Warum reflektieren Glas Photonen?

In der klassischen Elektrodynamik wird der Prozess, wie viel Licht beim Durchgang durch das Glas gebrochen und wie viel Licht reflektiert wird, durch das Huygens-Fresnel-Prinzip bestimmt.

Dieses nach Christiaan Huygens und Augustin-Jean Fresnel benannte Prinzip ist eine Methode zur Analyse der Wellenausbreitungsmuster von Licht, insbesondere in Beugung und Brechung. Sie besagt, dass jeder freie Punkt auf einer Wellenfront sekundäre Kugelwellen in alle Richtungen ausstrahlt. Daher ist die Nettolichtamplitude an einem gegebenen Punkt die Vektorsumme aller Wellenamplituden an diesem Punkt. Dieses Prinzip macht es sehr nützlich, um zu visualisieren, was während der Lichtbeugung passiert.

Obwohl Sie, wie Alex in seiner Antwort sagt, den QFT-Ansatz verwenden können, möchte ich eine alternative Antwort mit klassischem (nicht quantenbasiertem) Denken geben. Es ist einfach einfacher, zumindest für mich, zu verstehen :) und hoffentlich zu antworten.

Aus Wikipedia: Fresnel-Gleichungen

In der klassischen Elektrodynamik wird Licht als elektromagnetische Welle betrachtet, die durch die Maxwellschen Gleichungen beschrieben wird. Lichtwellen, die auf ein Material einfallen, induzieren kleine Polarisationsoszillationen in den einzelnen Atomen (oder Elektronenoszillationen in Metallen), wodurch jedes Teilchen wie eine Dipolantenne eine kleine Sekundärwelle in alle Richtungen ausstrahlt. Alle diese Wellen summieren sich zu Spiegelreflexion und Brechung gemäß dem Huygens-Fresnel-Prinzip.

Bei Dielektrika wie Glas wirkt das elektrische Feld des Lichts auf die Elektronen im Material, und die sich bewegenden Elektronen erzeugen Felder und werden zu neuen Strahlern. Das gebrochene Licht im Glas ist die Kombination aus der Vorwärtsstrahlung der Elektronen und dem einfallenden Licht. Das reflektierte Licht ist die Kombination der Rückwärtsstrahlung aller Elektronen

Wenn sich Licht von einem Medium mit einem gegebenen Brechungsindex n1 in ein zweites Medium mit einem Brechungsindex n2 bewegt, kann sowohl eine Reflexion als auch eine Brechung des Lichts auftreten. Die Fresnel-Gleichungen beschreiben, welcher Anteil des Lichts reflektiert und welcher Anteil gebrochen (dh durchgelassen) wird. Sie beschreiben auch die Phasenverschiebung des reflektierten Lichts.

Das einfallende Licht wird mit seinem elektrischen Feld senkrecht zu der Ebene polarisiert, die die einfallenden, reflektierten und gebrochenen Strahlen enthält. Diese Ebene wird Einfallsebene genannt; es ist die Ebene des Diagramms unten. Das Licht soll s-polarisiert sein. Das einfallende Licht ist mit seinem elektrischen Feld parallel zur Einfallsebene polarisiert. Solches Licht wird als p-polarisiert bezeichnet.

Ein einfallender Lichtstrahl IO trifft am Punkt O auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien mit den Brechungsindizes n1 und n2. Ein Teil des Strahls wird als Strahl OR reflektiert und ein Teil als Strahl OT gebrochen. Die Winkel, die die einfallenden, reflektierten und gebrochenen Strahlen zur Normalen der Grenzfläche bilden, werden als θi, θr bzw. θt angegeben.

Die Beziehung zwischen diesen Winkeln ist durch das Reflexionsgesetz und das Snellsche Gesetz gegeben:

Der Anteil der einfallenden Leistung, der von der Grenzfläche reflektiert wird, ist durch den Reflexionsgrad oder das Reflexionsvermögen R gegeben, und der Anteil, der gebrochen wird, ist durch den Transmissionsgrad oder den Transmissionsgrad T gegeben (unabhängig von der Übertragung durch ein Medium).

Wenn Sie der Mathematik folgen können, meist nur Trigonometrie, können Sie den Anteil des Lichts, der durch das Glas fällt, und den Anteil, der reflektiert wird, hier erhalten:

Brechungs- und Reflexionskoeffizienten

Zumindest für mich ist es nicht einfach, sofort eine Antwort auf Ihre Frage basierend auf QFT zu finden, da sich die meisten QFT-Erklärungen anscheinend mit Spiegeln befassen und wie sie Licht reflektieren, anstatt zu erklären, wie einige durch das Glas gehen und einige reflektieren , (wie in Ihrer speziellen Frage), aber eine gute Erklärung, die im Grunde eine Kopie von Feymanns Buch ist, finden Sie hier:

Lichtreflexion

Nur ein Gedanke. Ist dies darauf zurückzuführen, dass Atome verschiedener Substanzen wie Wasser, Glas oder Holz usw. die Raumzeit unterschiedlich krümmen und somit beeinflussen, wie Photonen mit Materie interagieren? dh einige Photonen reflektieren und einige brechen.

Ich würde diese Argumentation verneinen, die Raumzeit ist in einer Glasplatte nicht gekrümmt genug, um einen signifikanten Effekt zu haben.

Aber ich möchte wissen, wenn ein einfallendes Photon kein Elektron anregen kann, warum gehen dann nicht alle Photonen durch Glas? dh Photonen sollten nicht von Glas reflektiert werden, alle Photonen sollten Glas passieren.

Obwohl ich die genauen Details der Reflexion an Glas nicht kenne (soweit ich mich erinnere, hängt sie mit der Festkörperphysik zusammen, mit Plasmonen und solchen Pseudoteilchen), weiß ich dies.

Während einzelne Atome nur bestimmte Energieniveaus akzeptieren, gilt dies aus mehreren Gründen nicht im Allgemeinen:

• Die grundlegendste ist die Zeit-Energie-Unsicherheit,$\Delta t \Delta x \geq \hbar/2$. Alle Energieniveaus werden mit einiger Wahrscheinlichkeit sehr ähnliche Energien wie ihre eigenen annehmen.
• Der Doppler-Effekt tritt bei Temperaturen auf$> 0 K$, da sich Atome bewegen werden. Aus ihrer Perspektive wird die Energie des ankommenden Photons rotverschoben oder blauverschoben, daher werden sich ihre Energieniveaus aus der Außenperspektive verschieben. Da es sich bei diesem Effekt um eine Verteilung von Wahrscheinlichkeiten handelt, erhöht dies den Energiebereich, den das Material absorbieren kann, weiter
• Atome, die miteinander interagieren, erzeugen neue Energieniveaus. Das grundlegendste Beispiel ist, dass zwei aneinander gebundene Wasserstoffatome jedes Energieniveau verdoppeln, wobei die neuen Niveaus den Niveaus des freien Atoms jeweils etwas über und etwas unterlegen sind. In großen Festkörpern kann dies in Verbindung mit den vorherigen Effekten zur Entstehung von Energiebändern führen, die kontinuierlich sind.
• Dies ist bei Glas wahrscheinlich nicht der Fall, aber bei einigen Festkörpern können die äußersten Elektronen als frei behandelt werden und haben daher keine wirklichen Energieniveaus.

Anstatt deterministisch darüber nachzudenken, denken Sie über die Wahrscheinlichkeit nach, dass ein Photon reflektiert wird. Diese Wahrscheinlichkeiten können mithilfe der Quantenelektrodynamik berechnet werden. Sehen Sie sich diese Vortragsreihe von Richard Feynman an, um eine detaillierte Erklärung zu erhalten. https://www.youtube.com/watch?v=eLQ2atfqk2c