Frage:
Warum sind nicht alle Dielektrika transparent?
user115153
2018-05-25 17:47:20 UTC
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Leiter sind undurchsichtig, weil die freien Ladungen auf ihrer Oberfläche beim Auftreffen einer Maxwellschen Welle eine weitere Welle erzeugen, die diese im Bereich des Raums jenseits dieser Oberfläche destruktiv stört.Dies ist bei Dielektrika nicht der Fall.Warum sind dann einige von ihnen, zum Beispiel Holz oder Gummi, noch undurchsichtig?

Ich würde mich sehr über eine Antwort freuen, die klassischen Elektromagnetismus anstelle von QM, Photonen, Absorptionsspektren usw. verwendet.

Bandlücken als solche existieren nur in perfekten Kristallen.Ein amorphes, körniges oder anderweitig makroporöses oder Matrixmaterial hat keine wechselseitige Gittergrenze oder andere Effekte dominieren die optischen Eigenschaften.Reine dielektrische * Kristalle * sind im Allgemeinen für Photonenenergien transparent, die niedriger als ihre Bandlücke sind.
Referenz: [Annahmen und Grenzen der Bandstrukturtheorie] (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_band_structure#Assumptions_and_limits_of_band_structure_theory)
Fragen Sie sich, warum Materialien, die bei Frequenzen nahe dem Gleichstrom dielektrisch sind, bei sichtbaren Frequenzen nicht transparent sind, oder fragen Sie sich, ob Materialien bei denselben Frequenzen gleichzeitig dielektrisch und transparent sind?
@Eric Towers Ich bin mir nicht sicher, wofür DC steht, aber ich würde letzteres sagen.
DC = "Gleichstrom", dh bei üblichen Frequenzen für Leitfähigkeitsmessungen.
Zwei antworten:
Gilbert
2018-05-25 18:08:49 UTC
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Sie können die Quantenmechanik nicht vollständig vermeiden, aber es kann genügen zu sagen, dass Reflexionen durch freie Elektronen nicht die einzige Möglichkeit sind, die Übertragung zu verhindern.Jede Situation, in der Licht ein Elektron von einem Zustand niedriger Energie in einen Zustand höherer Energie befördern kann, verursacht eine Absorption, unabhängig von der Gleichstromleitfähigkeit.Oder selbst bei geringer Absorption kann eine massive Lichtstreuung durch viele kleine Partikel oder viele ungeordnete Grenzflächen die Übertragung verhindern.Ein paar kurze Beispiele:

  1. Halbleiter mit einer Bandlücke, die kleiner als die Lichtenergie ist (z. B. Silizium, Graphit).

  2. Materialien aus vielen kleinen Streuern (z. B. Holz, Farbe, Haut).

  3. ol>
Farbe ist ein gutes Beispiel.Titandioxid ist ein transparenter Kristall.Wenn es zu einem feinen Pulver zerkleinert wird, entsteht ein weißer Farbstoff mit hervorragenden "Versteckeigenschaften".Die Lackbasis ist auch für sich transparent.Dies funktioniert, weil der Brechungsindex von TiO2 im Verhältnis zur Lackbasis so hoch ist, dass das Pulver immer noch Licht streut.
Tatsächlich.Schnee ist weiß, aber es ist dasselbe wie Eis und Wasser: transparent.Holz ist Cellulosa (Zellophan) mit vielen Zellwänden, die das Licht streuen.
Und dies gibt dem OP übrigens auch die Antwort auf die Frage "Warum ist Papier weiß?"als Bonus!
leftaroundabout
2018-05-25 20:53:14 UTC
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Nur weil das Material keine Ströme im makroskopischen Maßstab leitet, heißt das nicht, dass es überhaupt keine beweglichen Ladungen enthält. Tatsächlich enthält ein solches Material, wie der Name „Dielektrikum“ schon sagt, Ladungen, die bis zu einem gewissen Grad getrennt werden können - Elektronen bewegen sich ein wenig zur einen oder anderen Seite, verabschieden sich nie von ihrem Elternatom, erzeugen aber dennoch ein signifikantes Feld.

Wenn Licht auf ein solches Material trifft, neigen die Elektronen dazu, synchron mit der einfallenden EM-Welle zu schwingen. Dies erzeugt ein sekundäres elektromagnetisches Feld mit der gleichen Frequenz, das sich zum ursprünglichen Feld addiert, ähnlich wie es die größeren Ströme unter der Oberfläche eines Leiters tun. Anders als bei einem Leiter sind die Elektronen nicht frei beweglich, so dass dieses Feld die ankommende Welle nicht vollständig aufheben kann, aber es passiert auch nicht völlig ungehindert:

  • Ein Teil der Energie, die die Sekundärwelle zurückgibt, ist nicht in die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung gerichtet, sondern rückwärts: Ein Teil des Lichts wird reflektiert . (Dies passiert auch für Leiter fast perfekt, weshalb Metalle glänzend sind.)
  • Die Sekundärwelle ist nicht vollständig mit der eingehenden Welle synchronisiert, weist jedoch im Allgemeinen eine gewisse Phasenverzögerung auf (wie beim Schütteln eines Pendels). Infolgedessen sieht die Welle „verzögert“ aus, als ob sie einen längeren Weg durch das Material zurückgelegt hätte als tatsächlich - von außen betrachtet bedeutet dies, dass die Wellenlänge trotz konstanter Frequenz verkürzt wird. Da die Wellenfront jedoch immer noch überall synchron sein muss, erhalten Sie Brechung .

Beide Effekte sind bei klarem Glas sehr bemerkenswert: Ein Teil des Lichts wird reflektiert, anstatt durchzugehen, und das durchgelassene Licht wird gebrochen. Beachten Sie, dass bei einer Glasscheibe die Brechung nicht viel bewirkt, sondern nur die Richtung ein wenig ändert, wenn das Licht eintritt, und dann wieder zum Original zurückkehrt, wenn es austritt. Aber für Materialien, die nicht so homogen sind, wie Styropor, erhalten Sie nicht nur eine Reflexion und Brechung, sondern viele, viele mikroskopische Oberflächen, die alle in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind. Selbst wenn jede Mikrooberfläche den größten Teil des Lichts durchlässt, gelingt es ihr nicht, sehr weit in das Material einzudringen, sondern sie wird vollständig gestreut „reflektiert“. Und genau das passiert bei allen Materialien, die weiß aussehen. Die meisten von ihnen sind immer noch etwas transparent, aber wenn die Komponenten ausreichend fein und brechend sind, wird es nicht weiter als ein paar Mikrometer kommen.

Bei Materialien, die farbig oder sogar schwarz aussehen, passiert zusätzlich noch etwas anderes: Die vibrierenden Elektronen nehmen tatsächlich einen Teil der Energie der ankommenden Welle weg und übertragen sie überhaupt nicht mit dieser Frequenz erneut, sondern „konvertieren“ ”Auf andere Energieformen - normalerweise entweder niederfrequentes Licht ( Fluoreszenz ) oder ladungsneutrale Gitterschwingungen (die sich als Wärme manifestieren). Es ist problematisch zu erklären, wie diese Umwandlung ohne Quantenmechanik funktioniert, aber Sie können sie sich grundsätzlich als gedämpfte Schwingung vorstellen - die Schwingung weist „Reibung“ auf. Oft geschieht dies aufgrund molekularer Resonanzen nur in einem bestimmten Frequenzband auf einem signifikanten Niveau. So entsteht dann color , weil unterschiedliche Lichtfrequenzen auf unterschiedliche Anteile gedämpft werden.

„... Material enthält Ladungen, die bis zu einem gewissen Grad getrennt werden können - Elektronen bewegen sich ein wenig zur einen oder anderen Seite, verabschieden sich nie von ihrem Elternatom, erzeugen aber dennoch ein signifikantes Feld.”Gilt diese Erklärung nicht für scharfe Kanten und das Phänomen der Lichtbrechung hinter solchen Kanten?
Ich genieße diese Antwort, weil sie nicht nur die Frage nach der Transparenz beantwortet, sondern auch Dinge erklärt, die farbig oder schwarz oder weiß erscheinen.


Diese Fragen und Antworten wurden automatisch aus der englischen Sprache übersetzt.Der ursprüngliche Inhalt ist auf stackexchange verfügbar. Wir danken ihm für die cc by-sa 4.0-Lizenz, unter der er vertrieben wird.
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