Warum sind nicht alle Dielektrika transparent?

Nur weil das Material im makroskopischen Maßstab keine Ströme leitet, heißt das nicht, dass es überhaupt keine beweglichen Ladungen enthält. Tatsächlich enthält ein solches Material, wie der Name „Dielektrikum“ schon sagt, Ladungen, die bis zu einem gewissen Grad getrennt werden können – Elektronen bewegen sich ein bisschen zur einen oder anderen Seite, sagen ihrem Elternatom nie wirklich Lebewohl, erzeugen aber dennoch ein signifikantes Feld.

Wenn Licht auf ein solches Material trifft, neigen die Elektronen dazu, synchron mit der ankommenden EM-Welle zu vibrieren. Dies erzeugt ein sekundäres elektromagnetisches Feld derselben Frequenz, das sich zum ursprünglichen Feld hinzuaddiert, ähnlich wie die größeren Ströme unter der Oberfläche eines Leiters. Anders als bei einem Leiter sind die Elektronen nicht frei beweglich, sodass dieses Feld die ankommende Welle nicht vollständig auslöschen kann, aber auch nicht völlig ungehindert durchdringt:

• Ein Teil der Energie, die die Sekundärwelle zurückgibt, wird nicht in die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung gelenkt, sondern rückwärts: Ein Teil des Lichts wird reflektiert . (Dies geschieht auch bei Leitern, fast perfekt, weshalb Metalle glänzend sind.)
• Die Sekundärwelle ist nicht vollständig synchron mit der eingehenden, hat aber im Allgemeinen eine leichte Phasenverzögerung (wie wenn Sie ein Pendel schütteln). Dadurch sieht die Welle „verzögert“ aus, als ob sie einen längeren Weg durch das Material zurückgelegt hätte, als sie tatsächlich hat – von außen betrachtet bedeutet das, dass die Wellenlänge trotz konstanter Frequenz verkürzt wird. Da die Wellenfront aber trotzdem überall synchron sein muss, kommt es zur Brechung .

Beide Effekte sind bei Klarglas sehr ausgeprägt: Ein Teil des Lichts wird reflektiert statt durchgelassen, und das durchfallende Licht wird gebrochen. Beachten Sie, dass die Brechung bei einer Glasscheibe nicht viel ausmacht, sie ändert nur die Richtung ein wenig, wenn das Licht einfällt, und dann wieder zurück zum Original, wenn es austritt. Bei nicht so homogenen Materialien wie Styropor erhalten Sie jedoch nicht nur eine Reflexion und Brechung, sondern viele, viele mikroskopisch kleine Oberflächen, die alle in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind. Auch wenn jede Mikrofläche das meiste Licht durchlässt, gelangt es dadurch nicht wirklich weit in das Material hinein, sondern wird völlig gestreut „reflektiert“. Und das passiert im Grunde bei allen Materialien, die weiß aussehen. Die meisten sind noch einigermaßen durchsichtig, aber wenn die Bauteile ausreichend fein und lichtbrechend sind, kommt man nicht weiter als auf ein paar Mikrometer.

Bei Materialien, die farbig oder sogar schwarz aussehen, passiert noch etwas anderes: Die schwingenden Elektronen nehmen tatsächlich einen Teil der Energie der ankommenden Welle weg und geben sie überhaupt nicht mit dieser Frequenz weiter, sondern „wandeln“ sie in andere um Energieformen – normalerweise entweder niederfrequentes Licht ( Fluoreszenz ) oder ladungsneutrale Gitterschwingungen (die sich als Wärme manifestieren). Ohne Quantenmechanik zu erklären, wie diese Umwandlung funktioniert, ist problematisch, aber man kann sie sich im Grunde als gedämpfte Schwingung vorstellen – es gibt „Reibung“ in der Schwingung. Aufgrund molekularer Resonanzen geschieht dies häufig nur in einem bestimmten Frequenzband in signifikantem Umfang; das ist dann, wie Farbeentsteht, weil unterschiedliche Lichtfrequenzen auf unterschiedliche Anteile gedämpft werden.

Sie können die Quantenmechanik nicht vollständig vermeiden, aber es genügt zu sagen, dass Reflexionen durch freie Elektronen nicht die einzige Möglichkeit sind, eine Übertragung zu verhindern. Jede Situation, in der Licht ein Elektron von einem niedrigen Energiezustand in einen höheren bringen kann, führt unabhängig von der DC-Leitfähigkeit zu einer Absorption. Oder auch bei geringer Absorption kann eine massive Streuung des Lichts durch viele kleine Partikel oder viele ungeordnete Grenzflächen die Übertragung verhindern. Ein paar schnelle Beispiele:

1. Halbleiter mit Bandlücke kleiner als die Lichtenergie (z. B. Silizium, Graphit).

2. Materialien aus vielen kleinen Streuern (z. B. Holz, Farbe, Haut).