Fragezeichen

ScienceBlogs.de-Leser Ingo treibt, wie er schreibt, die folgende Frage um:

Wie genau funktioniert eigentlich die Reflektion von Licht auf Quantenmechanischer Teilchen-Eben?

a) Warum bleibt die Kohärenz eines Laserstrahls erhalten, wenn er in einem Spiegel reflektiert wird? Der Spiegel besteht nur aus Atomen/Molekülen und stellt keine perfekte Ebene da. Der Laserstrahl ist in der Realität auch nicht zu 100% auf einen Punkt gebündelt, sodass die jeweilen Phontenen nicht immer am gleichen “Spiegel-Molekül” reflektieren werden. Jedes Photon wird daher in einer anderen Distanz reflektiert,- daher müsste der Laserstrahl seine Kohärenz verlieren. Tut er aber nicht. Warum?

b) Wie genau wird ein Photon zurückgeworfen? Werden die Elektronen der Moleküle im Spiegel angeregt, und strahlen anschließend das Photon wieder ab, so wie bei einem normalen Leuchten? Falls ja: Warum gibt es keine Verzögerung, und warum wird das Photon im richtigen Winkel zurückgeworfen? Warum behält es seine Phase bei? Welche anderen Eigenschaften bleiben erhalten, und welche gehen verloren?

c) Wieso spielt die Polarisation eine Rolle? Betrachtet man ein reflektiertes Spiegelbild durch verschiedene Polarisationsfilter, so zeigen sich Unterschiede. Warum?

d) Im Wellenmodell ist es etwas einfacher, aber auch dort stellt sich die Frage, warum die Phase erhalten bleibt, wenn der Spiegel nicht eine 100% glatte Ebene ist. Eine Wellenreflektion an einer diffusen Oberfläche sollte ein diffuses Spiegelbild zur Folge haben, wo die Phase (und damit die Kohärenz) verloren geht.

Gruss
Ingo

Kommentare (7)

  1. #1 Mars
    6. November 2018

    das klingt ja wirklich spannend
    wenn es mir eingefallen wäre, hätte ich das auch fragen wollen – schmunzel-Icon –
    da freue ich mich auf antworten,
    … denn ich hätte keine ahnung wo ich ansetzen soll.
    prima

  2. #2 Ingo
    6. November 2018

    @Juergen: Vielen dank fuer das Frageposting :-)

  3. #3 Alderamin
    6. November 2018

    Ich versuch’ mich mal:

    Ich gehe von einem Spiegel mit metallischer Reflexionsschicht aus. In Metallen sind Elektronen frei beweglich. Ich rede hier im folgenden immer nur vom elektrischen Feld der elektromagnetischen Welle, für das magnetische gilt analoges.

    Jedes Photon wird daher in einer anderen Distanz reflektiert,- daher müsste der Laserstrahl seine Kohärenz verlieren. Tut er aber nicht. Warum?

    Besser mit dem Wellenmodell arbeiten. Die Elektronen machen im elektrischen Feld des Lichts eine erzwungene Schwingung mit, und die ist um 180° phasenverschoben gegen die einlaufende Welle (d.h. dass sich das so erzeugte elektrische Feld mit dem einlaufenden Feld hinter dem Elektron auslöscht, d.h. die Welle wird nur reflektiert). Die reflektierte Welle ist in fester Phasenbeziehung zur einlaufenden Welle, d.h. es ist egal, wo die Welle reflektiert wird, in welcher Tiefe des unebenen Spiegels, die Reflexion hat immer die richtige Phase.

    Wie genau wird ein Photon zurückgeworfen? Werden die Elektronen der Moleküle im Spiegel angeregt, und strahlen anschließend das Photon wieder ab, so wie bei einem normalen Leuchten?

    Nein, so passiert das bei diffuser Reflexion an nichtmetallischen, nichttransparenten Stoffen, und die Reflexion ist dann farbig, weil in Atomen gebundene Elektronen nur Photonen absorbieren können, die sie auf ein anderes gültiges Energieniveau des Atoms heben. Spiegel haben, wie gesagt, normalerweise eine metallische reflektierende Fläche (Aluminium, Silber, …) in denen ungebundene Elektronen mit Photonen jeder Energie interagieren können, deswegen erhält die Reflexion die Farbe, die Phase (+180°) und Amplitude des reflektierten Lichts.

    Wieso spielt die Polarisation eine Rolle?

    Polarisation spielt bei streifender Reflexion eine Rolle. Wenn das Licht sflach streifend auf eine Fläche fällt, dann können die Elektronen an der Oberfläche nur Bewegungen in der Ebene vollziehen, d.h. derjenige Anteil des elektrischen Felds, der in der Ebene der Fläche schwingt, kann erzwungene Schwingungen auslösen, jedoch nicht ein Anteil, der senkrecht zur Ebene nach oben und unten schwingt. D.h. in der streifenden Reflexion wird das Licht polarisiert.

    Bei senkrechtem Einfall liegt die Schwingungsrichtung des elektrischen Felds, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts ausgerichtet ist (Transversalwelle!), immer in der Ebene der reflektierenden Fläche, egal wie die Orientierung des Feldes ist, deswegen ist senkrecht reflektiertes Licht nicht polarisiert.

    Im schrägen Einfall (zwischen streifend und senkrecht) hat man eine Mischung aus polarisiertem Anteil und einer abgeschwächten Komponente senkrecht zur reflektierenden Ebene, je nachdem wie flach der Einfallswinkel ist. (Das müsste man jetzt zeichnen…)

    Im Wellenmodell ist es etwas einfacher

    Da ich’s damit schon oben erklärt habe: Um zu verstehen, was genau mit einem Photon und einem Elektron passiert, wenn man das Teilchenmodell betrachtet, braucht man die Quantenmechanik, da gibt’s dann Wahrscheinlichkeitswellen, die auch Phasen haben, und der genaue Ort des Photons und Elektrons sind nicht scharf bestimmbar. Da kann man nicht mit klassischer Physik argumentieren. Da bleibe ich lieber beim Wellenmodell, damit versteht man die Reflexion ziemlich einfach.

  4. #4 Ingo
    6. November 2018

    @Alderamin #3
    Die freien Elektronen !
    Nicht die im Atomkern gebundenen die fest an ihre Schwingungsebenen (Orbitale) gebunden sind !

    Manchmal braucht es nur ein kleines Stichwort,- und dann wird die Antwort klar(er).

    Bleibt aber noch die Frage warum die ausgehene Welle genau den richtigen Winkel hat.
    Im genau Senkrechten Fall: Geschenkt.
    Aber im halb-schraegen Fall ?

    Wenn ich mir vorstelle, dass das eingehene Photon das freie Elektron in Schwingung versetzt,- dann muesste es wie ein Diplol abstrahlen,- und damit als Rundstrahler wirken.

    Wenn jedoch viele Elektronen (in der Flaeche) jeweils einen Dipol ergeben,- dann ergibt sich zusammen eine Art Phased-Array-Antenne, die eine gerichtete Abstrahlung hat (Wie in einer Flachsattelitenantenne).

    Wenn man dann animmt, dass die Welle bei schraeger Einstrahlung die jeweiligen Dipols mit unterschiedlicher Phase anstrahlt, da die Entfernung beim einen Ende der gekipten Ebene naeher ist als das andere …

    … dann ergibt sich (genau wie bei einer Phased Array Antenne) eine schraeg ablaufene Welle.

    *Click*

    https://de.wikipedia.org/wiki/Phased-Array-Antenne

  5. #5 Herr Senf
    6. November 2018

    Da ist zwar ein ganzes Lehrbuch gefragt, aber erstmal die Größenordnungen:
    – der Abstand von Atomen beträgt etwa 0,1 nm = 1 Angström,
    – die Wellenlänge des Lichts ist 500 nm, das merkt die “Atomrauigkeit” nicht
    – weil Spiegel werden besser als 10% der Wellenlänge 50 nm geschliffen

  6. #6 Alderamin
    6. November 2018

    @Herr Senf

    weil Spiegel werden besser als 10% der Wellenlänge 50 nm geschliffen

    Ist auch ein Grund, betrifft aber nur hochgenaue Spezialoptiken, nicht den Badezimmerspiegel, der ist so genau nicht (hab’ mal versucht, einen ordinären Rasierspiegel als Objektivlinse kombiniert mit einem Okular zu benutzen – NOT!)

    Ich denke, die feste Phasenbeziehung ist wichtiger.

    Angenommen, die senkrecht einlaufende Wellenfront trifft an einem Elektron 1 mit Phase x ein und ein Stückchen daneben bei Elektron 2 ist der Weg etwas länger, die Phase ist dort zur selben Zeit y. Die Welle in Punkt 1 ist grundsätzlich deckungsgleich mit der in Punkt 2, nur ist der Wellenzug bei 2 ein wenig länger.

    Dann reflektiert Elektron 1 mit Phase x+180° und Elektron 2 mit Phase y+180°. Das ist in beiden Fällen genau dieselbe Welle, die einlief, nur auf den Kopf gestellt, d.h. die reflektierten Wellen sind wieder deckungsgleich zueinander. Deswegen erhält die Reflexion die Kohärenz der Wellenfront, auch wenn die Oberfläche nicht exakt eben ist.

    Es sei denn, die Wegunterschiede der Wellenfront zu Punkt 1 und Punkt 2 sind sehr groß.

  7. #7 Ingo
    7. November 2018

    Ich begebe mich hier mal auf auesserst duennes Halbwissen-Eis,- und bitte um Kommentare wo genau ich eingebrochen bin.

    Im Teilchenmodell ist die Fragestellung “Warum reflektiert ein Spiegel im richtigen Winkel” schwieriger zu beantworten.

    Im Prinzip steckt dahinter die etwas falsche Vorstellung ein Photon waere eine Art Murmel die in einer definierten Richtung losfliegt.
    Es wuerde dann auf genau ein Spiegel-Elektron stossen, dieses in Schwingung versetzen,- und dabei vernichtet werden.
    Das schwingende freie Elektron strahlt dann nach Dipol-Art ein neues Photon aus, und verliert dabei seine Bewegungsenergie. Das neue Photon koennte dann in eine beliebige Richtung losfliegen.

    So ist es aber nicht.

    Erst in der Quantentheorie wird es schluessig.
    Beim Anflug auf den Spiegel hat das Photon garkeine genau definierte Flugrichtung. Stattdessen hat es viele Flugrichtungen gleichzeitg (Superposition).
    Mit einer (Wahrscheinlichkeits-)Wellenfunktion kann man die wahrscheinlichste Flugrichtung berechnen,- aber man kann sie nicht messen.
    Da es “mehrere Flugrichtungen gleichzeitig” gibt werden “mehrere freie Elektronen des Spiegels gleichzeitig getroffen” (Superposition)

    Wuerde man hier nachmessen, so wuerde man feststellen dass genau ein Elektron in Schwingung versetzt wird. (Kollaps der Wellenfunktion,- das Ereignis “Photon trifft Elektron” hat jetzt einen ganz bestimmten Raumzeitpunkt.)
    Jetzt wuerde das Photon tatsaechlich mit nur einen Elektron wechselwirken und dabei verschwinden. Das Elektron wird durch die Welchselwirkung in Schwingung versetzt,- dadurch entsteht ein neues Photon, welches dem Elektron die Bewegungsenergie wegnimmt. Das Elektron wuerde dann tatsaechlich in eine beliebige richtung losfliegen.

    Da hier aber keine Messung stattfindet laesst sich das Ereignis “Photon trifft Elektron, Elektron schwingt kurz, neues Photon entsteht” nicht genau lokalisieren.
    Stattdessen schwingen alle Elektronen im Erfassungsbereich das Lasers in einer Art Superposition,- und senden ein Superpositioniertes Photon aus, dessen Richtungswahrscheinlichkeitswelle mit sich selber interferiert.
    Durch die Intereferenz der Wahrscheinlichkeitswellen wird nach der Reflektion nur eine ganz bestimmte Flugrichtung wahrscheinlich.
    Diese wahrscheinliche Flugrichtung ist genau der im Alltag beobachtete richtige Winkel nach der Reflektion.
    Das Photon kann nur an einer bestimmten Stelle eine Wirkung erzeugen.

    So hat der Spiegel vieles gemeinsam mit dem Doppelspaltexperiment, und ist ohne Quantenmechanik nicht zu erklaeren.