Sichtbares Licht (~500 THz) sowie Gammastrahlen (~100 EHz) sind elektromagnetische Strahlung, aber wir können sichtbares Licht mit einem Glasspiegel reflektieren, aber keine Gammastrahlen. Warum das?
Betrachten Sie das elektromagnetische Spektrum:
Sichtbare Frequenzen haben Wellenlängen von Mikrometern, Meter.
Gammastrahlen haben eine Wellenlänge von Meter, Pikometer.
In der Physik gibt es zwei Großrechner, den klassischen Rahmen, der Maxwells Elektrodynamik, Newtons Mechanik und Ableitungstheorien umfasst, und den quantenmechanischen Rahmen, der für kleine Entfernungen und hohe Energien notwendig wird, wo Gammas (Photonen), Elektronen, Atome, Nukleonen , Gitter gehören.
Die klassische elektromagnetische Welle entsteht aus Millionen überlagerter Photonen. Die Maxwell-Gleichungen beschreiben sehr gut das Verhalten von Lichtstrahlen, wenn sie gestreut oder reflektiert werden oder allgemein für makroskopische Entfernungen und kleine Energien wechselwirken. Reflexion benötigt klassischerweise eine sehr ebene Oberfläche, damit die Phasen der reflektierten Wellen erhalten bleiben. Je nach Material können die klassischen Strahlen absorbiert, bei der Reflexion von vielen Punktquellen dekohäriert oder kohärent reflektiert werden, wenn die Streuung elastisch ist (Spiegel streuen einfallendes Licht elastisch und kohärent).
Gammastrahlen zwingen uns jedoch, auf die Mikroebene zu gehen, wegen der sehr kleinen Wellenlänge, die sie als Lichtstrahl beschreibt.
Man muss sich die Details der Oberfläche ansehen, und ob eine klassische glatte Oberfläche für klassische Reflexionen für Gammas modelliert werden kann, und die Antwort ist, nein, das kann es nicht.
Der Abstand zwischen den Atomen in den meisten geordneten Festkörpern liegt in der Größenordnung von einigen Ångström (einige Zehntel Nanometer).
Für Mikrometerwellenlängen (optisches Licht) erscheinen die Felder, die von Atomen mit Angström-Abständen im Gitter aufgebaut werden, glatt und können klassisch modelliert werden.
Gammastrahlen, die als klassische Lichtstrahlen gelten, sehen mit ihren Pikometerwellenlängen meist leere Räume zwischen den Atomen des Festkörpers.
Eine alternative Analyse, immer noch innerhalb des Quantenrahmens, würde die Photonen berücksichtigen, aus denen Licht besteht, und die Heisenberg-Unschärfe am Ort des Photons. Bei den kleinen Wellenlängen der Gammastrahlen sehen die Photonen meist leeren Raum.
10^{-6)$ statt $ 10^{-6}$ geschrieben .Der Grund dafür liegt in der sogenannten Plasmafrequenz des Metalls eines Spiegels. Wie Sie vielleicht wissen, besteht ein Metall aus einer Reihe von Atomkernen (eigentlich Ionenkernen) – Kernen, zusammen mit einigen, aber nicht allen ihrer gebundenen Elektronen – die die verbleibenden äußersten Elektronen ihrer ungebundenen Formen zu einer Gemeinschaft beitragen gemeinsames "Elektronenmeer" - eine Art riesige, verteilte omnidirektionale kovalente Bindung, die sich über den gesamten Metallkristall erstreckt (hier betrachten wir der Einfachheit halber nur einen einzelnen Kristall). Die Elektronen werden über die gesamte Ausdehnung des Kristalls quantisiert und bilden effektiv eine Art "Gas" überall und durchdringen das Metall.
Wenn sich eine elektromagnetische Welle diesem Gas nähert, beginnen die darin enthaltenen freien Ladungen – die Elektronen – zu schwingen, und während sie dies tun, erzeugen sie eine weitere Welle, die gleichzeitig mit der ersten nach außen geht. Dies beginnt, sobald die erste Welle beginnt zu treffen.
Ist die Wellenschwingung jedoch schnell genug, können die Elektronen aufgrund ihrer Masse nicht mithalten und somit die reflektierte Welle nicht bilden. Die Frequenz, bei der dies auftritt, wird als Plasmafrequenz des Metalls bezeichnet (und ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Masse, sodass ein Teilchen mit hoher Masse eine niedrigere Plasmafrequenz hätte). Der Name kommt von der Tatsache, dass man sich das Metall gewissermaßen als eine Art „festes Plasma“ vorstellen kann – Ionen mit freien Elektronen, der Unterschied zu dem, was die meisten Menschen unter „Plasma“ verstehen, ist, dass hier die Ionen nicht frei sind sich aus eigenem Antrieb fortbewegen.
Von hier:
http://www.wave-scattering.com/drudefit.html
die Plasmafrequenz für Kupfer beträgt etwa 2,0 PHz, was einer Wellenlänge von etwa 150 nm im ultravioletten Bereich entsprechen würde. Wenn Sie Kupfer EM-Wellen mit einer viel höheren Frequenz aussetzen, werden sie direkt durchgelassen, da die Elektronen sie effektiv ignorieren.
Die hier erwähnte Idee, dass Photonen zwischen Atome „passten“ oder „durch“ ihre Elektronenfuzz „passten“, ist nicht ganz richtig. Die Transparenz zeigt sich deutlich, bevor Sie zu Wellenlängen gelangen, die kleiner als der Atomabstand sind - zB liegen ihre 150 nm in der Größenordnung von ungefähr dem Tausendfachen eines Atomabstands für ein Metall. Es ist wahr, dass, wenn Sie es so klein machen würden, es technisch die Struktur der Atome "sieht", indem sie jetzt größer sind als der Unschärferadius (d. h. die Größe, unterhalb derer ein Objekt verschwommen und daher für die Strahlen aufgrund von Beugung), aber die tatsächliche Transparenz liegt aufgrund dieses Effekts weit vor diesem Punkt.
Reflexion wird durch Elektronen verursacht, die auf das elektromagnetische Feld reagieren, indem sie mit der gleichen Frequenz schwingen. Dabei senden sie Strahlung mit der gleichen Frequenz wie das einfallende Licht aus, was als Reflexion beobachtet wird. Dies funktioniert gut, wenn die EM-Frequenz in der Nähe der Eigenfrequenzen der Elektronen liegt. Wenn die Frequenz sehr hoch ist, sind die Elektronen einfach zu massiv und die Kräfte, die sie festhalten, nicht stark genug - denken Sie an eine Masse auf einer Feder - um dem elektrischen Feld zu folgen. Gammastrahlen können also Materie durchdringen.
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Volker Siegel