Breking van licht

[Mafkees]

Hoe kan het dat licht altijd precies onder dezelfde hoek gebroken wordt door dezelfde stof?
Ik bedoel breking van licht wil toch zeggen dat 'n foton wordt geabsorbeerd door 'n elektron en vervolgens weer aan de andere kant wordt uitgezonden of niet?

[dannypje]

Ik ben geen specialist, maar licht heeft 2 soorten eigenschappen, van deeltjes (fotonen zoals jij zegt) en van (electromagnetische) straling. Ik vraag me af of die breking niet eerder verklaard dient te worden vanuit het stralingsperspectief, eerder dan vanuit het deeltjesperspectief.
Maar ik ben benieuwd naar andere reacties.

[Jan van de Velde]

 
Ik bedoel breking van licht wil toch zeggen dat 'n foton wordt geabsorbeerd door 'n elektron en vervolgens weer aan de andere kant wordt uitgezonden of niet?

niet per se aan de andere kant.
 
animatietjes doen het wel vaak als zodanig voorkomen maar da's wel een ernstige vorm van artistieke vrijheid.
richting is lukraak alle kanten op, zelfs zonder voorkeursrichtingen.
 
Dat er dan toch golven optreden die netjes de voorspelbare weg volgen bij breking of reflectie is een kwestie van het principe van Huygens, in de 17e eeuw bedenker van de golftheorie, verder uitgewerkt door Fresnel en tenslotte wiskundig bewezen door Kirchhoff.

[317070]

Hoe kan het dat licht altijd precies onder dezelfde hoek gebroken wordt door dezelfde stof?
Ik bedoel breking van licht wil toch zeggen dat 'n foton wordt geabsorbeerd door 'n elektron en vervolgens weer aan de andere kant wordt uitgezonden of niet?

Nee, het foton wordt geabsorbeerd en vervolgens een willekeurige richting uitgestuurd. Maar, die absorptie en het vervolgens uitsturen heeft een beetje vertraging. Nu wordt het foton uitgestuurd in alle richtingen, maar slechts in 1 richting treedt er constructieve interferentie op (door die vertraging). In alle andere richtingen is er een negatieve interferentie.
 
Eigenlijk is het nog ingewikkelder. Dat ene foton valt eigenlijk op verschillende atomen in, waarna het wordt uitgezonden door die atomen in verschillende richtingen, met enige vertraging. De kansverdeling interfereert in slechts in 1 richting constructief tussen dat ene foton. En die richting is de richting van de breking.
 
M.a.w. breking van het licht kun je beter niet zien in termen van fotonen. Eigenlijk kun je bijna niets van licht beter zien in termen van fotonen. Voor bijna alle praktische toepassingen is licht beter te zien als een golf. En als golf is de breking veel gemakkelijker te zien.

[Mafkees]

Maar ik dacht dat elektronen zich alleen in discrete energietoestanden kunnen bevinden. Hoe werkt het dan als de energie van een foton kleiner is dan de benodigde energie om 'n elektron naar z'n volgende energieniveau te tillen? En wat als die energie groter is?
Wordt dat foton dan toch opnieuw geabsorbeerd en evt. weer uitgezonden? Of heeft 't dan überhaupt geen interactie met 't elektron?

[Jan van de Velde]

geen interactie, of, gewoonlijker, interactie met het atoom al geheel, dat hierdoor harder gaat trillen. Oftewel, absorptie. Het voorwerp laat geen licht door en warmt slechts op. 

[Boormeester]

Het staat vast dat licht bestaat uit fotonen (golfpakketje (lees: deeltje) bestaande uit EM velden) . Einstein kreeg daar de Nobelprijs voor. Een vaste stof bestaat uit een regelmatig rooster van atomen/moleculen die onderling gebonden zijn door EM wisselwerking (verschillende type bindingen zijn mogelijk).
Juist doordat de deeltjes van het rooster in een regelmatig patroon zijn gerangschikt zijn, reist een foton in een min of meer rechte lijn door het kristalrooster.
Bedenk dat het rooster wel de voortplantingssnelheid beïnvloedt: de snelheid wordt vertraagd, dwz de golflengte verandert en wordt kleiner, niet de frequentie (het foton behoudt zijn energie). Dit volgt uit het feit dat bij uittreden het foton nog steeds dezelfde frequentie heeft als bij intrede. Het foton verliest dus geen energie bij zijn verblijf in het rooster.
Bij intrede aan het oppervlak van het rooster wordt het deeltje afgebogen of zelfs gereflecteerd, afhankelijk van waar het deeltje tussen 2 rooster deeltjes het kristal raakt. Als het foton een roosterdeeltje raakt kun je je voorstellen dat het gereflecteerd wordt maar als het precies tussen 2 deeltjes intreedt dan wordt het afgebogen door de EM velden van het rooster. Dit kun je je als volgt voorstellen: als het deeltje onder een hoek invalt komt het EM veld aan de onderkant het eerst in aanraking met de EM velden van het rooster: het deeltje wordt afgebogen naar beneden toe en wordt vertraagd. Pas later komt de bovenkant van het deeltje in aanraking met de EM velden als het deeltje intreedt. Is het eenmaal  binnengedrongen in het rooster dan is de wisselwerking met het rooster compleet symmetrisch en beweegt het weer in een rechte lijn. Bij uittrede volgt het omgekeerde proces en treedt het uit in de dezelfde richting als dat het inviel.

[317070]

Maar ik dacht dat elektronen zich alleen in discrete energietoestanden kunnen bevinden. Hoe werkt het dan als de energie van een foton kleiner is dan de benodigde energie om 'n elektron naar z'n volgende energieniveau te tillen? En wat als die energie groter is?

Daarom dat licht van verschillende frequenties gewoonlijke andere brekingshoeken heeft (en dat bijvoorbeeld Röntgen-stralen niet interageren met stoffen met een klein atoomgetal).
Maar opnieuw, het is niet zo simpel:

1. Ten eerste: in theorie heeft een stof inderdaad discrete energieniveau's, maar dat is bijna enkel van toepassing op stoffen in simpele verbindingen met een paar atomen (denk H2O, O2), WAARVAN DE ORBITALEN NIET TE VEEL INVLOED ONDERVINDEN VAN NABURIGE  MOLECULEN. Atomen die in een rooster zitten beïnvloeden elkaars orbitaal, waardoor je op alle energieniveau's wel een elektron vindt die je energie aanvaardt.
2. Ten tweede: hoe kan een foton van te voren weten dat een elektron zijn energie gaat aanvaarden? Het antwoord: het elektron weet dat niet. De kansverdelingen tussen het al dan niet aanvaarden interfereren dus op een kwantummechanische manier (en dat is heel complex): http://physics.stackexchange.com/questions/95690/how-do-electrons-and-photons-interact