Refraktion in Einklang bringen mit Teilchentheorie und Wellentheorie

Danke an Marek für den Hinweis auf die Vorträge von Richard Feynman in diesen beiden Videos.

http://vega.org.uk/video/programme/45

Und

http://vega.org.uk/video/programme/46

Ungefähr zur Hälfte des zweiten Videos erklärt er das Konzept der Brechung von Photonen. Die Vorlesungen sind ohne tiefgreifende Physikkenntnisse verständlich. Etwa 120 Minuten sollten Sie einplanen.

Dies ist insofern eine interessante Frage, als es sich hauptsächlich um das Verständnis des Fragestellers handelt. Eine ähnliche Frage, die von jemandem gestellt wird, der eine andere Terminologie verwendet, würde eine andere Antwort verdienen. Die, die ich zur Verfügung stelle, ist, so hoffe ich, mit dem Verständnis des Fragestellers vereinbar. Es ist keine vollständige Erklärung der Situation, wie sie für einen Physikstudenten geeignet wäre. Mit dieser Einschränkung ...

Das Partikel "kennt" keine Partikel um sich herum und sollte einer geraden Linie folgen. In der heutigen Physik wird Licht sowohl als Teilchen (das Photon) als auch als Welle (nicht im Sinne der Wellen von Elektrizität und Magnetismus, sondern im Sinne einer Quantenwelle) betrachtet. Eine Quantenwelle kennt mehr als nur den klassischen Weg.

Wie weiß ein einzelner Lichtstrahl (Welle) als Teil einer „Wellenfront“, was andere Strahlen tun?

Ausgehend von der Art und Weise, wie diese Frage geschrieben ist, gehe ich davon aus, dass der Autor Licht als eine Art klassisches Punktteilchen sieht (dessen Bahnen "Strahlen" folgen würden), aber mit dem zusätzlichen Merkmal, eine Welle zu sein (und daher eine Existenz zu haben). der Strahl, wie es für eine Welle notwendig ist, um eine bestimmte Energie oder einen bestimmten Impuls zu haben). Die Frage ist insofern anspruchsvoll, als der Autor versteht, dass Licht Welleneigenschaften hat, und ich werde versuchen, dieses Verständnis ein wenig weiter zu bringen.

Licht (selbst „klassisches“ Licht, das den Maxwellschen Gesetzen von Elektrizität und Magnetismus folgt) folgt keinen Strahlen. Ein Strahl ist eine Idealisierung, die nur zutrifft, wenn die Breite des Strahls groß im Vergleich zur Wellenlänge des Lichts ist.

Wir könnten versuchen, einen Lichtstrahl zu erzeugen, der schmaler als eine Wellenlänge des Lichts ist, indem wir das Licht auf eine Kupferplatte (oder ein anderes dünnes undurchsichtiges Material) richten, in die ein einzelnes Loch gebohrt ist. Wenn wir das Loch kleiner als die Wellenlänge des Lichts machen, liegt es nahe, dass der Strahl, der daraus austritt, einen Durchmesser hat, der kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts. Aber in Wirklichkeit passiert das nicht. Stattdessen wird Licht durch das Loch gestreut und divergiert in alle Richtungen.

Der Effekt ähnelt dem, was passieren würde, wenn Sie ein Hindernis für Meereswellen hätten, aber mit einem einzigen Loch darin. Unter der Annahme, dass das Loch im Vergleich zur Wellenlänge der Meereswellen klein ist, erscheinen die Wellen, die es durchdringen, nicht als Wellenstrahl, sondern breiten sich vom Loch in alle Richtungen aus.

Statt „Brechung“ wird dieses Merkmal des Lichts „Beugung“ genannt. Der Wikipedia-Artikel über Beugung ( http://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction ) enthält ein nützliches Foto der Beugung von Wasserwellen. Licht funktioniert genauso. Ich habe rote Linien hinzugefügt, um die Barriere anzuzeigen, und grüne Pfeile, um die Richtung anzuzeigen, in die sich die Wellen bewegen. Die Welle beginnt unten links und bewegt sich nach rechts oben:

Es ist wichtig zu beachten, dass eine Reihe von Soldaten, die vorwärts marschieren, die Richtung nach innen ändern, wenn sie schneller werden, und die Richtung nach außen ändern, wenn sie langsamer werden, genau das Gegenteil von dem, was Licht tut. Die alte Newtonsche Korpuskulartheorie des Lichts sagte voraus, dass sich Licht in Glas schneller ausbreitet, weshalb der Brechungsindex vermutlich als der Kehrwert dessen definiert ist, was man erwarten würde.

Die naive Teilchentheorie ist falsch, und die Wellentheorie erklärt die Brechung sehr einfach, indem sie Spitzen von Wellen anpasst, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf beiden Seiten der Barriere bewegen.