absorptie en reflectie van licht

[tonreuvekamp]

De kleur van een voorwerp zoals wij dat zien wordt bepaald door de golflengte van het teruggekaatste licht.
Vraag1. Fotonen met een energie (kleur?) die overeenkomt met het energieverschil van een elektron in verschillende banen wordt door een elektron opgenomen waardoor het elektron in een hogere baan beland. Maar komt er niet weer eenzelfde foton vrij wanneer het elektron terugvalt in zijn oorspronkelijke baan en wordt deze kleur niet alsnog teruggekaatst in plaats van geabsorbeert?
Vraag2. Wat gebeurt er met de fotonen die niet de juiste energie bezitten om een elektron in een hogere baan te krijgen. Ik zou verwachten dat ze niet door een elektron worden gevangen en dus door het materiaal heenvliegen, maar dat gebeurt duidelijk niet. Hoe word op moleculair niveau licht gereflecteerd?
Reflectie en breking van licht kan ik ook niet op moleculair niveau verklaren, maar volgens mij is dat ook alleen maar mogelijk door licht als een golfverschijnsel te beschouwen.

[wnvl1]

Zijn best lastige vragen. Je hebt bij dit soorten van vragen altijd antwoorden op de verschillende niveaus van complexiteit die er zijn in de wetten van de natuurkunde. Hier wat ik denk.

Antwoord 1. Wanneer een foton een electron naar een hoger energieniveau stuurt, dan kan het electron in een latere fase terugvallen en terug een foton uitsturen. Dit kan eventueel gebeuren in meerdere stappen. Als de uitgezonden straling in het zichtbare licht valt, dan spreek je van luminiscentie. Het terugvallen kan evt. in meerdere stappen gebeuren.

Antwoord 2. Fotonen moeten niet exact de juiste frequentie hebben. Er is een zekere bandbreedte die gerelateerd is aan de kans om geabsorbeerd te worden. Als er echt een slechte matching is, vermoed ik dat de fotonen er gewoon door gaan.
Bij een spiegel reageren de fotonen met de atomen op het oppervlak. De fotonen kunnen geabsorbeerd worden en terug uitgestuurd. Dit kan in alle richtingen gebeuren. De fotonen kunnen ook in de achterliggende lagen terechtkomen. Uiteindelijk gaat er een positieve interferentie ontstaan in de richting van de gereflecteerde straal. Je moet daar het principe van de padintegraal van Feynman gebruiken om te begrijpen wat er gebeurt.

[wnvl1]

Antwoord 2. Fotonen moeten niet exact de juiste frequentie hebben. Er is een zekere bandbreedte die gerelateerd is aan de kans om geabsorbeerd te worden. Als er echt een slechte matching is, vermoed ik dat de fotonen er gewoon door gaan.

Ik vermoed bij nader inzien dat dit toch niet helemaal juist is. De meeste materialen hebben een brekingsindex die groter is dan 1, dus het licht wordt trager. Klassiek wordt dat uitgelegd door een samenstelling van de golf met een geinduceerde golf tot een golf met een groepssnelheid die trager is. Dit fenomeen doet zich voor bij alle frequenties. De brekingsindex is immers min of meer frequentie-onafhankelijk. Is er dan bij alle frequenties op quantumvlak een absorptie? Of hoe moet ik dat bekijken vanuit de quantum benadering?

[Xilvo]

Klassiek wordt dat uitgelegd door een samenstelling van de golf met een geinduceerde golf tot een golf met een groepssnelheid die trager is. Dit fenomeen doet zich voor bij alle frequenties. De brekingsindex is immers min of meer frequentie-onafhankelijk.

De brekingsindex bepaalt de fasesnelheid, de groepssnelheid verschilt van de fasesnelheid als de brekingsindex frequentieafhankelijk is.

Is er dan bij alle frequenties op quantumvlak een absorptie? Of hoe moet ik dat bekijken vanuit de quantum benadering?

Bij reële brekingsindex heb je geen absorptie. Bij vloeistoffen en vaste stoffen krijg je absorptiebanden, niet slechts lijnen zoals bij ongebonden atomen en moleculen.

[wnvl1]

De brekingsindex bepaalt de fasesnelheid, de groepssnelheid verschilt van de fasesnelheid als de brekingsindex frequentieafhankelijk is.

Ik was in mijn vorige post dubbelzinnig. Waar ik schreef 'Klassiek wordt dat uitgelegd door een samenstelling van de golf ...', gebruikt ik het woord 'klassiek' in de betekenis van de uitleg die meestal gegeven wordt. Niet de uitleg in de klassieke fysica. Het ging over de QM verklaring.

Als je uitgaat van de quantumbenadering en je stuurt licht van 1 frequentie ergens door, dan gaan de fotonen de electronen en kernen doen trillen met toenemende aplitude. Dit veroorzaakt een tweede golf. Beide golven hebben fasesnelheden. De gezamelijke golven hebben ook een groepssnelheid die trager is dan de lichtsnelheid. Dat is de reden dat licht zich trager voortplant in een materiaal. In heel dat proces is er ook nog sprake van absorptie en re-emissie van fotonen door de atomen in de stof zelfs als er netto geen absorptie is bij reële brekingsindex. Anderen noemen die absorptie dan weer geen 'echte' absorptie.

Hoe het exact werkt heb ik zeker niet helemaal door. Het is een vraag die op heel wat fora terugkomt en blijkbaar lastig te beantwoorden is.

Een poging tot uitleg staat bvb hier.

[wnvl1]

Bij reële brekingsindex heb je geen absorptie. Bij vloeistoffen en vaste stoffen krijg je absorptiebanden, niet slechts lijnen zoals bij ongebonden atomen en moleculen.

Ik was mij bewust van die banden in bvb kristallen zoals bij halgeleiders. Maar als je vaste stoffen hebt die amorf zijn, zijn die banden dan in het algemeen breed? Ik denk bvb aan niet kristal glas.

[Xilvo]

Als je uitgaat van de quantumbenadering en je stuurt licht van 1 frequentie ergens door, dan gaan de fotonen de electronen en kernen doen trillen met toenemende aplitude. Dit veroorzaakt een tweede golf. Beide golven hebben fasesnelheden.

Ik denk niet dat dat zo werkt. Twee golven met gelijke frequentie (dat kan niet anders) maar verschillende fasesnelheden zullen elkaar periodiek verzwakken en versterken, niet samen een golf met een soort gemiddelde fasesnelheid vormen, lijkt me zo.

De gezamelijke golven hebben ook een groepssnelheid die trager is dan de lichtsnelheid. Dat is de reden dat licht zich trager voortplant in een materiaal.

Op zich klopt dat wel maar de snelheid die je bijvoorbeeld bij breking van licht gebruikt is de fasesnelheid, niet de groepssnelheid.

In heel dat proces is er ook nog sprake van absorptie en re-emissie van fotonen door de atomen in de stof zelfs als er netto geen absorptie is bij reële brekingsindex. Anderen noemen die absorptie dan weer geen 'echte' absorptie.

De vraag wanneer je het nog over eenzelfde foton kunt hebben lijkt me lastig te beantwoorden. Misschien is daar wel geen zinvol antwoord op te geven.

[wnvl1]

Als ik het juist begrijp heb je de fotonen die bewegen tegen een snelheid c (lichtsnelheid in vacuum). De fotonen veroorzaken een golfbeweging van de electronen. Deze golfbeweging van electronen heeft een fasesnelheid die kleiner is dan c. Ik zou inderdaad vermoeden dat de frequentie dezelfde is en dat er een verschil in golflengte is. De omhullende van deze 2 golven heeft een bepaalde snelheid. Dat is dan de groepssnelheid. Maar deze groepssnelheid zou dan de fasesnelheid van het licht zijn waarmee we rekenen in de context van de wetten van Maxwell (dus NIET vanuit de QM), om oefeningen op beking op te lossen.

Dat is de uitleg die ik bvb vind bij FermiLab tussen minuut 8 en het einde met wat eigen interpretatie erbij.



Andere professoren hoor ik gelijkaardige dingen zeggen en telkens waarschuwingen dat het moeilijk te begrijpen en uit te leggen is en om QM en Maxwell niet te mengen.

Ik heb er veel vragen bij. Ik zoek nog verder naar een tekst waarin het uitgewerkt is. Het is mij nog te vaag en gebaseerd louter op wat ik lees in fora en youtube films.

[Xilvo]

Dat is de uitleg die ik bvb vind bij FermiLab tussen minuut 8 en het einde met wat eigen interpretatie erbij.

Toen ik het filmpje bekeek en toevallig wat eerder instapte (7:06) zag ik precies wat ik eerder schreef

Twee golven met gelijke frequentie (dat kan niet anders) maar verschillende fasesnelheden zullen elkaar periodiek verzwakken en versterken, niet samen een golf met een soort gemiddelde fasesnelheid vormen, lijkt me zo.

Je zult best een soort golf krijgen met een fasesnelheid die verschilt van die van de samenstellende golven, maar ze doven wel periodiek uit. En niet periodiek in de tijd, zoals het filmpje suggereert, maar periodiek in de voortplantingsrichting. Immers, bij het binnenkomen van het glas of water zijn ze altijd in fase.
Dat lijkt me heel onwaarschijnlijk, dat zou bijvoorbeeld betekenen dat bij een zekere materiaaldikte er geen licht meer uit zou komen, als op die plaats net destructieve interferentie optreedt.

Hij doet alsof er twee losstaande EM velden zijn, eentje van het oorspronkelijke licht en eentje door de daardoor in trilling gebrachte ladingen. Het lijkt mij dat die voortdurend wisselwerken en zo een golf met lagere fasesnelheid opleveren (zonder periodieke uitdoving).

Hij zal best wel begrijpen hoe het zit maar de uitleg kan wat beter.

[Nesciyolo]

De kleur van een voorwerp zoals wij dat zien wordt bepaald door de golflengte van het teruggekaatste licht.
Vraag1. Fotonen met een energie (kleur?) die overeenkomt met het energieverschil van een elektron in verschillende banen wordt door een elektron opgenomen waardoor het elektron in een hogere baan beland. Maar komt er niet weer eenzelfde foton vrij wanneer het elektron terugvalt in zijn oorspronkelijke baan en wordt deze kleur niet alsnog teruggekaatst in plaats van geabsorbeert?
Vraag2. Wat gebeurt er met de fotonen die niet de juiste energie bezitten om een elektron in een hogere baan te krijgen. Ik zou verwachten dat ze niet door een elektron worden gevangen en dus door het materiaal heenvliegen, maar dat gebeurt duidelijk niet. Hoe word op moleculair niveau licht gereflecteerd?
Reflectie en breking van licht kan ik ook niet op moleculair niveau verklaren, maar volgens mij is dat ook alleen maar mogelijk door licht als een golfverschijnsel te beschouwen.

Je haalt misschien 2 dingen door elkaar. Aan de ene kant is er absorptie en emissie door elektronen in verschillende toestanden te brengen. Dat is een heel interessant verschijnsel maar dat is niet hoe we de kleur van voorwerpen in onze omgeving waarnemen. Daar gaat het meestal om eigenschappen van het oppervlak op meer macroniveau.

Verder wil ik aanvullen dat moleculen niet alleen absorberen en emitteren door elektronen in een andere baan te brengen. De belangrijke absorptielijnen van CO₂ voor het broeikaseffect bijvoorbeeld worden uitgelegd met "stretch" en "bend" (uitrekken en buigen) van de verbinding tussen de atomen van het molecuul. Bepaalde fotonen worden geabsorbeerd en brengen de atomen in een trilling van een bepaalde energie en die energie wordt dan vrijgegeven als straling met een heel specifieke frequentie.
Ik vind het ook opmerkelijk dat de fotonen die geabsorbeerd worden van een breder spectrum zijn dan de fotonen die worden uitgestoten maar zo gebeurt dat nu eenmaal. Misschien dat de natuurkundigen hier dat kunnen uitleggen.

[wnvl1]

Zou ik kunnen stellen dat wat ik krijg iets is van het genre

$$ \int _0 ^{2\pi} A(\phi) \sin(\omega t -kx + \phi ) d\phi$$?


Ik tel dus een hele hoop achterkomende golven op met allemaal een verschillende fase. De frequentie en de golflengte zijn steeds dezelfde. Fasesnelheid van elke golf is \(\frac{\omega}{k} = c\). Amplitudedichtheid en fasehoek variabel.
Het resultaat (wat ze dan 'groepssnelheid' noemen) is een golf met als 'fasesnelheid' de fasesnelheid zoals we die dan kennen uit de theorie van Maxwell.

[Xilvo]

Ik denk dat het optellen van een in amplitude afnemende golf (wegens energie-overdracht aan elektronen die in trilling worden gebracht) bij een nieuwe, door die trillende elektronen opgewekte en wegens traagheid iets in fase achterlopende golf, waarbij dit proces zich in de voortplantingsrichting voortdurend herhaalt, wel een leuk idee is.

De integraal zoals die er staat zal altijd nul opleveren.

[wnvl1]

De integraal zoals die er staat zal altijd nul opleveren.

Ik denk het niet. Mijn amplitude dichtheid is faseafhankelijk, anders wel.

[Xilvo]

De integraal zoals die er staat zal altijd nul opleveren.

Ik denk het niet. Mijn amplitude dichtheid is faseafhankelijk, anders wel.

Je hebt gelijk, daar had ik overheen gelezen.

[wnvl1]

Toevallig is er recent op physicsforums ook een topic gestart over de snelheid van licht in glas.

https://www.physicsforums.com/threads/s ... m.1060074/

De uitleg is een beetje gelijkaardig als hier. In het topic verwijzen ze naar 2 filmpjes van een youtubester die filmpjes maakt over QM.



Zij heeft een simulatie geschreven om die integraal waarnaar ik hier verwijs na te rekenen. In stationaire toestand lukt dat. Maar als je een lichtpuls door water stuurt wordt ook het golffront helemaal aan het begin van de puls vertraagd, maar dat kan ze niet simuleren. Nochtans wordt het front van zo een lichtpuls ook vertraagd, maar dat kan je moeilijk verklaren door interferentie omdat je helemaal aan het begin van de puls zit. Blijft een open vraag wat er daar gebeurt.