Was passiert mit Photonen, nachdem sie Objekte getroffen haben?

Es ist nicht unbedingt wahr, dass die meisten Photonen, die auf eine Wand treffen, absorbiert und in Wärme umgewandelt werden. Die weißesten weißen Farben können einen Lichtreflexionswert von bis zu etwa 85 % haben .

Es gibt keine „der weißen Farbe entsprechende Wellenlänge“. Eine ideale weiße Oberfläche reflektiert so viel wie möglich von allen Wellenlängen im sichtbaren Spektrum . Das klingt wie ein Spiegel, aber der Unterschied besteht darin, dass ein Spiegel Licht nach der Regel " Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel " reflektiert, während eine weiße Wand oder eine andere weiße Oberfläche eine diffuse Reflexion aufweist , was bedeutet, dass sie Licht reflektiert alle unterschiedlichen Richtungen.

Ein Photon, das von einer weißen Wand reflektiert wird, kann sicherlich von einer anderen weißen Wand reflektiert werden. Die Reflexion kann jedoch nicht ewig stattfinden, da keine echte Wand 100 % des auf sie eingestrahlten Lichts reflektieren kann.

Wenn eine Wand blau ist, bedeutet dies, dass sie blaue Photonen gut reflektiert und nicht so viele Photonen von Farben, die nicht blau sind.

Wenn Photonen auf Materie treffen oder mit ihr interagieren, werden sie fast immer nicht so reflektiert, wie eine Billardkugel von einer Billardtischkante abprallt. Vielmehr werden sie absorbiert, der Absorber steigt in einen metastabilen Zustand und dann wird beim Zerfall des metastabilen Zustands ein neues Photon emittiert. Manchmal jedoch, wenn Photonen eine Wechselwirkung mit einem einsamen Elektron eingehen ( zdas einfache Feynman-Diagramm für die Compton-Streuung an einem freien Elektron), wird es ein wenig strittig und nicht sehr aussagekräftig zu entscheiden, ob wir eine "Reflexion" oder eine "Absorption-Reemission" haben). Wenn Sie sich die folgenden Möglichkeiten ansehen, sollten Sie Ihre darunter finden: "Blaue Photonen" gegen eine "blaue Wand" zum Beispiel ist Möglichkeit Nummer 4 unten, also haben Sie einfach eine höhere Streuamplitude als Sie würden für einfallendes weißes Licht.

1. Wenn der Absorber wirklich in genau den gleichen Zustand zurückkehrt, wie er vor der Photonenabsorption war, muss das emittierte Photon genau den gleichen linearen Impuls, die gleiche Energie und den gleichen Drehimpuls haben wie das einfallende Photon. Das heißt, es muss in die gleiche Richtung laufen wie vorher, es muss genau die gleiche Wellenlänge haben wie vorher. Wir haben ein perfekt transparentes Material. Wenn der Drehimpuls des Photons erhalten bleibt, muss es anfänglich zirkular polarisiert bleiben, aber es kann eine Rotation der linearen Polarisation durch eine Quantenversion der angeregten Deformation der Absorberform geben, in der sich eine fallende Katze (oder ein Astronaut) dreht Raum unter Beibehaltung des Drehimpulses siehe diese Frage hier oder meinen Artikel "Von Katzen und ihrem wunderbarsten aufrichtenden Reflex" hier. Das heißt, das durch die Quantenüberlagerung dargestellte Photon$\alpha_L \psi_L + \alpha_R\,\psi_R$, Wo$\psi_L$Und$\psi_R$die Amplituden für die reinen links- und rechtszirkularen Polarisationszustände sind, können in beliebiger Überlagerung der Form verändert werden$e^{i\,\phi_L}\,\alpha_L \psi_L + e^{i\,\phi_R}\,\alpha_R\,\psi_R$, dh die Überlagerungsgewichte können sich in der Phase, aber nicht im Betrag verschieben. Dies ist jedoch NICHT dasselbe wie Doppelbrechung;

2. Wenn der Absorber wie in 1) ist, aber Drehimpuls zwischen dem Absorber und dem umgebenden Gitter übertragen wird, ist das Material perfekt transparent und der Quantenzustand$\alpha_L \psi_L + \alpha_R\,\psi_R$kann jede einheitliche Transformation erfahren. Wir beschreiben ein perfekt transparentes, doppelbrechendes Material. Licht, das durch eine Viertelwellenplatte aus einem solchen Material fällt, übt ein messbares Drehmoment darauf aus, wie in diesem berühmten Experiment:

Richard A. Beth, „Mechanischer Nachweis und Messung des Lichtdrehimpulses“, Phys. Rev. 50 , 15. Juli 1936

3. Wenn der Absorber wie in 1) ist, aber Impulse auf sein umgebendes Gitter übertragen kann, wird das reemittierte Photon einem gleichen, das vom Gitter elastisch gestreut wird: Die Wellenlänge ist dieselbe, aber die Richtung des Photons ist unterschiedlich. Wir beschreiben einen perfekten Spiegel;

4. Wenn der angeregte Absorber eine Amplitude ungleich Null hat, um Energie auf das umgebende Gitter zu übertragen, dann erwärmt sich das Gitter. Es können immer noch Photonen reflektiert werden, aber die Lichtintensität kann geringer sein. Darüber hinaus ist die Amplitude des Absorptions-Reemissionsprozesses farbabhängig, sodass einige Photonen wahrscheinlicher ohne Reemission absorbiert werden als andere. In diesem Fall wird weißes Licht, das aus Photonen unterschiedlicher Farbe besteht, oder (esoterisch) identische Photonen in einem reinen "weißen" Quantenzustand (wie in meiner Antwort hier beschrieben ) mit einer anderen spektralen Zusammensetzung erneut emittiert: Der Streuer ist so farbig;

5. Schließlich haben wir Fluoreszenz. Das absorbierende, angeregte Atom/Molekül "wartet" eine lange Zeit auf die spontane Emission: typischerweise Nanosekunden, kann bis zu Millisekunden dauern. In dieser Zeit kann es mit dem Medium, in das es eingetaucht ist - seiner Umgebung - interagieren. Die Beziehungen zwischen Energie, Impuls und Drehimpuls sind also kompliziert:

   • Energie : Es gibt fast immer eine Stokes-Verschiebung mit Fluoreszenz: Geben Sie an, dass das Atom/Molekül fluoresziert, von dem aus es niedriger sein kann als der Zustand, in den das Atom/Modul zuerst durch das einfallende Licht angehoben wurde. Außerdem fluoresziert das Atom/Molekül möglicherweise nicht vollständig in den Grundzustand. (Siehe meine Zeichnung unten, die für Fluorescein steht, dh "grüne Fluor-Stifttinte"). Durch die Energieverluste überträgt der Absorptions-/Fluoreszenzprozess Schwingungsenergie und Wärme auf das System Atom/Umgebung.

   • Linearer Impuls : Während einer Fluoreszenzlebensdauer kann das Atom/Molekül gegen sein umgebendes Medium drücken und umgekehrt, sodass Impulse an die Umgebung übertragen werden. Daher besteht fast immer nur eine geringe Beziehung zwischen der Richtung des einfallenden Lichts und der der Fluoreszenz;

   • Drehimpuls : Wechselwirkungen zwischen Atomen, Molekülen und ihrer Umgebung neigen dazu, weniger Drehmoment als vielmehr Impulsübertragung zu beinhalten. Dies ist intuitiv vernünftig: Kräfte neigen dazu, entlang der Linie zwischen Massenschwerpunkten gerichtet zu sein. Es gibt jedoch einen gewissen Drehmoment- und Winkelimpuls, insbesondere bei Fluorophoren mit langer Lebensdauer. Daher neigt die Fluoreszenzpolarisation dazu, ziemlich stark mit der des einfallenden Lichts zu korrelieren, aber es gibt auch eine deutliche Depolarisation. Ein weiterer Faktor, der dazu neigt, die Fluoreszenz und die Polarisation des einfallenden Lichts ziemlich gut korreliert zu halten, ist, dass der Drehimpuls quantisiert ist, der lineare Impuls dagegen nicht. Vereinfacht kann man sich denken, dass Winkelimpulse ein Bestimmtes erreichen müssen$\pm\hbar$Schwelle, bevor sie zu echten Überweisungen werden.

1) Nein, Substanzen absorbieren Photonen fast nie vollständig. Sonst könnte man sie nicht sehen. Falls eine Substanz alle Photonen absorbieren würde (was absichtlich ziemlich schwer zu erreichen ist), wäre sie pechschwarz, selbst wenn Sie sie mit beliebig starkem Licht anstrahlen (-> schwarzer Körper).

2) Es wird hin und her reflektiert, aber nur für eine begrenzte Zeit. Dies liegt daran, dass das Reflexionsvermögen (oder äquivalent die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon nicht absorbiert wird) nicht 100 % beträgt. Mathematisch und experimentell beobachtet man einen exponentiellen Abfall. (-> Integrationskugeln).

Beispiel: Ulbrichtkugeln sind Hohlkugeln und bestehen aus sehr stark reflektierendem Material und haben eine kleine Öffnung. Wenn Sie in die Öffnung schauen, erscheint sie weiß. Wenn Sie Licht in die Kugel strahlen und plötzlich ausschalten, werden Sie feststellen, dass es einige Zeit dauert, bis das Licht vollständig zerfallen ist. Denn die darin gespeicherten Photonen werden darin hin- und herreflektiert, bis sie austreten oder von dem nicht perfekt reflektierenden Material absorbiert werden. Allerdings liegt diese Zeit selbst bei Kugeln mit sehr hohem Reflexionsvermögen typischerweise unter einer Mikrosekunde, sodass Sie diesen Effekt mit bloßem Auge nicht sehen können. Es ist jedoch gut messbar, und im Grunde ist die Abklingzeit so kurz, weil die Lichtgeschwindigkeit so hoch ist (und Sie viele, viele Rundreisen in einem Zeitintervall haben).

3) Sie werden reflektiert (und zwar mit höherer Wahrscheinlichkeit als Photonen anderer Wellenlänge, sonst würden sie nicht blau erscheinen).