Ist Reflexion und Brechung dasselbe - Lichtreflexion?

Dies ist einer der Orte, an denen der Wellen-Teilchen-Dualismus einige Leute in Schwierigkeiten bringt. Vielen wird beigebracht, dass dies bedeutet, dass Licht eine Welle und ein Teilchen sein kann und dass die Formulierung zu einiger Verwirrung führen kann. Ich finde es intuitiver, einfach schnell das Pflaster abzureißen und zu sagen, Licht ist weder eine Welle noch ein Teilchen. Es ist etwas, das in manchen Situationen gut als Welle und in manchen Situationen gut als Teilchen modelliert werden kann, aber es ist etwas Eigenes (das in allen bekannten Fällen mit einem komplizierteren Konzept gut modelliert werden kann , eine "Wellenfunktion").

Sie können sich vorstellen, dass Photonen zufällig an der Grenze reflektiert oder übertragen werden, aber die Wahrheit ist, dass das Billardkugel-Photonenmodell wirklich nicht sehr effektiv ist, um zu beschreiben, was an dieser Grenze passiert. Dies ist einer der Bereiche, in denen die Wellenmechanik die Effekte sehr gut modelliert, während Partikelmodelle nicht so gut abschneiden. Wenn Sie die Wellenmechanik verwenden, ist die Vorstellung, dass eine Welle teilweise reflektiert und teilweise übertragen wird, überhaupt nicht schwer zu glauben. Tatsächlich ist es ziemlich einfach zu beweisen.

Das Denken in Wellen an diesen Grenzen gibt auch in besonderen Situationen, in denen das Teilchenmodell einfach auf die Nase fällt, die richtigen Antworten. Betrachten Sie den interessanten Fall einer „evaneszenten Welle“.

Bei diesem Aufbau werden der Laser und das Prisma in den richtigen Winkeln aufgestellt, um eine „totale interne Reflexion“ zu verursachen. Das bedeutet, dass bei den einfachen Modellen 100 % des Lichts von der Seite des Prismas in den Detektor reflektiert werden sollte. Wenn sich das Prisma im Freien befindet, sehen wir tatsächlich eine 100% ige Reflexion (na ja, innerhalb der Fehlerbalken der Absorption). Bringen Sie jedoch ein Objekt in die Nähe des Prismas (ohne es zu berühren), und die Dinge ändern sich. Am Ende sehen Sie Effekte vom Objekt, obwohl 100 % des Lichts reflektiert werden sollten!

Wenn Sie an Licht wie Photonen denken, ist dies schwer zu erklären. Wenn Sie es als Welle betrachten, die von den Maxwell-Gleichungen bestimmt wird, sehen Sie, dass Sie das Energieerhaltungsgesetz verletzen würden, wenn es eine "reine" Reflexion gäbe. Stattdessen erzeugt es eine Reflexion und eine "abklingende Welle", die sich außerhalb des Prismas befindet und deren Stärke exponentiell abfällt, was mit Teilchen wirklich schwer zu erklären ist!

Natürlich sind auch dies alles Vereinfachungen. Die eigentliche Antwort auf Ihre Frage ist, dass die Wellenfunktion des Lichts mit den elektromagnetischen Feldern der Atome im Prisma interagiert und das Ergebnis dieser Wechselwirkung zu Reflexion, Brechung, Diffusion, Absorption und gedämpften Wellen führt. Allerdings sind diese Gleichungen natürlich etwas schwerer zu verstehen, also verwenden wir die älteren, einfacheren Modelle aus der Zeit vor der Quantenmechanik. Wir müssen nur sicher sein, diejenige zu verwenden, die in einer bestimmten Situation am besten geeignet ist, da keine von ihnen ganz richtig ist.

was bestimmt, ob ein Lichtstrahl reflektiert oder gebrochen wird.

Beim Übergang von einem Medium zum anderen gibt es drei mögliche Wirkungen von Photonen:

1. Der Strahl wird reflektiert. Das Photon hat Impuls und ein Teil dieses Impulses geht auf das Medium über und das reemittierte (reflektierte) Photon hat weniger Energieinhalt und seine Wellenlänge ist rotverschoben.
2. Der Strahl geht in ein dichteres Medium und die Photonen bewegen sich mit geringerer Vakuumlichtgeschwindigkeit durch dieses Medium. Dadurch wird das Photon gebeugt (gebrochen).
3. Der Strahl tritt in ein weniger dichtes Medium ein und das Photon bewegt sich mit größerer Geschwindigkeit als in dem dichteren Medium. dadurch wird das Photon in die entgegengesetzte Richtung zu Fall 2 gebrochen.

In der Regel finden Fall 1 und 2 sowie 1 und 3 gemeinsam statt.

Einige theoretische Fakten

Jeder Lichtstrahl besteht aus Photonen (dies ist leicht zu sehen, wenn man sich mit der Lichterzeugung befasst, die immer aus angeregten subatomaren Teilchen erfolgt).

Photonen sind unteilbare Quanten und konnten während ihres Lebens nicht zwischen Emission und Absorption aufgeteilt werden.

Bei reflektierten Photonen sind Einfalls- und Austrittswinkel identisch. Dies wird in Spiegelteleskopen verwendet, die keine chromatische Aberrivation haben .

Bei gebrochenen Photonen - wie in diesem Prisma - hängt der Brechungswinkel von deren Wellenlänge ab:

Aber die Wellenlängen der Photonen bleiben gleich und die Photonen werden nicht in ein gebrochenes und ein reflektiertes Photon gespalten.

Ihre Vermutungen

Also deine erste Vermutung

Was ist mit jedem einzelnen Photon? Wird das Photon in zwei Teile geteilt und eine Hälfte wird reflektiert, während die andere gebrochen wird?

stimmt nicht.

werden einige Photonen reflektiert und andere gebrochen, und wenn ja, was bestimmt, was mit welchem ​​Photon passiert?

Vielleicht wissen Sie, dass Photonen sowohl senkrecht zur Ausbreitungsrichtung als auch zueinander eine elektrische und eine magnetische Feldkomponente haben. Ich werde mich auf die elektrische Feldkomponente konzentrieren, aber alles, was jetzt gesagt wird, gilt auch für die magnetische Feldkomponente. Die Richtung des elektrischen Feldes von Photonen einer thermischen Quelle (Glühbirne, Feuer, ...) ist zufällig um 360° verteilt.

Abhängig vom Winkel, in dem der Strahl auf das Prisma gerichtet ist, geht mehr (oder weniger) Licht durch das Prisma und weniger (oder mehr) Licht wird reflektiert. Es wurde festgestellt, dass die beiden Strahlen polarisiert sind. Das heißt, das elektrische Feld der Photonen hat eine Vorzugsrichtung.

Polarisation des Lichts

Was passiert mit den Photonen? Mit polarisiertem Licht sehen Sie, was passiert. Drehen Sie die Polarisationsrichtung und Sie werden sehen, dass das Licht in einem Moment mehr und mehr reflektiert wird und 90° später mehr durch das Prisma dringt. Die Richtung des elektrischen Feldes des Photons bestimmt also das Verhalten der Wechselwirkung mit dem Prisma.

Sie fragen, wie sich ein einzelnes Photon „entscheidet“, zu reflektieren. (Dies sind Feynmans Worte, Seite 24 von QED.) Feynman sagt, wir wissen es nicht. Auch Newton hat 1704 über genau diese Frage spekuliert, man kann also sehen, dass sehr wenig Fortschritte gemacht wurden!

RF vermutet, dass die Frage keine Bedeutung hat, geht aber nicht näher darauf ein. Er sagt nur, dass wir bei der Berechnung von Wahrscheinlichkeiten feststecken. Das ist es! (siehe Seite 18-24 der QED für diese Diskussion)

Das ist keine sehr befriedigende Antwort, zumindest für mich. Was Ihnen bleibt, ist nicht-deterministische Wissenschaft, die Quoten berechnet wie ein Buchmacher auf einer Rennstrecke. Nun, nicht ganz so schlimm, da wir genaue Wahrscheinlichkeiten kennen. Aber die Wahrscheinlichkeiten sind alle gleich.

Gespenstisches Zeug, im Herzen.

1) Das ist falsch. Photonen können nicht gespalten werden, Energie ist quantisiert.

2) Das ist etwas korrekter. Das ist nicht ganz richtig, aber wenn man in diese Richtung denkt, erhält man etwas sinnvollere Ergebnisse. Ein vollständigeres Bild ist wie folgt. Wenn ein einzelnes Photon auf die Grenze trifft, geht es in eine Quantenüberlagerung von Brechung und Reflexion über. Das ist, wenn Sie eine Messung durchführen, in welche Richtung das Photon geht, R% der Zeit, in der es reflektiert wird, und T% der Zeit, in der es in das Medium übertragen und gebrochen wird. Man könnte sagen, dass sich das Photon in einer Überlagerung befindet und die Messung das System entweder in den Zustand der Photonenreflexion oder in den Zustand der Photonenbrechung kollabiert. Wenn Sie das Experiment mit 10 ^ 16 Photonen durchführen, sieht es so aus, als ob T% dieses Strahls in die eine Richtung und R% in die andere Richtung gehen. Ich möchte darauf hinweisen, dass es hier keine Probleme mit Energie gibt.

3) Diese Frage ist allgegenwärtig. Sie fragen nach einem mikroskopischen Bild von Reflexion und Brechung. Antwort der klassischen Physik: Das elektromagnetische Feld treibt elektrische Dipole im Material an. Diese Dipole modifizieren das einfallende Feld und strahlen auch ihre eigenen Felder ab. Da jedoch Dipole an verschiedenen Orten vom gleichen elektrischen Feld angetrieben werden, ist ihre Schwingung kohärent. Dies bedeutet, dass die Emission eines Dipols aus dem oberen Teil des Strahls (bei Betrachtung Ihres Bildes) die Emission eines Dipols aus dem unteren Teil des Strahls kohärent stören kann. Diese Interferenz ist für zwei Situationen konstruktiv. 1) ein reflektierter Strahl 2) ein gebrochener Strahl. Frage: Warum reflektiert der Strahl nicht in einem anderen Winkel? Antwort: Die Interferenz des elektromagnetischen Feldes von den Dipolen und dem einfallenden Feld an diesen Punkten im Raum ist destruktiv.

Die Antwort der Quantenphysik: Die Atome im Material absorbieren die Photonen, aber da sie von einem elektrischen Feld angetrieben werden, unterliegen sie einer kohärenten stimulierten Emission, so dass ihr Emissionsmuster (eine Überlagerung von Photonen, die in viele verschiedene Richtungen gehen) einer kohärenten räumlichen Interferenz unterzogen werden kann. Dies führt in allen Fällen zu destruktiver Interferenz, außer bei der Photonenreflexion oder -brechung.