Licht-Materie-Wechselwirkung und das Aussehen eines Objekts

Ich besuche einen Kurs in Computergrafik, und der Lehrer sagte, wir könnten Materialien in die Hauptkategorien einordnen:

  • Spiegel wie
  • glänzend oder spiegelnd
  • diffus

Er schlug vor, dass das Reflexionsgesetz unveränderlich ist und für alle Arten von Oberflächen gilt, dass glänzende und diffuse Oberflächen jedoch aufgrund ihrer Mikrostruktur so erscheinen, wie sie es tun. Die Rauheit dieser Oberflächen bewirkt, dass Lichtstrahlen in zufällige Richtungen reflektiert werden, wodurch einfallendes Licht verwischt wird. So weit, ist es gut.

Er bestand auch auf der Idee, dass Oberflächen (wie bei Metallen zu erwarten) die einfallende Lichtfarbe reflektieren. Mit anderen Worten, wenn das einfallende Licht, das auf einen Spiegel trifft, weiß ist, ist das reflektierte Licht weiß (und nicht gelb wie bei Gold, aber Metall ist wieder ein anderer Fall).

Was ich nicht verstehe, ist Folgendes: Wenn Sie "Rauheit" verwenden, um zu erklären, warum einige Materialien glänzend und andere diffus sind, reflektieren auch diffuse Oberflächen die einfallende Lichtfarbe wie Spiegeloberflächen. Wenn also spiegelähnliche Oberflächen keine eigene Farbe haben (da sie nur die einfallende Lichtfarbe reflektieren), sollten dies auch diffuse Oberflächen sein. Aber diffuse Objekte haben eine eigene Farbe (was Spiegeloberflächen nicht haben). Da ist also ein Denkfehler, den ich nicht beheben kann.

Ich verstehe, dass die Farbe des Objekts von der Tatsache herrührt, dass Elektronen, aus denen die Atome bestehen, aus denen das Material besteht, selektiv Photonen einer bestimmten Wellenlänge absorbieren und die anderen reflektieren. Bedeutet es jedoch, dass es diese Photonen immer in die spiegelähnliche Richtung reflektiert? Wie und warum passiert das so, wenn dies der Fall ist?

Ich versuche, alle Teile des Puzzles in einem einzigen Bild zusammenzusetzen. Licht kann nur entweder reflektiert oder gebrochen werden, Objekte sind jedoch gefärbt, weil sie einige Lichtfrequenzen absorbieren, aber mir wurde gesagt, dass "Spiegelreflexion" die Farbe des einfallenden Lichts nicht beeinflusst (mit anderen Worten, dass die Farbe des reflektierten Lichts und das einfallende Licht Farbe sind bei spiegelähnlichen Reflexionen gleich).

Ich bin total verloren und würde mich sehr freuen, wenn jemand Licht in dieses Mysterium bringen könnte.

Antworten (2)

Dazu gibt es einiges zu sagen, 18490. Das tl;dr für Mythbusters-Fans ist am Ende.

  1. Die meisten Materialien sind etwas transparent.
    Deshalb braucht man oft zwei oder drei Anstriche an einer Wand. Das Licht tritt in das Material ein und legt viele Mikrometer zurück, bevor es schließlich absorbiert oder zurückgestreut wird. Das Ergebnis ist in der Regel, dass das meiste Licht absorbiert wird (die meisten Materialien sind eher dunkel) und das zurückgestreute Licht diffus und meist farbig ist. Dies gilt selbst dann, wenn die Oberfläche glatt ist.

  2. Selbst wenn das Material etwas transparent oder vollständig transparent wie Glas ist, gibt es aufgrund des Unterschieds im Brechungsindex zwischen dem Material und der Luft eine gewisse Reflexion an der Oberfläche, die jedoch normalerweise nur wenige Prozent beträgt. Dies geschieht durch einen anderen Mechanismus und hängt nicht stark von der Wellenlänge ab. Wenn die Oberfläche glatt ist, erhalten Sie ein glänzendes Aussehen, aber Sie können immer noch die darunter liegende Farbe sehen.

  3. Metalle hingegen sind sehr undurchsichtig.
    Licht wird quasi direkt an der Oberfläche reflektiert und dringt nur wenige Nanometer in das Metall ein. Der Reflexionsmechanismus ist wieder ein anderer - er bezieht das gesamte Material mit ein und erfordert keine Streuung durch einzelne Atome oder größere Partikel. Daher reflektieren sie oft einen großen Teil des Lichts und sind eher weiß (dh silbrig, reflektieren alle Wellenlängen). Gold ist natürlich goldfarben. Wenn die Oberfläche glatt ist, wirken sie wie Spiegel.

  4. Aber was ist mit Schnee und weißen, geschwollenen Wolken? Diese bestehen aus Milliarden winziger Eiskristalle oder Wassertröpfchen. Jeder reflektiert aufgrund des Brechungsindexeffekts einen Teil des auf ihn treffenden Lichts. Da Wasser und Eis transparent sind, kann Licht in die Wolke eintreten, von einigen Tröpfchen ein paar Mal herumgeworfen werden, andere direkt durchqueren und immer noch austreten, ohne absorbiert zu werden. Ähnliches passiert bei anderen weißen Pulvern, wie dem in Farben verwendeten Titandioxid. Ergebnis: perfektes mattes Weiß.

Punkt 1 führt zu dem wohlbekannten Aphorismus: „Du kannst einen Scheißhaufen nicht polieren.“ Mythbusters hat jedoch bewiesen, dass Sie es können!

Löwenmist

Danke für deine Mühe, Akrasia, aber das ist immer noch verwirrend. 1) Zuerst benötigen Sie mehrere Farbschichten. Aber Farbe ist ein Fall von transparentem Polymer, in das Pigmente gemischt werden. Weil das Polymer transparent ist, ist die Beschichtung transparent, dies ist kein gutes Beispiel für ein typisches Material (Holzkohle, Holz, Ton, Marmor, Zement usw.). Wenn Material transparent ist, sollte Licht gebrochen werden. Warum sieht es dann diffus aus? Es gibt keine Brechung, sondern Streuung. Warum gibt es Streuung, wenn das Objekt transparent ist? Also Brechung oder Streuung?
This occurs by a different mechanism, and is not strongly dependent on wavelength. Welcher Mechanismus? If the surface is smooth you get a glossy appearance, but you can still see the underlying colour? Was meinst du mit glatt, welche Farbe? Hat transparentes Glas oder Wasser Farbe?

Gute Frage.

Der Schlüssel ist zu erkennen, dass eine spiegelähnliche Oberfläche Lichtstrahlen direkt von der Quelle in Ihre Augen sendet; sie prallen einfach vom Spiegel ab. Was Sie sehen, ist die Quelle und die Farbe der Quelle.

Nicht so für ein diffuses Objekt. In diesem Fall trifft Licht von der Quelle auf den Spiegel und prallt nicht direkt in Ihr Auge. Es geht überall.

Drehen Sie das jetzt um: Woher kam das Licht, das in Ihr Auge eindrang? Es kommt aus allen Quellen in der Nähe . Die Lampe in der Nähe, die Decke, die Blumenvase ... jedes Objekt, von dem Licht ausgeht. Das Licht von jeder dieser Quellen trifft auf die diffuse Oberfläche und wird in alle Richtungen gestreut. Ein kleiner Teil des Lichts von jeder Quelle wird in Richtung Ihres Auges gestreut. Das Licht, das in Ihr Auge eintritt, ist eine sehr gemischte Lichtkombination, die Farben aus all diesen Quellen enthält.

In einem durchschnittlichen Raum sind alle Lichtfarben aus allen verschiedenen Quellen verfügbar. Wenn sie zusammengefügt werden, ergeben sie etwas Weißliches. Wenn dieses "weiße" Licht auf die diffuse Oberfläche trifft, werden tatsächlich einige Farben absorbiert. Was Sie also sehen, ist die Farbe des diffusen Objekts selbst. Nun, fast diese Farbe, weil das einfallende Licht nicht perfekt weiß sein wird.

Wenn Sie sich in einem dunklen Raum befinden, in dem nur rote Lampen Licht abgeben, ist natürlich das gesamte Streulicht rot und das Objekt erscheint rot, unabhängig von der Farbe seiner Pigmente.

Danke Garyp, ich verstehe das alles ... was ich gerne wissen würde, ist, in welche Richtung Licht von einer Oberfläche reflektiert wird, die Licht absorbiert, nehme ich an (und ich würde es lieben, wenn dies von einem Physiker bestätigt würde, der Sie sein könnten ). Reflektiert es es in Reflexionsrichtung, und wenn ja, warum werden Dinge systematisch in diese Richtung reflektiert, unabhängig davon, ob das Material etwas von diesem Licht absorbiert (ein farbiges Objekt) oder nicht (Glas)?
Die Reflexionsrichtung wird von der Oberflächenrauheit bestimmt, nicht davon, ob die Oberfläche absorbiert oder nicht. Beide Merkmale einer Oberfläche müssen gleichzeitig berücksichtigt werden. Ein Goldspiegel verleiht mit weißem Licht beleuchteten Objekten einen gelben Farbton, aber die Reflexionsrichtung ist durch das Reflexionsgesetz (spiegelähnlich) genau vorgegeben. Das Gold hat etwas blaues Licht absorbiert, der Rest reflektiert wie ein perfekter Spiegel. Farbige Objekte, bei denen Sie reflektierte Objekte nicht erkennen können, sind diffuse Reflektoren, die auch etwas Licht absorbieren. Ich hoffe, ich beantworte Ihre Frage. Wenn nicht ... versuchen Sie es erneut!
Noch nicht, aber es ist alles gut. Ich schätze deine Bemühungen. Ich verstehe die Idee, dass Rauheit Licht in alle Richtungen streut und somit das Licht verwischt und somit ein diffuses Erscheinungsbild ergibt. Und diese Rauheit hat nichts mit der Objektfarbe zu tun. Betrachten Sie meine Frage dann anders: Kann ein Objekt gleichzeitig reflektierend und farbig sein? Es scheint also der Fall von Gold zu sein, wie Sie erwähnt haben. Bedeutet dies, dass ein diffuses farbiges Objekt wie Gold ist, bestimmte Wellenlängen reflektiert und andere absorbiert, nur in vielen zufälligen Richtungen (wegen der Rauheit)?
Du fängst an. Ja zu Ihrem Goldspiegel-Kommentar (spiegelartig und farbig) und Ja zu Ihrem Kommentar zu diffusen farbigen Objekten.
Danke Garyp. Abgesehen davon gibt es auf der Wiki-Seite zu diffusen Reflektoren etwas Interessantes zu beachten. Es besagt, dass Objekte diffus sind, weil Licht durch die Mikrostruktur des Objekts gestreut wird. Das Problem ist dann, wenn Licht wie im Beispiel auf die andere Seite des Eiskristalliten übertragen wird, wo findet dann der Absorptionsprozess statt? Ich würde annehmen, dass Licht absorbiert wird, wenn es durch die Kristallitgrenzen wandert, aber mein Verständnis war, dass ein festes Objekt kein Licht übertragen kann? Und dass ein transparentes Objekt nicht absorbieren, sondern nur transmittieren kann?
Festkörper können durchaus Licht durchlassen. Schau aus deinem Fenster. Ob Sie Objekte durch einen Festkörper klar sehen können oder nicht, hängt von 1.) Absorption und 2.) Streuung von der Mikrostruktur ab. Ein Objekt kann teilweise Licht absorbieren, und normalerweise absorbiert es bestimmte Farben mehr als andere (z. B. farbiges Glas). Ob die mikrokristalline Struktur eine Rolle spielt oder nicht, hängt von der Größe der Kristalle ab, und Sie können eine ganze Reihe von Effekten erzielen, von Unschärfe über durchscheinend bis milchig bis hin zu Verzerrungen. Wie zuvor sind Kristalldomänen und Absorption getrennte Phänomene, beide treten auf und müssen getrennt betrachtet werden.
Sicher, aber Licht wird gebrochen, wenn es von Luft zu Glas zu Luft geht. Wird Licht dann auf die gleiche Weise durch "undurchsichtige" Objekte transportiert? Oder gilt Brechung nur für transparentes Material, und wenn ja, wie wird Licht in undurchsichtigen Materialien transportiert?
Licht-Materie-Wechselwirkung und das Aussehen eines Objekts
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