Verliert Licht Energie, wenn es von einer Oberfläche reflektiert wird?

Wenn Licht von einer Oberfläche reflektiert wird, ändert sich zumindest die Richtung seines Impulses. Da der Gesamtimpuls erhalten bleiben muss, muss in den Atomen der Oberfläche etwas vor sich gehen.

Meine Frage ist also, ob reflektiertes Licht die innere Energie der Oberfläche erhöht, selbst wenn es sich um eine wirklich sehr kleine Menge handelt?

PS Ich spreche nicht von dem Lichtanteil, der von der Oberfläche absorbiert wird. Ich weiß, dass die Energie dieses Bruchteils zur inneren Energie der Oberfläche beiträgt. Meine Sorge gilt nur den reflektierten Photonen.

Antworten (3)

Ja, das ist das Prinzip des Doppler-Radars. Die Frequenz/Energie nimmt zu, wenn sich die Oberfläche auf die Quelle zubewegt. Die Frequenz/Energie nimmt ab, wenn sich die reflektierende Oberfläche von der Quelle wegbewegt.

Die einzige Zeit, in der die Frequenz/Energie unverändert bleibt, ist, wenn die Oberfläche anfänglich den entgegengesetzten Impuls des Lichts hat.

Die Frequenz des reflektierten Lichts ist also geringer als die des einfallenden Lichts, selbst wenn die Oberfläche stationär ist?
Wenn die Oberfläche stationär ist, wird es eine leichte Abnahme geben. Wenn die Oberfläche den entgegengesetzten Impuls des Photons hat, bleibt die Energie/Frequenz unverändert. Ich werde dies der Antwort hinzufügen
Zur Verdeutlichung: Bei Reflexion an einem stationären Objekt prallt das Objekt zurück und gibt ihm kinetische Energie. Die Energie des Photons muss dann abnehmen (Rotverschiebung), um die kinetische Energie zu berücksichtigen. Der Betrag, um den sich die Frequenz des Photons verschiebt, ist der Dopplerfaktor. Somit bleiben sowohl Energie als auch Impuls erhalten.
Immer wenn Licht auf die Oberfläche trifft, wird das reflektierte Licht rotverschoben. Natürlich weniger rotverschoben, wenn sich das Hindernis in die gleiche Richtung wie das Licht bewegt. Keine Rotverschiebung nur im (theoretischen) Fall einer Geschwindigkeit des Hindernisses gleich c.
@HolgerFiedler das ist falsch. Es gibt keine Rotverschiebung in der Mitte des Impulsrahmens. Wenn sich die Oberfläche schneller als im Zentrum des Impulsrahmens auf die Quelle zubewegt, kommt es zu einer Blauverschiebung.
Die einzige Zeit, in der die Frequenz/Energie unverändert bleibt, ist, wenn die Oberfläche anfänglich den entgegengesetzten Impuls des Lichts hat. Das ist falsch. Bei elastischer Streuung, also Reflexion, und bei einem perfekten Spiegel behalten die Photonen ihr Energieniveau.
@ÁrpádSzendrei Das ist falsch. Rechnen Sie nach: Wenn das Photon seine Energie in einem Bezugssystem behält, ändert sich seine Energie in einem anderen, da der Lorentz-Boost je nach Richtung, in die es sich bewegt, unterschiedlich auf das Photon wirkt. Das Photon behält nur während der Reflexion seine Energie, gemessen im Zentrum des Impulsrahmens.
@ Chris, Sie sagen also, dass sich das Energieniveau der Photonen des Bildes ändert, wenn ich in den Spiegel schaue, also ist es nicht dasselbe wie das Energieniveau der einfallenden Photonen, das ursprünglich von mir abgefallen ist? Wie sehe ich also mein genaues Spiegelbild?
In dem Bezugssystem, in dem der Spiegel ursprünglich in Ruhe ist, ist das Energieniveau nicht dasselbe. Um zu verstehen, warum Sie es nicht bemerken, sollten Sie die erwartete Frequenzdifferenz berechnen.

Wenn ein Photon mit einem Atom interagiert, können drei Dinge passieren:

  1. elastische Streuung, das Photon behält seine Energie und Phase und ändert den Winkel, dies ist der Fall eines Spiegels, einer Reflexion

  2. inelastische Streuung, das Photon gibt einen Teil seiner Energie an das Atom ab und ändert den Winkel, dies geschieht, wenn Infrarotlicht kinetische Energie auf die Schwingungsbewegung von Molekülen überträgt (erwärmt)

  3. Absorption, das Photon gibt seine gesamte Energie an das Atom ab, und das absorbierende Elektron bewegt sich gemäß QM auf ein höheres Energieniveau

In Ihrem Fall ist Reflexion elastische Streuung, und dies ist die einzige Möglichkeit, das Energieniveau von Photonen zu halten und ein Spiegelbild aufzubauen.

Dies setzt natürlich eine stationäre reflektierende Fläche (relativ zum Betrachter) voraus, Spiegel.

Wie die anderen Antworten sagen, kann sich das Energieniveau der Photonen ändern, wenn sich die reflektierende Oberfläche auf den Beobachter zu oder von ihm weg bewegt.

Es ist sehr wichtig, über spiegelnde Reflexion zu sprechen, wie bei einem Spiegel, bei dem auch der relative Winkel der Photonen beibehalten wird. Und unterscheiden Sie es von diffuser Reflexion, bei der der relative Winkel der Photonen nicht eingehalten wird.

Sie fragen, ob der Impuls der Photonen auf die Oberfläche übertragen werden kann. Ja, Photonen können Druck auf die Oberfläche des Spiegels ausüben.

Bitte siehe hier:

Kann etwas ohne Masse eine Kraft ausüben?

Sie missverstehen, wie elastische Streuung funktioniert. Bei der elastischen Streuung bleibt die Energie des Photons nicht unbedingt erhalten, es bleibt nur die gesamte kinetische Energie erhalten. Im Fall eines stationären Spiegels erfordert die Impulserhaltung, dass er beschleunigt und KE gewinnt. Daher wird die Energie des Photons verringert. Elastische Streuung bedeutet keineswegs, dass die Energie des Photons unverändert bleiben muss

Die Antwort ist ja, aber der Effekt ist extrem gering. Bei einem elastischen Stoß eines Photons mit einem zunächst ruhenden massiven Objekt beträgt der relative Energieverlust des Photons

Δ E E = E E + M C 2 / 2 .
Vorausgesetzt M C 2 ≫ E dies reduziert sich auf
Δ E E = 2 E M C 2 .
Für ein einzelnes Elektron ( M = 511 keV / C 2 ) und ein typisches Photon im sichtbaren Bereich ( E = 2 eV ) würde dies in etwa ausmachen 1 / 100 , 000 . Dies ist eine obere Grenze des Effekts. Außerhalb von Experimenten in Atomfallen wird sichtbares Licht nicht von einzelnen Elektronen, sondern von Festkörpern reflektiert. In diesem Fall wird der Rückstoßimpuls von der viel schwereren Masse des Festkörpers absorbiert. An der unmittelbaren Wechselwirkung einer Lichtwelle mit der Oberfläche eines Festkörpers sind typischerweise die Atome in einem Volumen beteiligt, dessen Abmessungen durch die Wellenlänge gegeben sind. Für sichtbares Licht ( v = Ö ( 500 nm ) enden Sie leicht mit Hunderttausenden von Atomen (ein typischer Abstand ist 10 nm kollektiv den Rückstoß absorbieren, jeder tausendmal schwerer als das einzelne Elektron von oben. Nimmt man Wasserstoffatome mit den obigen Zahlen, erhält man somit einen zusätzlichen Unterdrückungsfaktor von ≈ 125 , 000 , 000 wodurch die Auswirkung des Rückstoßimpulses völlig vernachlässigbar wird.

Es sei darauf hingewiesen, dass diese kollektive Absorption des Rückstoßes durch einen Kristall zur experimentellen Technik der Mößbauer-Spektroskopie geführt hat . Anders als in Ihrer Frage werden die Phtonen hier nicht vom Kristall reflektiert, sondern von angeregten Kernen im Kristall emittiert. Die Logik ist jedoch die gleiche.

Sie haben nach Licht gefragt, aber das Bild ändert sich hin zu höheren Photonenenergien und damit kürzeren Wellenlängen. Sobald die Wellenlänge des Photons kleiner als die Größe von Atomen wird, wird die Reflexion von Photonen durch einzelne Elektronen zu einem wichtigen Effekt. Bei Photonenenergien, bei denen die Masse des Elektrons vernachlässigbar ist, kann die gesamte Energie des Photons vom Elektron absorbiert werden. Dies ist die entgegengesetzte Situation zu der, die ich oben für sichtbares Licht beschrieben habe! Solche Prozesse sind eine Art der sogenannten Compton-Streuung .

Verliert Licht Energie, wenn es von einer Oberfläche reflektiert wird?
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