Lücke getrennt$E_g$. Wenn also ein einfallendes Photon eine Energie hat, die niedriger als diese Lücke ist, wird es nicht absorbiert. Es sind jedoch auch viele andere Effekte am Werk. Auf makroskopischer Ebene interagiert Licht mit einem dielektrischen Medium, was durch die dielektrische Funktion gekennzeichnet ist$\varepsilon(\omega)$über

$$D(\omega) = \varepsilon(\omega) \cdot E(\omega)$$ Wo $D$ist die dielektrische Verschiebung und $E$ist das elektrische Feld. Die Funktion kann im Allgemeinen komplex sein. Dadurch entsteht ein komplexer Brechungsindex, dessen Imaginärteil der Absorptionskoeffizient ist. Der Reflexionsfaktor lässt sich aus dem Real- und dem Imaginärteil berechnen. Eine typische dielektrische Funktion sieht wie im Bild unten aus. Spitzen im Imaginärteil beziehen sich auf Absorption. Wenn also keine solchen Spitzen im sichtbaren Spektrum vorhanden sind, findet keine Absorption statt und das Material wird transparent.

Das starke Reflexionsvermögen von Metallen lässt sich am besten durch das Freie-Elektronen-Modell erklären. Da sich Elektronen in einem Modell relativ frei bewegen können, können sie die Schwingung einfallender Lichtwellen annehmen und Licht mit der gleichen Frequenz für einen weiten Frequenzbereich wieder aussenden.