Im Reflexionsgesetz ist der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel.Warum ist das wahr?Dies ist experimentell eindeutig wahr, aber wie beweist man dies mathematisch?
Im Reflexionsgesetz ist der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel.Warum ist das wahr?Dies ist experimentell eindeutig wahr, aber wie beweist man dies mathematisch?
Dies wird von Feynman mit seinen Pfadintegralen wunderbar erklärt.
Ich kann nicht hoffen, es besser zu machen, sondern nur einen kurzen nicht-mathematischen Überblick. Was an der Theorie umwerfend ist, ist die Annahme, dass einzelne Photonen (auf der Ebene der Quantenelektrodynamik) tatsächlich in jeder möglichen Richtung von jedem Atom des Spiegels "reflektiert" werden Oberfläche. Wenn Sie berechnen, wie sich all diese "Reflexionen" gegenseitig stören, werden Sie feststellen, dass dies nicht zu Chaos führen würde, da die meisten von ihnen dazu neigen, sich gegenseitig zum Schweigen zu bringen, mit Ausnahme von für einen Ausgangswinkel. Die Stummschaltung liegt daran, dass je nach Zeitpunkt jedes möglichen Pfades die Phasen an einem Ort entgegengesetzt sein können. Nach der Theorie bedeutet dies, dass das Photon dort wahrscheinlich nicht erscheinen würde. Das Tolle daran ist, dass für das "Summieren" (Integrieren) der Phasen all dieser zig Millionen Pfade kein Supercomputer erforderlich ist, sondern in wenigen Minuten kleine Bilder auf eine Tafel gezeichnet werden können - siehe Video.
Die Antwort von hardit54 ist sehr präzise und klar und gibt Ihnen Antworten in mehreren Ebenen des Verständnisses. Um Leonardo DiCaprio zu zitieren: Wir müssen tiefer gehen . Nicht weil wir müssen, sondern weil wir können! Es gibt eine TL; DR unten.
Ein Lichtstrahl kann als Strom von Energiepaketen betrachtet werden (Photonen, die die Lichtquanten sind - viele interessante Wörter, die bereits im Wörterbuch nachgeschlagen werden müssen). Lassen Sie uns nun zoomen und sehen, was passiert, wenn das Photon auf ein Material trifft. Es stößt auf eine Atomwand - viele Kerne, die von Elektronen umgeben sind (auch Energiepakete - es steckt noch mehr dahinter, aber lassen Sie uns hier nicht die gesamte Quantenmechanik aufschreiben). Wenn ein Photon auf ein Elektron trifft, wird seine Energie absorbiert und das Elektron geht in einen Zustand höherer Energie über. Das dauert nicht lange; Das Elektron hinterließ einen "leeren" Energiezustand darunter, was für ihn eine energetisch günstigere Position darstellt. Somit besteht die Möglichkeit, dass es spontan in einen Zustand niedrigerer Energie zurückspringt. Diese Chance nimmt mit der Zeit zu, daher ist es ziemlich sicher, dass sie ziemlich schnell zurückspringt. Wenn dies der Fall ist, muss es seine zusätzliche Energie loswerden. Diese Energie wird als Photon freigesetzt!
Wenn dies das einzige Elektron in der Nachbarschaft ist, das ein Photon freisetzt, geht es in eine beliebige Richtung. JEDOCH! Es gibt einen Haken. Hinweis: Hier kommt die Wellennatur des Lichts ins Spiel . Nehmen wir an, der Lichtstrahl trifft direkt von oben auf die reflektierende Oberfläche, sodass der Einfallswinkel 0 Grad beträgt. Jetzt haben Sie viele Elektronen, die von noch mehr Photonen bombardiert werden und alle Photonen in viele Richtungen emittieren. Die Photonen, die in einem Winkel emittiert werden, sind jedoch zueinander phasenverschoben (da zwischen den Elektronen ein Abstand besteht, gibt es eine leichte Verzögerung zwischen ihnen, wenn zwei Photonen gleichzeitig in einem beliebigen Winkel emittiert werden). Photonen, die außer Phase sind, neigen dazu, sich gegenseitig aufzuheben. In Phase befindliche Photonen (alle nach oben emittierten Photonen) interferieren konstruktiv miteinander.
Jetzt passiert etwas Interessantes - etwas, das auch erklärt, warum Laser funktionieren. Wenn ein Elektron ein Photon emittiert und es viele Photonen gibt, die alle die gleiche Phase und Richtung haben, kopiert das emittierte Photon die Phase und Richtung der Photonen um es herum! Also sehr schnell, alle Photonen, die zufällig emittiert werden Richtungen sterben aus und nur Photonen, die perfekt in Phase miteinander emittiert werden, bleiben übrig.
Neigen Sie nun Ihren Lichtstrahl in einem Winkel. Nicht mehr die nach oben emittierten Photonen sind miteinander in Phase, sondern nur die Photonen, die im exakt gleichen Winkel wie die einfallenden Photonen emittiert werden, sind in Phase. Also bleiben sie!
Warum passiert das an keiner Oberfläche? Nun, das oben Gesagte gilt nur für Oberflächen mit vielen Elektronen, die in Materialien vorkommen, in denen Elektronen frei sind - zum Beispiel Metalle! Oberflächen, an denen alle Elektronen gebunden sind, absorbieren die Photonen nicht sofort - sie dringen ungehindert in die ersten Schichten von Atomen ein, bis sie zufällig absorbiert werden. Wenn ein neues Photon emittiert wird, läuft es in andere Atome (es befindet sich nicht mehr an der Oberfläche!) Und hält die Reaktion aufrecht, bis an der Oberfläche Photonen in zufällige Richtungen reflektiert werden. Kombinieren Sie dies mit der Tatsache, dass es ohne freie Elektronen SEHR schwierig ist, eine Oberfläche zu glätten, da Sie keine Chance für eine anständige (spiegelnde) Reflexion haben.
TL; DR
Photonenenergie wird vom Elektron
Energie wird vom Elektron in Form eines neuen Photons
emittiertPhotonen, die zueinander phasenverschoben sind, sterben aus
Nur Photonen, die im gleichen Winkel wie der Einfallswinkel emittiert werden, sind in Phase
Die bleiben. (Spiegel-) Reflexion!
Das Obige funktioniert nur in Materialien mit vielen freien Elektronen, wie Metallen
Nun, das kann auf viele Arten bewiesen werden.Wenn Sie Licht als Wellen betrachten, verwenden Sie das Huygensche Prinzip.
Ein viel einfacherer Beweis kann auch entwickelt werden, wenn Sie Licht als Strahlen betrachten, die sich in einer Linie ausbreiten.Hierfür können wir das Fermat-Prinzip verwenden.
Wenn Sie sich Licht jedoch als Partikel vorstellen, können Sie einen viel intuitiveren Beweis erbringen, indem Sie einen Ball betrachten, der auf den Boden geschlagen wird.Der Teil seiner Geschwindigkeit parallel zum Boden ändert sich nicht (aufgrund der Erhaltung des linearen Impulses ) und der Teil senkrecht zum Boden dreht sich (unter der Annahme einer elastischen Kollision).
Es ist nicht unbedingt wahr.Ein Gegenbeispiel wäre das Gedankenexperiment der inneren Reflexion an der Oberfläche eines magnetischen Materials, wenn einfallende und reflektierte Wellen aufgrund der magnetischen kreisförmigen Doppelbrechung unterschiedliche Brechungsindizes erfahren.Ich denke, MP Silverman hat darüber geschrieben, aber ich kann jetzt keine Referenz finden.
In der Magnetooptik kann man keine Helmholtz-Reziprozität und Reversibilität der Strahlen annehmen.("Wenn ich dich sehen kann, kannst du mich sehen.")
Der Grund dafür ist, dass die Zeitumkehr auch die Richtung der elektrischen Ströme (in Spulen) und die Richtung der Magnetfelder umkehren würde.
Der Hauptgrund für das Gesetz der Reflexion ist also die Symmetrie, die zeitliche Reversibilität der Lichtstrahlen.
Dies ergibt sich tatsächlich aus den Kontinuitätsrelationen der Maxwellschen Gleichungen an der Schnittstelle zweier Medien: Die Komponente des Feldes, die tangential zur Oberfläche ist, muss für $ \ oint \ vec E dieselbe sein\ cdot d \ vec \ ell = 0 $ span>, während die normale Komponente eine Diskontinuität aufweist, die durch das Gaußsche Gesetz gefunden wird und sich auf die Verhältnisse der Permittivitäten an der Grenzfläche bezieht.
Wie andere bereits betont haben, können Sie dies anhand der Strahlenoptik (Fermat-Prinzip), der Wellenoptik (Folge der Phasenanpassung anhand der Randbedingungen für die Wellengleichung an einer Grenzfläche) oder komplizierterer QM-Ansätze betrachten.
Es gab ein oben erwähntes Gegenbeispiel, das ich hinzufügen wollte - alles, was Sie brauchen, ist ein gewöhnlicher doppelbrechender Kristall (z. B. Calcit).Bei einem Strahl, der den Kristall durch eine Fläche in einem Einfallswinkel ungleich Null verlässt, kommt es zu einer Brechung des Kristalls sowie zu einer Reflexion in einem bestimmten Winkel.Wenn Ihre Kristallachse richtig ausgerichtet ist, sieht der reflektierte Strahl einen anderen Index als der einfallende Strahl, wodurch sich der reflektierte Winkel so ändert, dass er sich vom einfallenden Winkel unterscheidet.Dies ist alles nur die Folge von Phasematching an der Schnittstelle.
Als Variation der Antwort von hardit54 übt die Oberfläche, wenn man sie klassisch betrachtet, eine Kraft auf das Photon in der Richtung senkrecht zur Oberfläche aus.Somit ändert sich nur die senkrechte Komponente des Geschwindigkeitsvektors.Da sich die Größe nicht ändert, werden die Winkel (gemessen von der Normalen) umgedreht.
Das Snellsche Gesetz drückt aus, dass für eine perfekt ebene reflektierende Grenzfläche der Impuls parallel zur Ebene erhalten bleibt.
Beachten Sie, dass eine der obigen Antworten falsch ist (Enzolimas).