weerkaatsing fotonen?

Menno Uphoff

Ik heb een vraag:

Op school hebben we de wet van weerkaatsing geleerd, dus dat de hoek van uitval van licht bij weerkaatsing op een spiegel gelijk is aan de hoek van inval, de diepere theorieën erachter hebben we helaas niet gehad.
Als je licht als deeltjes en dus fotonen ziet, dat wordt het foton eerst geabsorbeerd, het elektron verspringt naar een hogere baan, en het elektron valt na x tijd weer terug naar de originele baan, en er wordt een nieuw foton uitgestoten.
Maar hoe 'onthoudt' het atoom/elektron de hoek van inval, en als de tijd tussen opname en uitstoot van het foton niet vast staat, hoe 'zorgt' het atoom dat het bij het terugvallen in de grondtoestand het foton precies in de juiste hoek uitstoot?
Ik weet bijna zeker dat als je in dit voorbeeld licht als golf bekijkt er een makkelijke verklaring voor dit fenomeen is, maar ik ben nu juist op zoek naar een verklaring voor het licht als deeltje.
Weet iemand hier een antwoord op?

jkien

Een atoom van een spiegelend oppervlak (geen metaal) verstrooit de invallende lichtbundel isotroop, d.w.z. in alle richtingen even sterk. Het atoom doet dat zonder te weten uit welke richting de invallende lichtbundel komt en zonder rekening te houden met de positie van eventuele naburige atomen. De vertraging van het door het atoom verstrooide licht is verwaarloosbaar (veel kleiner, <0.1%, dan de trillingstijd van licht, die ongeveer 1 femtoseconde bedraagt). Als je dan van alle atomen de golffronten gaat optellen heeft dat hetzelfde resultaat als het principe van Huygens, zoals in de figuur. (Duidelijker dan de figuur is het java-applet waarvan de figuur een screenshot is: NTNUJAVA).

: Huygens.png (9.7 KiB) 1280 keer bekeken

Bartjes

De oorspronkelijke vraag gaat over de terugkaatsing wanneer je licht beschouwt als een stroom van fotonen (dus deeltjes). Dan kan je Huygens niet toepassen, en dat maakt de vraag van de TS ook zo interessant. Ik heb het antwoord ook niet paraat, maar ik zou het zoeken in de richting van impuls- en energiebehoud.

317070

Bartjes schreef: De oorspronkelijke vraag gaat over de terugkaatsing wanneer je licht beschouwt als een stroom van fotonen (dus deeltjes). Dan kan je Huygens niet toepassen, en dat maakt de vraag van de TS ook zo interessant. Ik heb het antwoord ook niet paraat, maar ik zou het zoeken in de richting van impuls- en energiebehoud.

Neenee, Huygens is wel relevant en het correcte antwoord.
Niet vergeten dat theoriën op elkaar gestapeld zijn, en dat weerspiegeling wordt verklaard door de golftheorie van Huygens. Die laatste wordt op zijn beurt VOLLEDIG verklaard door de veldentheorie van Maxwell. Die laatste wordt op zijn beurt VOLLEDIG verklaard door de quantumtheorie. Alle bovenliggende theorieën bevatten de basis om het effect in de moeilijkere onderliggende lagen te begrijpen, het enige wat je nodig hebt is de relatie tussen de theorieën. Dat is een algemene methode die je kunt gebruiken om macro-fenomenen op een micro-niveau uit te leggen.

Dus wat er gebeurt in termen van fotonen?
Stap 1) Spiegelwet: De lichtbundel wordt weerspiegeld. (Dus de uitgaande fotonenbundel heeft die specifieke hoek)
Stap 2) Huygens: Die exacte hoek wordt veroorzaakt door destructieve interferentie op de andere hoeken. (Dus in iedere andere hoek komen geen fotonen door interferentie)
Stap 3) Maxwell: Elektro-magnetische velden worden nul bij destructieve interferentie. (Dus fotonen in de andere hoeken verdwijnen doordat het elektro-magnetische veld nul wordt)
Stap 4) Quantum: golf-propagatie in een elektromagnetisch veld bestaat eigenlijk uit het optellen van probabiliteiten van verschillende golfpakketjes (of fotonen). Je integreert die golfpakketjes over alle mogelijke paden, het enige pad met met constructieve interferentie is het pad dat het golfpakketje uiteindelijk volgt.

Ieder foton komt dus toe op het atoom van de spiegel EN op zijn buren met een bepaalde probabiliteit en wordt meteen in een willekeurige richting uitgestoten door die atomen. De probabiliteit dat hij uiteindelijk een bepaald pad volgt moet je integreren over alle mogelijke paden die het foton volgt vanuit dat atoom en vanuit alle mogelijke buren. Aan het einde van die integraal blijkt dat er overal destructieve interferentie is, behalve in de richting die de spiegelwet voorspelt. Bijgevolg is die richting veruit de meest waarschijnlijke richting om het foton in terug te vinden.

Bartjes schreef: Ik heb het antwoord ook niet paraat, maar ik zou het zoeken in de richting van impuls- en energiebehoud.

Nee, een foton volgt gewoon alle mogelijke paden met een bepaalde probabiliteit, en valt dus in op verschillende atomen, elk met een bepaalde probabiliteit.

Over impuls- en energiebehoud valt niet veel te zeggen, aangezien één atoom een foton in een willekeurige richting uitstuurt.

Bartjes

@ 317070

Dat zal volgens de moderne kwantumfysica wel het juiste antwoord zijn.

Toch vraag ik mij af of het vanuit deeltjesperspectief niet eenvoudiger kan. Wanneer je licht als een golfverschijnsel beschouwt lukt het immers ook zonder kwantummechanica, wellicht gaat dat voor de deeltjesbenadering (wanneer je de weerkaatsing als een elastische botsing van het foton tegen een vast verankerde spiegel beschouwt) ook wel. Maar ik ben daar niet zeker van, het is slechts een vermoeden.

317070

Bartjes schreef: Toch vraag ik mij af of het vanuit deeltjesperspectief niet eenvoudiger kan. Wanneer je licht als een golfverschijnsel beschouwt lukt het immers ook zonder kwantummechanica, wellicht gaat dat voor de deeltjesbenadering (wanneer je de weerkaatsing als een elastische botsing van het foton tegen een vast verankerde spiegel beschouwt) ook wel. Maar ik ben daar niet zeker van, het is slechts een vermoeden.

Een foton heeft geen elastische botsing op een atoom (dat geen quantummechanisch element is). Het interageert met een elektron. Zo eenvoudig is het dus niet.

(Dat met deeltjes is trouwens Newton's theorie over reflectie

http://www.thestargarden.co.uk/NewtonAndLight.html )

Bartjes

Leuk filmpje:

Het deeltjesmodel van licht kan dus nog wel reflectie verklaren, hoewel het voor veel andere verschijnselen spaak loopt.

Menno Uphoff

Zeer bedankt voor de antwoorden.

Ik zit momenteel in klas 2 gymnasium, en ken sommige begrippen dus niet volledig omdat we die (jammer genoeg) nog niet krijgen. Het enige wat wij hierover hebben gekregen is het feit dat de hoek van uitval negatief dezelfde hoek is als die van inval, en dus hebben we de onderliggende principes niet gehad. Het filmpje heeft mij wel geholpen, maar heeft het over een letterlijke botsing. Terwijl licht wordt opgenomen en weer uitgezonden, precies hetzelfde als wat 317070 zegt:

317070 schreef:Een foton heeft geen elastische botsing op een atoom (dat geen quantummechanisch element is). Het interageert met een elektron. Zo eenvoudig is het dus niet.

En ook snap ik de theorie achter destructieve interferentie wel, en dat bij het geval van weerkaatsing de fotonen alleen het pad met de zelfde hoek kunnen nemen, maar dan vraag ik mij af of de fotonen zich niet een moment in een andere hoek bevinden, voordat destructieve interferentie plaatsvindt.

Het kan dat het antwoord te ingewikkeld is voor een 2e klasser, maar ik zou het fijn vinden als het jullie lukt een voor mij makkelijk te begrijpen model van de werking te schetsen.

Bartjes

In de natuurkunde van het licht waren er een tijd lang twee aanschouwelijke modellen: het deeltjesmodel en het golfmodel. Die hadden beide hun sterke en zwakke punten. Pas in de kwantumfysica heeft men een theorie gevonden die een redelijk precieze beschrijving van het licht geeft waarin zowel het deeltjesaspect als het golfaspect van het licht tot hun recht komen. De voorspellingen van die theorie kloppen, maar de aanschouwelijkheid is een stuk minder dan bij de oude golf- en deeltjestheorieën. Ook bestaat er nog steeds discussie over de juiste interpretatie van de kwantummechanica. Dat is allemaal verre van eenvoudig. Ik kan je daar ook niet verder mee helpen omdat ik er zelf ook nog niet genoeg vanaf weet.

jkien

Menno Uphoff schreef:Het filmpje heeft mij wel geholpen, maar heeft het over een letterlijke botsing. Terwijl licht wordt opgenomen en weer uitgezonden

Het is een vergissing dat er bij reflectie licht wordt opgenomen en weer uitgezonden. Als dat het geval was dan zou reflectie sterk afhankelijk zijn van de kleur (frequentie) van het licht, omdat een elektron naar een beschikbare hogere toestand toe moet. De werkelijkheid is dat een spiegel geen voorkeur voor bepaalde kleuren heeft. De werkelijkheid is dat het licht gedurende de reflectie een golf is.

Vergelijk het met fluorescentie, dan wordt licht wel opgenomen en weer uitgezonden. Fluorescentie is afhankelijk van de kleur van het licht. Fluorescentie levert echter geen spiegelende reflectie op, omdat het tijdsverschil tussen opnemen en uitzenden te groot is (beter: de variabiliteit van dat tijdsverschil is te groot).

317070

Menno Uphoff schreef: maar dan vraag ik mij af of de fotonen zich niet een moment in een andere hoek bevinden, voordat destructieve interferentie plaatsvindt.

Dat heb je goed gezien, en het antwoord daarop is niet simpel om je voor te stellen.

Het is verkeerd om een foton te zien als een bolletje, een deeltje. Voor sommige kenmerken is foton-bolletje een goede vergelijking, voor sommige niet.
Als je het foton als een bolletje wil zien, dan moet je er rekening mee houden dat het (in tegenstelling tot een gewoon bolletje) op meerdere plaatsen tegelijk kan zijn, en dat het niet op al die plaatsen evenveel aanwezig is. Maar het is nog steeds ondeelbaar! Een foton kan dus op een bepaald moment zowel 60% op plaats A zijn, en 40% op plaats B.
Om het nog vreemder te maken, als we dan zouden proberen te kijken en meten of het foton op plaats A of B is, dan zouden we het altijd slechts op één plaats terugvinden, want een foton is ondeelbaar. Maar we zouden het met 60% kans op plaats A vinden, en met 40% kans op plaats B.

Het gaat nog verder. Omdat het foton op veel plaatsen tegelijk is, neemt het eigenlijk alle mogelijke paden tegelijkertijd, en achteraf bij het meten vinden we dan (meestal) het pad dat het meest waarschijnlijk is.

In het geval van een spiegel is het ook dat dat gebeurt. Één enkel foton probeert alle paden, botst op die paden met verschillende atomen. De meeste van die paden gaan echter destructief met elkaar interfereren, en enkel het pad van de spiegelwet blijft over.

Bartjes

Ziehier voor een moderne verklaring uitgaande van het deeltjesmodel:

http://physics.weber.edu/galli/RelativisticReflection.pdf

Alleen het stukje over de stilstaande spiegel is hier relevant.

317070

Bartjes schreef: http://physics.weber.edu/galli/RelativisticReflection.pdf

Maar het is niet echt een verklaring van de spiegelwet. Als die redenering altijd zou kloppen, dan zouden er geen dingen als fluorescentie zijn. Daar zijn de invallende kenmerken van het foton ook hetzelfde, maar is het effect anders.

Bartjes

Dat klopt, het deeltjesmodel heeft maar een beperkte toepasbaarheid. Maar dat de hoek van inval bij reflectie aan een stilstaande spiegel gelijk is aan de hoek van terugkaatsing kan je ermee verklaren. Veel andere dingen inderdaad niet.

317070

Bartjes schreef: Dat klopt, het deeltjesmodel heeft maar een beperkte toepasbaarheid. Maar dat de hoek van inval bij reflectie aan een stilstaande spiegel gelijk is aan de hoek van terugkaatsing kan je ermee verklaren. Veel andere dingen inderdaad niet.

Nee, daar ben ik het niet mee eens. Ook bij fluorescentie is er behoud van impuls en energie en een foton dat invalt op een oppervlak, maar toch kom je niet bij de spiegelwet uit. Bijgevolg kan het deeltjesmodel geen verklaring geven voor de spiegelwet, omdat het niet in staat is om een onderscheid te maken met bijvoorbeeld fluorescentie, dat voldoet aan dezelfde voorwaarden en aannames, maar met een ander eindresultaat.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

weerkaatsing fotonen?

weerkaatsing fotonen?

Re: weerkaatsing fotonen?

Re: weerkaatsing fotonen?

Re: weerkaatsing fotonen?

Re: weerkaatsing fotonen?

Re: weerkaatsing fotonen?

Re: weerkaatsing fotonen?

Re: weerkaatsing fotonen?

Re: weerkaatsing fotonen?

Re: weerkaatsing fotonen?

Re: weerkaatsing fotonen?

Re: weerkaatsing fotonen?

Re: weerkaatsing fotonen?

Re: weerkaatsing fotonen?

Re: weerkaatsing fotonen?