Эйнар Йейтс
февраль 2017.
913

Почему фотоны одной частоты отражаются от поверхности предмета, а фотоны другой частоты поглощаются?

Ответить
Ответить
Комментировать
0
Подписаться
2
2 ответа
Поделиться
АВТОР ВОПРОСА ОДОБРИЛ ЭТОТ ОТВЕТ

Дуальность природы света (свет это электромагнитная волна, свет это частица) указывает на наличие двух разных ответов: или в рамках Физики электромагнитных волн или в рамках Квантовой электродинамики (КЭД). Волновая интерпретация требует больше места для ответа и дополнительных знаний о физике волн. Квантовая физика непонятна никому (и даже мне), и поэтому займет меньше места и время. Итак, первое что надо взять из КЭД это то, что фотон это частица. Продвинутые называют её квантом электромагнитной поля. Частица эта не обладает массой покоя, но КЭД разрешает ей иметь особую (виртуальную) массу во время её взаимодействия с полями или другими заряженными частицами. Времена этих взаимодействий очень малы (~10¹⁶ сек) и регулируются принципом неопределенности Гейзенберга. Второе, это информация о молекулах, атомах и электронах в рамках КЭД. Молекулы не состоят из атомов, а состоят из ядер и электронов на орбиталях, определяемых химическими связями молекул. Электроны в атомах и молекулах могут существовать только в рамках строгих правил квантования.  Для нас важным является квантование энергии электронов E по правилу: E(n) ∝ -(Z/n)², где Z - заряд ядра, а n =1, 2, ...∞ это номер орбитали или главное квантовое число электрона. Допустим электрону, с квантовым числом n и энергией E(n) передаётся квант энергии электромагнитного поля 𝔼=hν, где h - постоянная Планка, а ν- частота света. Если условие  𝔼 ≥ E(n+k)-E(n) выполняется для k≥1, то электрон за время ~10⁻¹⁶сек исчезнет с уровня энергии n и займет более высокий уровнь энергии n+k (конечно в согласии с запретом Паули), а атом (молекула) перейдет из основного квантового состояния, с наименьшей внутренней энергией, в возбужденное состояние. В зависимости от типа молекулы (атома), энергия возбуждения 𝔼 может переизлучиться электроном в виде фотона. При этом электрон исчезнет с уровня n+k и возникнет на прежнем уровне n. Время релаксации молекулы будет то же ,~10⁻¹⁶сек. Другой сценарий релаксации атома является  поглощение энергии возбуждения в форме тепла, благодаря столкновениям с соседями. Этот процесс значительно более медленный.

  • Отражение света с поверхности материала получим, если суммирование переизлучений всех молекул гладкой поверхности тела подчиняется закону отражения, в соответствии с принципом Гюйгенса — Френеля, ru.wikipedia.org ,
  • Поглощение света зависит от свойств молекул вещества снимать возбуждение (стресс) толкотней с соседями и повышением температуры за счет поглощенной энергии света. 
  • Очевидно, что ни 100% отражения, ни 100% поглощения света в природе не реализуется. В природе процессы эти всегда частично смешаны, а поглощение каких-то частот света и отражение других, объясняет природу цвета предметов.

 Так как энергия возбуждения линейно связана с частотой света, то очевидно, что эффективность и отражения и поглощения света будут завидеть не только от свойств молекул предмета, но и от частоты света также.

И еще несколько слов о распространенной ошибке в интернете (например здесь: www.vokrugsveta.ru ) по поводу объяснения прозрачности в рамках квантовой физики. Якобы энергия видимого света мала, чтобы возбуждать электронные оболочки молекул стекла, и свет просто проскальзывает сквозь молекулы без потерь. Это объяснение неверно. Из него следует  что преломления света не существует.

А правильное объяснение опять же в переизлучении. В прозрачных материалах молекулы эффективно переизлучают падающее излучение с малыми потерями на тепло. Но самое главное в том, что каждый акт переизлучения требует затрат времени. Это время (~10⁻¹⁶ сек) зависит от электромагнитных свойств вещества, частоты света и, накапливаясь по толщине пути света, приводит к задержке времени. А это выражается уменьшением скорости света в этих материалах и соответствующему преломления света.

12
-1

А куда уходит излишек энергии фотона при поглощении его электроном в случае 𝔼 > E(n+k)-E(n)? В случае 𝔼 = E(n+k)-E(n), очевидно, что вся энергия фотона поглощается электроном для того, чтобы он перешел с n на n+k орбиталь.

Хотел уточнить, верно ли я понял суть:

1) Если на поверхность вещества падает фотон с энергией 𝔼 >= E(n+k)-E(n), то этот фотон обязательно будет поглощен веществом на время 10^-16 с, после чего если свойства самого вещества позволяют перевести энергию возбужденного атома в тепловую, то это будет означать, что вещество поглотило фотон. А если свойства вещества не позволяют перевести энергию возбужденного атома в тепловую, то атом вернется в стабильное состояние и при это испустит фотон с такой же частотой, который и был поглощен прежде -- это будет означать, что поверхность отразила фотон.

2) Если на поверхность вещества падает фотон с энергией 𝔼 < E(n+k)-E(n), которой недостаточно, чтобы перевести любой из электронов атома на оболочку n+k, где k>=1, то этот фотон отражается моментально даже не поглотившись атомом на время 10^-16 с? 

0
Ответить

Излишек энергии это рассеянный фотон, который продолжит лететь в слегка измененном направления вперед с соответственно измененной (увеличенной) длиной волны. 

1. ... приблизительно 10^-16 ...  далее все ОК. Только не надо забывать, что падающую фотон имел строгое направление. Излученный же фотон летит в случайном направлении изотропно.

2. Не верно. Если энергия мала, электроны не видят фотон и он проникает внутрь вещества.

И еще одно дополнение. Процессы переизлучения или поглощения являются вероятностными. В зависимости от вещества, вероятности этих процессов варьируются. В квантовой механике нет неизбежностей :) 

+1
Ответить

Благодарю за ответ. Удивительно, что на просторах интернета так тяжело найти  вразумительное объяснения этим процессам. 

Теперь все стало намного понятнее :)

0
Ответить
Прокомментировать

Если речь идёт о фотонах, то есть с точки зрения корпускулярной теории света, то примерно потому же, почему горошина отскакивает от деревянной стены, а пуля погружается в неё и застревает внутри – энергия частиц разная.

2
-2

Есть проблема в вашем ответе. Для видимого света стекло прозрачно. Для ультрафиолета - не прозрачно. Энергия ультрафиолета больше.

+1
Ответить

Так надо честно считать всю механику. Это не надо понимать в том смысле, что существует прямая пропорциональность между энергией и проницающей способностью. Пуля, например, от воды может отразиться, а кирпич - нет.

0
Ответить

Корпускулярная теория света успешно описывает явление отражения с позиций классической механики. В отражении света от диэлектрической поверхности нет ничего такого, что требовало бы учёта квантовых эффектов.

0
Ответить
Прокомментировать
Ответить