Was passiert auf atomarer Ebene, wenn Licht auf ein Objekt trifft?

Ich habe gerade angefangen, Licht und Optik zu lernen, und ich bin so verwirrt darüber, was Reflexion, Brechung und Absorption sind.

Im Folgenden gehe ich davon aus, dass es zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes gibt : Das erste Medium ist dasjenige, von dem das einfallende Licht ankommt, und das zweite Medium ist dasjenige, von dem das einfallende Licht entweder reflektiert oder gebrochen wird und sich durch es ausbreitet.

• Reflexion ist der Prozess, bei dem ein Bruchteil von Photonen, die auf ein zweites Medium auftreffen, zu dem Medium zurückgeführt werden, aus dem sie stammen. Reflexion ist der Begriff, der verwendet wird, um die Effizienz/Effektivität der Reflexion elektromagnetischer Strahlung durch ein bestimmtes Material zu beschreiben.
• Transmission ist der Prozess, bei dem ein Bruchteil von Photonen, die auf ein zweites Medium auftreffen, sich über die Grenze hinweg in das zweite Medium ausbreiten. Transmission ist der Begriff, der verwendet wird, um die Effizienz/Effektivität der Ausbreitung einfallender Strahlung zu beschreiben.
• Brechung ist der Begriff, der verwendet wird, um eine Änderung der Wellenausbreitungsrichtung aufgrund einer Änderung des Mediums zu implizieren, durch das sich die Strahlung ausbreitet (z. B. Lichtübergang von Luft zu Wasser). Der Brechungsindex oder Brechungsindex ist ein Vektor, der beschreibt, wie sich die Strahlung durch ein Medium ausbreitet, dh$\mathbf{n} = \tfrac{\mathbf{k} \ c}{\omega}$, Wo$\mathbf{k}$ist der Wellenvektor,$c$ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, und$\omega$ist die Wellenfrequenz.
• Absorption ist der Prozess, bei dem ein Bruchteil der auf ein zweites Medium auftreffenden Photonen in kinetische Energie von Atomen umgewandelt wird (typischerweise sind die Elektronen, die den Kern eines Atoms umkreisen, die Nutznießer dieser neuen mechanischen Energie). Die Energie kann in kinetische Energie der Elektronen (z. B. Veränderung der Elektronenorbitale ) oder innere Energie des absorbierenden Mediums, z. B. erhöhte thermische Energie, umgewandelt werden. Absorption ist der Begriff, der verwendet wird, um den Strahlungsverlust an das Medium während der Übertragung zu beschreiben. Dies ist oft gleichbedeutend mit Dämpfung für lineare Medien (dh das Überlagerungsprinzip gilt für jeden gegebenen Satz elektromagnetischer Wellen).

Ich denke, ein großer Teil meiner Verwirrung rührt von genau dem her, was auf mikroskopischer Ebene passiert, wenn Licht auf ein Objekt trifft, wodurch es entweder reflektiert, gebrochen oder absorbiert wird.

Auf klassischer Ebene wird ein Teil der einfallenden Strahlung fast immer reflektiert, übertragen und absorbiert/gedämpft (z. B. nimmt die Wellenamplitude ab, wenn sie sich durch das Medium ausbreitet, da absorbierte Photonen in innere Energie des Mediums umgewandelt werden). In den meisten Fällen können Sie bei Ihrer ersten Einführung in die Optik die Absorption/Dämpfung völlig ignorieren. Sie müssen also nur die Reflexions- und Transmissionskoeffizienten berechnen , um die Verhältnisse von reflektierter und transmittierter zu einfallender Strahlung zu bestimmen.

Wie bei der Reflexion, absorbiert und überträgt das Objekt überhaupt kein Licht, wodurch es keine andere Wahl hat, als zurückzuprallen?

Auf Quantenebene sind die Dinge ein wenig anders, aber hier ist die gezuckerte Version am Beispiel von Sonnenlicht, das auf ein typisches, grünes Blatt trifft. Lassen Sie uns das komplexe Lichtspektrum der Sonne für den Moment ignorieren und einfach eine schöne Schwarzkörperstrahlung annehmen .

Wenn Sie ein grünes Blatt auf einem Baum/einer Pflanze sehen, sehen Sie den spezifischen Bereich von Frequenzen/Wellenlängen, die von dem Material im Blatt (d. h. Chlorophyll) reflektiert werden). Sie sehen nur grün, weil das Medium die anderen Frequenzen/Wellenlängen absorbiert und/oder durchgelassen hat. Wenn Sie ein Blatt über einen weißen Hintergrund neben ein völlig undurchsichtiges Objekt (z. B. eine Stahlscheibe) halten, können Sie möglicherweise feststellen, dass der Schatten des Blattes nicht so dunkel ist wie der des undurchsichtigen Objekts (man muss es einschränken Licht, so dass es nur vor dem weißen Hintergrund auf das Blatt trifft, andernfalls kann Streuung von benachbarten Stellen ähnliche Effekte verursachen). Dies liegt daran, dass ein Teil des Lichts durch das Blatt übertragen wird. Der Rest wird absorbiert und in innere Energie umgewandelt, z. B. Wärme (im Grunde stoßen/schwingen die Partikel schneller, was zu einer höheren mittleren zufälligen kinetischen Energie führt).

Wenn Photonen auf atomarer Ebene auf ein neues Medium treffen, werden sie von den Atomen/Elektronen absorbiert und dann wieder emittiert oder in innere Energie umgewandelt.

Die reemittierten Photonen können die gleiche Frequenz/Wellenlänge haben wie bei der Absorption oder eine andere Frequenz/Wellenlänge. Im ersteren Fall wird das absorbierende Atom/Elektron durch die Wechselwirkung praktisch nicht verändert. Im letzteren Fall muss das absorbierende Elektron seine Energie ändern, um die unterschiedliche Energie des reemittierten Photons zu berücksichtigen (z. B. Orbitalniveau ändern).

Der Absorptions- und Reemissionsprozess ist stochastisch , daher kann die Richtung des reemittierten Photons relativ zu seiner Einfallsrichtung zufällig sein. Statistisch gesehen werden einige Photonen erneut emittiert und breiten sich zurück in das Medium aus, aus dem sie stammen, während andere versuchen, weiter in das Material einzudringen. Der Gesamtmittelwert all dieser Absorptionen und Reemission führt zu den makroskopischen, klassischen Näherungen, die wir Optik nennen.