Sind für alle Licht reflektierenden Dinge immer Elektronen verantwortlich (eigenes Interesse)?

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4 Antworten

Wie die Elektronen im Metall die Reflexion verursachen ist leichter zu erklären:

Licht ist eine elektromagnetische Welle; elektromagnetische Wellen sind Überlagerungen von elektrischen und magnetischen Wellen.

Weil Elektronen in Metallen so gut beweglich sind, schließen sie den elektrischen Anteil der Welle kurz. Das ist ähnlich wie bei einer Saite, bei der man ein Ende (bzw. beide Enden) fixiert. Bei der Saite kann dann am Ende nur noch die (seitliche) Spannung vorhanden sein, die Auslenkung wird durch die Einspannung verhindert. Da die Einspannung sich nicht bewegt, kann sie auch keine Energie aufnehmen, und wegen der Energieerhaltung wird die Welle an der Einspannstelle reflektiert.

Bei der elektromagnetischen Welle kann sich an der Metalloberfläche kein elektrisches Feld aufbauen. Weil wir kein elektrisches Feld haben, kann hier auch keine elektrische Energie verlorengehen. Das magnetische Feld ist aber nach wie vor da, und wieder wegen der Energieerhaltung bleibt der Welle nichts anderes übrig, als wieder zurückzulaufen.

Übrigens kommen in vielen Metallen die Elektronen im UV-Bereich nicht mehr ganz mit, weshalb diese Metalle für UV-Licht teilweise transparent sind. Bei Gold ist die Grenzfrequenz schon im Violetten, weshalb wir die Komplementärfarbe, also Gelb, sehen. (Bei anderen farbigen Metallen, wie Kupfer, sind es Elektronen der Atomrümpfe, die bestimmte Frequenzen absorbieren.)

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In Metallen sind es natürlich die Elektronen, die für die Reflexion zuständig sind, weil sie es sind, die elektrische Felder kurzschließen.

Bei der teilweisen Reflexion an Oberflächen zwischen Bereichen mit verschiedenen Brechungsindizes und als Extremfall hiervon natürlich auch bei der Totalreflexion sind es letztlich ebenfalls Elektronen, die für die Reflexion verantwortlich sind.

Aber in Glas und in Kristallen und ebenso in Gasen und Flüssigkeiten sind die Elektronen an ihre Positionen gebunden, sie können also das elektrische Feld nicht mehr vollständig kurzschließen. Sie können aber ein wenig hin- und herschwingen und dadurch das elektrische Feld modifizieren.

Dadurch, dass die Elektronen ein wenig um ihre Ruhelage schwingen, modifizieren sie das elektrische Feld so, dass sich die Welle insgesamt langsamer bewegt als im Vakuum. (Manchmal auch schneller, aber das sind Feinheiten, die hier zu weit führen.)

Diese unterschiedliche Wellengeschwindigkeit verursacht die Lichtbrechung, also die Ablenkung des Lichts beim Übergang zwischen Regionen verschiedener Brechungsindizes'.

Bei der Totalreflexion kann sich die Welle nicht in den Bereich niedrigeren Brechungsindexes ausbreiten, aber mehr aus mathematischen als aus physikalischen Gründen. Hier spielen die Elektronen also nur insofern eine Rolle, als sie die Wellengeschwindigkeit verändern.

Entsprechend sieht es auch bei der "normalen" Reflexion z. B. an Fensterscheiben aus.

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Es sind Elektronen, die üblicherweise für solche Reflexionen zuständig sind, weil sie klein und leicht genug sind, um von unserem sichtbaren Licht schnell genug mitbewegt zu werden.

Bei Radiowellen sieht es anders aus - es sind die gleichen elektromagnetischen Wellen, nur schwingen sie sehr viel langsamer, sodass auch geladene Gasteilchen (Ionen) mitschwingen können. Deshalb werden Radiowellen an der Ionosphäre (eine Luftschicht ziemlich weit oben) reflektiert. (Und ebenso an der leitenden feuchten Erde und an den leitenden Ozeanen - hier haben wir ja Ionen im Wasser.)

Bei Röntgenstrahlen haben wir einen völlig anderen Effekt - Röntgenstrahlung schwingt so schnell, dass die Elektronen der Schwingung nicht folgen können, während sie an ihre Position gebunden sind. Aber die Strahlung ist so energiereich, dass sie Elektronen aus ihrer Position herausschlagen kann. Weil auch der Impuls erhalten bleiben muss, wird die Röntgenstrahlung hierbei gestreut, also auch reflektiert. Weil die Elektronen aber Energie mitnehmen, sinkt die Frequenz der Röntgenstrahlung bei der Streuung.

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Kommentar von Yusaii
01.08.2016, 23:14

Du hast ja echt eine Menge geschrieben ^^

Ich danke dir für solch eine ausführliche Antwort, das hilft mir echt weiter :)

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Ich glaube nicht, daß es irgendeinen Farbeffekt gibt, an dem keine Elektronen beteiligt sind (vielleicht findet ja jemand so einen Exoten). Außer, Du hättest irgendwo ein Stück Neutronenstern herumliegen.

(Hmm, das Blau von Eis wäre zumindest ein halbwegs brauchbarer Fall für Farbe ohne Elektronen, IMHO)

Egal ob beim Glitzern von Metall, beim strahlenden Blau des Himmels oder beim leuchten Grün der Vegetation — in jedem Fall nehmen Elektronen das Primärlicht auf und strahlen dann Sekundärlicht ab, manchmal mit anderer Wellenlänge. Die Energie kommt aus dem Primärlicht.

Bei leuchtenden Dingen, von glühender Kohle bis liebestrunkenem Glüh­würmchen, kommt die Energie aus einer anderen Quelle, nämlich entweder Wärme oder chemische Reaktion, diese Energie landet irgendwie in den Elektronen und die strahlen sie in Form von Licht ab.

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Nein.
Das kann allles Mögliche sein.
Auch Schall.

Beim sichtbaren Licht sind aber meist Elektronen beteiligt, oder immer, mir fällt grad kein Gegenbeispiel ein.

Andererseits mag uns manch Gamma-Quant aus der Frühzeit des Universums heute sichtbar erscheinen.

Nach solchen Fragen richtet sich Verständnis nicht aus.
Die kannst du ins Poesie-Album kleben, samt Antworten.

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Für die Reflexion sind Elektronen überhaupt nicht verantwortlich!!

https://de.wikipedia.org/wiki/Reflexion_(Physik)#Reflexion_elektromagnetischer_Wellen_in_der_Optik

Wofür die freien Elektronen in Metallen allerdings verantwortlich sind, ist die elektrische Leitfähigkeit, aber das ist ein anderes Thema.

Gruß

Henzy

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Kommentar von WeicheBirne
01.08.2016, 18:26

In der von Dir angegebenen Quelle wird aber explizit von Elektronen gesprochen:

Der Brechungsindex ist im Allgemeinen abhängig von der Wellenlänge. Das heißt, Wellen unterschiedlicher Wellenlänge können unterschiedlich stark reflektiert werden. Beispielsweise besitzen Metalle aufgrund der Absorption durch das Elektronengas einen hohen Extinktionskoeffizienten für elektromagnetische Strahlung im Infrarot-Bereich, sie sind damit undurchsichtig und weisen einen sehr hohen Reflexionsgrad von im Allgemeinen mehr als 90 Prozent auf. Hingegen sinkt der Reflexionsgrad von Metallen im sichtbaren oder ultravioletten Bereich mitunter innerhalb eines kleinen Frequenzbereichs sehr schnell (siehe Bild mit dem Beispiel Silber). In der Reflexionsspektroskopie schließt man vom gemessenen Reflexionsspektrum auf im Material wirksame Mechanismen und deren Parameter wie die Dichte der Elektronen im Leitungsband, oder Polarisierbarkeiten.

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Kommentar von ThomasJNewton
01.08.2016, 22:46

Ein Link auf eine Begriffsklärung!

Aber auch wenn man sich den Link rekonstruiert, trifft er nur eine Aussage.

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