Kürzlich wurde ich gebeten, den Unterschied zwischen Reflexion und totaler interner Reflexion von einem rein konzeptionellen Standpunkt aus zu erklären (keine Mathematik).
Lassen Sie mich erklären, was ich bereits weiß. Reflexion und Brechung auf der Quantenebene sind dasselbe. Licht ist ein Photon. Ein Photon ist ein diskretes Teilchen mit Welleneigenschaften (eine endliche Welle, die sich wie eine Kugel fortbewegt). Während sich das Photon bewegt, kollidiert es mit Elektronen in der Materie des Mediums, in dem es sich bewegt. Abhängig von der Energie des Photons und den zulässigen Energiebändern des Mediums bewirkt das Photon, dass das Elektron eine Ebene nach oben springt. Wenn das Photon absorbiert wird, erhöht das Medium seine Bewegung (auf der Makroskala erhöht es seine Temperatur). Wenn das Photon nicht absorbiert wird, wird es wieder emittiert (eigentlich als neues Photon). Ich habe Feynmans QED-Vorträge und -Buch gelesen und angesehen und habe ein ziemlich gutes Verständnis für seinen Prozess, um zu bestimmen, wie all diese Pfade zusammenkommen, um den Nettopfad des Photons zu ergeben. Als Faustregel gilt, dass das Photon den Weg nehmen will, der am wenigsten Zeit benötigt. Ich verstehe, wie dieses Prinzip Brechung und Reflexion erklärt.
Was ich nicht zu verstehen scheine, ist, warum ein Material im Vergleich zu einem anderen (Metall vs. Glas) einen höheren Brechungsprozentsatz zu verursachen scheint. Was ist mit der Elektronenkonfiguration eines Mediums, das den Nettoeffekt der Absorption und Reemission der Photonen ändert? Ändert sich die Wahrscheinlichkeit, dass das Photon in umgekehrter Richtung erneut emittiert wird? Gibt es eine weitere Entfernung, die das Photon zurücklegen kann, bevor es auf ein Elektron trifft? Das ist der Teil, wo mein Verständnis zusammenbricht.
Wenn Sie den kritischen Winkel in einem Medium erreicht haben, das bricht und das Licht vollständig reflektiert, bewegen sich die Photonen auf die gleiche Weise wie in einem Material, das immer reflektiert? Wie hängt dies mit der Frage im vorherigen Absatz zusammen?
Ich weiß, dass ich ein paar Mini-Fragen habe, die in die Beantwortung dieser einen größeren Frage eingebettet sind. Jede Hilfe zu einem der Teile wäre sehr dankbar?
Zunächst gibt es einen qualitativen Unterschied zwischen Metall und Glas: Metall ist ein Leiter, während Glas ein Dielektrikum ist. Unter der sogenannten "Plasmafrequenz" wandern EM-Wellen nicht in Leitern, außer in der Nähe der Oberfläche (siehe Skin-Effekt ). Für höhere Frequenzen (normalerweise weit über dem sichtbaren Licht) ist Metall transparent und es tritt Brechung auf. Konkret die Beantwortung Ihrer Frage
Was ist mit der Elektronenkonfiguration eines Mediums, das den Nettoeffekt der Absorption und Reemission der Photonen ändert?
Metall hat eine beträchtliche Menge an freien Elektronen, Glas nicht. Aus EM-Sicht ergibt sich der Unterschied aus der relativen Wirkung zweier Terme in der Maxwell-Gleichung (grob gesagt hängt der entsprechende dimensionslose Parameter von Leitfähigkeit und Wellenfrequenz ab). Aus Sicht der QM unterscheidet sich die Wechselwirkung mit Elektronengas wesentlich von der Wechselwirkung mit einem Atom.
Wenn Sie den kritischen Winkel in einem Medium erreicht haben, das bricht und das Licht vollständig reflektiert, bewegen sich die Photonen auf die gleiche Weise wie in einem Material, das immer reflektiert? Wie hängt dies mit der Frage im vorherigen Absatz zusammen?
Auch hier führen beide Prozesse aus EM-Sicht zu einer evaneszenten Welle und sind ziemlich ähnlich. Ich bin mir nicht sicher, was hier genau mit einem bestimmten Photon (als Teilchen) passiert, da die evaneszente Welle ein allgemeiner Welleneffekt ist. Vielleicht kann jemand, der sich mit QED besser auskennt, eine QM-Perspektive dazu liefern.
Luan