Las interacciones de la luz y la materia

Question

Así que, básicamente, estaba tratando de encontrar una buena respuesta a la pregunta de cómo interacciona la luz de la materia. Es decir, en el nivel cuántico ¿qué causa la materia transparente, reflexivo, opaco, etc

Y me vino a la respuesta con respecto a la transparencia de aquí, pero creo que el concepto no está totalmente explorado aquí y que falta algo (en particular en la luz de color de hablar). El jist es que la luz pasa a través de algún asunto, porque la brecha de energía entre la materia de electrones de baja y estado excitado supera la energía de los fotones, y por lo tanto la luz que no es absorbida y el fotón pasa a través de la materia.

Podría alguien facilitar información más detallada sobre la transparencia y la información acerca de reflexión, etc.

Así que supongo que para los fines de la formación de este en una pregunta voy simplemente a preguntar por qué algunos materiales que reflejan la luz y se ven como espejos, mientras que otros materiales que reflejan la luz con menos precisión? (pensamiento me da la sensación que se tiene igualmente que ver con la mecánica básica y la regularidad de la distribución de los electrones)

Answer 1

Las propiedades ópticas de la materia son altamente no trivial. Permítanme tratar de explicar algunos de los mecanismos básicos.

Como usted sabe, la luz puede ser descrito como una onda electromagnética (correspondiente a un nivel macroscópico) o como un conjunto de fotones de energía y la frecuencia (más apropiadas a un nivel microscópico).

Los fenómenos de absorción, transmisión, reflexión, etc. a menudo requieren el uso de ambos conceptos, dependiendo del material. Así pues, nos fijamos en las diferentes clases de materiales:

Gases: veamos un gas compuesto de un grupo de átomos o moléculas. La mecánica cuántica nos dice que en estos, los electrones ocupan discretos orbitales (orbitales atómicos o orbitales moleculares). Un fotón de la derecha de la energía puede excitar a los electrones, de menor a mayor los orbitales. Si esto sucede, el fotón es destruido (absorbida). En consecuencia, no se encuentra en el haz transmitido. Ya que esto ocurre sólo en energías discretas, ver como las manchas negras en el espectro cuando se utiliza luz blanca (es decir, la luz que contiene fotones de toda la luz visible):

La imagen de arriba muestra primero el espectro continuo de la luz blanca, a continuación, las líneas de emisión de un elemento y, a continuación, el espectro se ve cuando se mira en la luz blanca después de que ha pasado a través de ese gas. Esta información puede ser utilizada para identificar los elementos desconocidos y es, por ejemplo, se utiliza en astronomía para determinar lo que las estrellas están hechas de. En conclusión, el proceso relevante aquí es el discreto espectro de la energía de los gases.

Sólidos: En los sólidos, los discretos niveles de energía de los átomos "interactuar" con cada una de las otras y de forma continua bandas. Estos continuos bandas son descritos por la densidad de estados $D(E)$ , lo que indica cuántos estados hay en un pequeño intervalo de energía $E$. A continuación, rellena tu sistema con los electrones, a partir de la menor cantidad posible de energía y hasta el máximo de energía que se llama la energía de Fermi $E_F$. Si usted tiene una energía $E_1 < E_F$ y una energía $E_2 > E_F$, y si $D(E_1) \not= 0$$D(E_2) \not= 0$, un fotón, en principio, puede ser absorbido si tiene energía $E_2 - E_1$. En un semiconductor, que tiene un hueco en la banda: Todas las bandas por debajo de la energía de Fermi están llenos, y todas las bandas por encima de la energía de Fermi están vacías, y la última ocupados y la primera desocupada estados están separados por una brecha de $E_g$. Por lo tanto, si un fotón incidente tiene una energía menor que esta brecha, no será absorbido. Sin embargo, también hay un montón de otros efectos en el trabajo. En un nivel macroscópico, en que la luz interactúa con un medio dieléctrico que se caracteriza por la función dieléctrica $\varepsilon(\omega)$ a través de $$D(\omega) = \varepsilon(\omega) \cdot E(\omega)$$ where $D$ is the dielectric displacement and $E$ es el campo eléctrico. La función puede, en general, por el complejo. Esto da lugar a un complejo de índice de refracción, donde la parte imaginaria es el coeficiente de absorción. El coeficiente de reflexión puede ser calculada a partir de la real y la parte imaginaria. Una típica función dieléctrica se ve como la imagen de abajo. Se asoma en la parte imaginaria se refieren a la absorción. Así que, si no existen picos en el espectro visible, no la absorción se lleva a cabo y el material se vuelve transparente.

El fuerte de la reflectividad de los metales es mejor explicada por el modelo de electrones libres. Dado que los electrones en un modelo son relativamente libres para moverse, se puede tomar en la oscilación de la luz incidente olas y re-emiten la luz de la misma frecuencia para un amplio rango de frecuencias.