Erklären Sie Reflexionsgesetze auf atomarer Ebene

Gemäß der Quantenelektrodynamik (QED) kann man sich Licht auf allen Wegen vorstellen. Die einzigen Pfade, die keine destruktive Interferenz erfahren, sind jedoch diejenigen in der Nachbarschaft von Pfaden mit stationärer (z. B. minimaler) Aktion (Zeit), was in Ihrem Fall der Pfad mit "gleichen Winkeln" ist.

Ich empfehle dringend, Feynmans QED: The Strange Theory of Light and Matter zu lesen . In dem Link finden Sie auch einen Link zum Video.

Mit QED in der Hand müssen Photonen anthropomorphisch also nicht wissen, wohin sie gehen sollen, weil sie überall hingehen. :)

Wenn Licht auf ein perfekt reflektierendes Material fällt, wird jedes Atom im Spiegel Photonen absorbieren und erneut emittieren, aber da das Atom ein Punktteilchen ist, wird es als kohärente Punktquelle in alle Richtungen erneut emittieren. Das Gesetz der Winkelgleichheit bei der Spiegelreflexion ist eine Folge der Tatsache, dass die Phase der reemittierten Strahlung eng an die lokale Phase des einfallenden Strahls gebunden ist . Der Einfallswinkel bestimmt die räumliche Variation dieser Phase und somit der relativen Phasen jeder sphärischen Quelle, die wiederum die Richtung bestimmen, in der sie konstruktiv interferieren.

Im Wesentlichen verhalten sich die Atome wie ein Phased Array wie das in diesem Applet ; das Hinzufügen weiterer Quellen verbessert die Kollimation des ausgehenden Strahls. Dadurch entstehen zwei Strahlen, von denen einer reflektiert wird und der andere die ankommende Welle destruktiv interferiert.

Kürzlich habe ich einen Blogbeitrag zu dem Thema geschrieben, wie Spiegel auf atomarer Ebene reflektieren – basierend auf diesem Beitrag . Die meisten Ihrer Fragen wurden bereits in dem von mir verlinkten Physics.SE-Beitrag beantwortet. Wie auch immer, hier geht es ...

In der klassischen Elektrodynamik lassen sich die Phänomene erklären, wenn man sich vorstellt, dass Licht aus oszillierenden elektrischen Feldern besteht. Licht dringt ein, lässt die atomaren Dipole (Polarisation) im Glas (als Isolator hat es Dipole) oszillieren, was wiederum bewirkt, dass die Dipole eine elektromagnetische Strahlung emittieren, die dieselbe Frequenz, aber mit einer gewissen Phasenverschiebung ($\pi/2$) relativ zu der ankommenden Welle, was dazu führt, dass sie hinterherhinkt. Zu beachten ist, dass die elektromagnetischen Wellen von den Dipolen überall abgestrahlt werden (nicht nur entlang der Einfallsrichtung). Nur stören sich die anderen Lichtwege destruktiv und heben sich gegenseitig auf. Die Vorwärtsstrahlung geht mit der Welle einher und das Material, das rückwärts reflektiert wird, ist das, was Sie als 4% reflektiertes Licht (von Glas) sehen.

Wenn die Welle auf die Metall-Glas-Grenzfläche trifft (denken Sie daran, dass Reflexion immer dann auftritt, wenn eine Fehlanpassung des Brechungsindex vorliegt ), werden die Atome hin und her geschüttelt. Aber dieses Mal wird die elektromagnetische Welle in eine Phase verschoben$\pi$(aufgrund der Leitfähigkeit von Metallen), wodurch die Vorwärtsstrahlung destruktiv interferiert und daher Licht nicht durch Metalle geht. Jetzt geht die rückwärtige Strahlung durch Glas, bekommt ein paar Partnerwellen und so sieht man sein Gesicht im Spiegel.

Nun, alles, was ich bisher erklärt habe, mag intuitiv sein und Sie auch zufrieden stellen, weil es die klassische Sichtweise ist, die denkbar ist. Pech..!!! Das erklärt nicht alles. Sie können nicht über den Weg eines einzelnen Photons sprechen oder was ein einzelnes Elektron in einem Atom tut . Es ist eine Verwechslung, eine Überlagerung aller Wahrscheinlichkeiten. Alles, womit Sie spielen können, sind die Chancen , wie das Zeug wahrscheinlich reflektiert wird usw. Darüber hinaus ist es, wie @Igor sagt , ein kollektives Phänomen. Ein Photon kann tun, was es will. Es kann mit allen Atomen gleichzeitig interagieren, mit allem. @aufkag hat also vollkommen recht. Und das ist, was passiert. Licht nimmt den kürzesten Weg (Weg mit minimaler Zeit), um den Detektor zu erreichen. In der 2D-euklidischen Ebene, dasgeodätisch ist eine gerade Linie.

Sie können eine Frage stellen: "Warum ändert sich die Frequenz nicht?" Die diskreten Energiepakete des Lichts (Photonen) werden entweder als Ganzes absorbiert oder nur ungestört weitergeleitet . Nur die Intensität wird beeinflusst. Wenn es anders wäre (wenn sich die Frequenz geändert hätte), könnten Sie bei Experimenten in Glas leicht feststellen, dass sich die Farbe des Lichts hätte ändern sollen (Blau wird rot und verschwindet schließlich aus unserem Blickfeld, wenn es in IR übergeht und Radioregion). Aber das passiert nicht.

Die Summe der Wege, die von all diesen Pfeilen beigetragen werden (die durch die benötigte Zeit konstruiert werden), ergibt den vom Licht genommenen Weg. Ich mag es hier nicht kurz zu machen. Aber ich empfehle dringend, Feynmans QED-Vorträge anzuschauen (insbesondere das zweite Video, in dem er die Anfälle der Reflexion erklärt).

Es gibt einige Möglichkeiten, sich dem zu nähern. Sichtbares Licht beträgt etwa 500 nm, während typische Atomdurchmesser in der Größenordnung von 0,5 nm liegen, um großzügig zu sein ( Zitat für Kohlenstoff ist 0,2 nm ). Aus dieser Sicht lassen sich also die rauen Eigenschaften der Oberfläche nicht auflösen. Jedes einzelne Atom absorbiert und strahlt jedoch abhängig von den Elektronen, die es umgeben, und die Energieniveaus, die die Elektronen einnehmen, hängen stark vom Material ab (seiner Bandstruktur ). Zum Beispiel lässt Glas viel sichtbares Licht durch, weil es keine verfügbaren Energieniveaus gibt, in die Elektronen gehen können, wenn sie sichtbares Licht absorbieren, aber es kann UV-Licht blockieren, weil diese Energieniveaus verfügbar sind.

Außerdem ist bei Röntgenstrahlen die Wellenlänge kurz genug, dass einzelne Atome aufgelöst werden können. Da Photonen von benachbarten Atomen deutlich phasenverschoben sind, interferieren sie und statt einer schönen Spiegelreflexion wie von einem Spiegel erhalten Sie starke Beugungsminima und -maxima. Dies ist die Grundlage der Röntgenkristallographie .