Erklärung von Reflexion und Brechung

Die Ausbreitung von Licht in Materie wird normalerweise als elektrische Welle in einem Medium mit einer anderen Dielektrizitätskonstante als der des Vakuums behandelt. Das ist das Wellenbild, und es hängt nicht vom „leuchtenden Äther“ ab. Die Reflexionsbedingung an einer flachen Oberfläche kommt von der Polarisation im Medium, die zu zwei ausgehenden Wellenlösungen führt, eine innerhalb des Mediums und eine außerhalb. Wenn die Dielektrizitätskonstante sehr hoch ist (wie in einem Metall unterhalb der Plasmafrequenz), beträgt die Energie in der Reflexion 100 % der ankommenden Welle.

Das Teilchenbild ist, dass Photonen, die durch ein Glasstück gehen, an einer Vielzahl von Stellen (jedem Atom) gestreut werden, und die Streuung hauptsächlich vorwärts gerichtet ist, aber mit einer Zeitverzögerung (oder, wenn Sie es vorziehen, einer Phasenverschiebung). erzeugt eine Gruppenverzögerung). Wenn die Photonen im Vergleich zur Atomgröße langwellig sind, spielen die Streuzentren keine Rolle (viele Atome überlappen jedes einzelne Photon), nur die Verzögerung. Bei Röntgenstrahlen führen die Streuzentren natürlich zu Beugungspeaks, nicht nur zu „Brechung“. Mir ist nicht klar, wie Beugung mit Photonen als Teilchen modelliert werden kann.

Denken Sie niemals, dass ein Photon in transparenten Medien ein Elektron zu einem Orbital mit höherer Energie anregt, es ist ein E-Feld, das die Orbitale innerhalb eines Atoms verändert. Dies wird allgemein als Stark-Effekt bezeichnet.
Die Atome polarisieren, ja; Elektronen beim Orbital-Hopping, nein. Ich werde den Zeeman-Effekt (magnetisch) außer Acht lassen, da eine signifikante magnetische Wechselwirkung in transparenten Materialien selten ist.

Reflexions- und Brechungswinkel und -koeffizienten werden im Teilchenbild durch Energie- und Impulserhaltung bestimmt, wobei das Photon im Medium eine gewisse Masse hat. Der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel ist eine subtile Folge von Zeitumkehrbarkeit und Symmetrie.

In beiden Bildern sind die Antworten die gleichen: Licht verlangsamt sich, weil das Material Ladungen enthält, die verschoben werden können, Atome, die zu Dipolen werden können, und hauptsächlich wird die an dieser Verschiebung oder Polarisation geleistete Arbeit nicht absorbiert, sondern nach a leichte Verzögerung wird an die Welle zurückgegeben.

Bei Reflexionen mit gleichem Ein- und Austrittswinkel sprechen wir von statistischen Vorgängen. Es ist offensichtlich, dass bei elastischer Streuung die Energie und der Impuls der beteiligten Photonen zu diesem Reflexionswinkel führen. Das tatsächliche Verhalten einzelner Photonen ist aus verschiedenen Gründen eine andere Sache:

• sie erreichen den Spiegel mit unterschiedlicher Phase ihrer elektrischen und magnetischen Feldkomponenten
• Das absorbierende und reemittierende Molekül befindet sich in einer anderen Position und Rotation als der ideale Punkt des Einfalls, und es befindet sich auch in Schwingung.

Vielleicht sind das noch nicht alle Randbedingungen. Wichtiger ist die Aussage, dass dieses Gesetz von Material und Sauberkeit der Spiegeloberfläche und der Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts abhängt. Bei anderen Wellenlängen oder anderen Materialien oder nicht polierten Oberflächen erhält man nicht das erhoffte Ergebnis.

Kurz gesagt, manchmal ist die Reflexion im statistischen Sinne ideal und verhält sich wie eine unelastische Streuung.

Es gibt einen Fall, in dem gleiche Winkel nicht mehr gelten. Unter einem gewissen Winkel ist das ausgehende Licht polarisiert und dies ist eine Asymmetrie und die unelastische Streuung kann nicht genauer das Modell sein.