Reflexion von Licht

[Gwunderi]

Hallo zusammen,

Würde ich mir Photonen und allgemein Elementarteilchen nicht immer noch als "kleine Kügelchen" vorstellen, hätte ich mir die Frage wahrscheinlich früher gestellt:

In manchen Experimenten wird ein Lichtstrahl, z.B. ein Laser, von einem Spiegel im Winkel von 45° reflektiert. Aber ein Photon ist kein PingPong-Ball, es prallt also nicht am Spiegel ab (was erst noch einer Beschleunigung gleichkäme, was bei Ruhemasse = 0 nicht gut möglich ist). Ich nehme an, es wird von den Atomen bzw. deren Elektronen im Spiegel absorbiert und wieder emittiert? Kann mir nichts anderes vorstellen, aber da kommt meine Frage: warum werden sie denn genau im Winkel von 45° wieder emittiert?

Oder wie funktioniert diese Reflexion in einem bestimmten Winkel? :confused:

Danke und Grüsslein,
Gwunderi

[TomS]

Ich erinnere mich dunkel, dass wir mit Hilfe von Modellen der Festkörperphysik und der klassischen Elektrodynamik dieses Reflexionsgesetz hergeleitet haben. Dabei betrachtet man jedoch nicht einzelne Photonen sondern ein klassisches elektromagnetisches Feld.

Ich gehe davon aus, dass auch detailliertere Modelle existieren, in denen das elektromagnetische Feld quantisiert ist und an den Festkörper gekoppelt wird. Führt man in derartigen Modellen nun diese Berechnungen durch, so findet man in geeigneter Näherung üblicherweise als dominierenden Term das o.g. Ergebnis der klassischen Elektrodynamik, d.h. Quantenkorrekturen durch Photonen wären erst in höherer Ordnung relevant.

Grundsätzlich hast du recht, ein reflektiertes Photon ist nie mit dem absorbierten identisch. Dies liegt im wesentlichen daran, dass in der QED kein zwei-Photonen-Vertex in den Feynmandiagrammen existiert. Die Wechselwirkung z.B. eines Elektrons mit Photonen wird immer als Absorption des einlaufenden Photons, Propagation eines "virtuellen Elektrons" sowie nachfolgende Emission eines auslaufenden Photons beschrieben.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/50/Qed_rules.jpg

[Hawkwind]

Grundsätzlich hast du recht, ein reflektiertes Photon ist nie mit dem absorbierten identisch.



Das ist m.E. sowieso eine irrelevante Fragestellung, denn Elementarteilchen oder Quanten haben keine Identität: es gibt keine Möglichkeit festzustellen, ob ich genau das Photon nachweise, das mir zuvor schon einmal aufgefallen war.


Dies liegt im wesentlichen daran, dass in der QED kein zwei-Photonen-Vertex in den Feynmandiagrammen existiert. Die Wechselwirkung z.B. eines Elektrons mit Photonen wird immer als Absorption des einlaufenden Photons, Propagation eines "virtuellen Elektrons" sowie nachfolgende Emission eines auslaufenden Photons beschrieben.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/50/Qed_rules.jpg

Die Reflexion von Licht an Materie lässt sich nicht so anschaulich über die Feynmandiagramme der Störungstheorie beschreiben. Glauber hatte sich damit beschäftigt, wie man solche Phänomene in der QED beschreibt, die nach ihm benannten kohärenten Zustände sind dabei nützlich, z.B.:
https://de.wikipedia.org/wiki/Koh%C3%A4renter_Zustand
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1101/1101.0928.pdf

Aber ich müsste mich da erst nochmal einlesen, um was sagen zu können. :(

[TomS]

Das ist m.E. sowieso eine irrelevante Fragestellung, denn Elementarteilchen oder Quanten haben keine Identität: es gibt keine Möglichkeit festzustellen, ob ich genau das Photon nachweise, das mir zuvor schon einmal aufgefallen war.
Na ja, ganz so ist das nicht.

Betrachtet man die Comptonstreuung in niedrigster Ordnung, so erkennt man, dass zwei Photonen unterschiedlicher Identität vorliegen, jedoch das selbe Elektron.

Aber ich gebe dir recht, für die hier diskutierte Frage ist das eher irrelevant.

[Gwunderi]

Danke für die Antworten. Das Wesentliche, was ich daraus herauslese, ist dass das Ganze etwas komplizierter ist als es scheint, wenn man es mit der QED beschreiben soll.

Führt man in derartigen Modellen nun diese Berechnungen durch, so findet man in geeigneter Näherung üblicherweise als dominierenden Term das o.g. Ergebnis der klassischen Elektrodynamik, ...

Auch z.B. die Reflexion von Sonnenlicht auf einer Wasseroberfläche ist ganz leicht zu berechenen, die Winkel von einfallendem und reflektiertem Licht sind gleich, also genügen hier die Gesetze der (klassischen) Optik. Will man aber wissen, was da im Detail genau geschieht, muss man die QED bemühen, und da wird's komplizierter (bzw. hoffnungslos wenn man die nötige Mathe nicht kennt). Ist das richtig?

Bin auf die Frage gekommen, weil in einem Video über QM jemand in den Kommentaren fragt, was wäre, wenn dasselbe Photon, das durch die Ausrichtung des Elektronspins im Magnetfeld emittiert wurde, wieder zum selben Elektron zurückgeführt wird - da wollte ich schon fragen, ob er das Photon abbremsen, eine scharfe Kurve ziehen und wieder zum Elektron hin beschleunigen will :D Da kam mir in den Sinn, dass es höchstens absorbiert und (eben: dasselbe?) wieder emittiert werden könnte, aber - falls das hier überhaupt "störungsfrei" möglich wäre - stimmte dann die Richtung zum Elektron hin? Generell eben: wie funktioniert die Reflexion in einem bestimmten Winkel.

Danke nochmals für Eure Antworten (mit den Links kann ich wenig anfangen, verstehe nicht viel mehr als "Bahnhof"), aber die Hauptfrage ist nun beantwortet.

Grüsslein,
Gwunderi

[Hawkwind]

Na ja, ganz so ist das nicht.

Betrachtet man die Comptonstreuung in niedrigster Ordnung, so erkennt man, dass zwei Photonen unterschiedlicher Identität vorliegen, ... .

Woran willst du denn das erkennen?

Weil die Linie des Photons in dem entsprechenden Feynman-Diagramm unterbrochen ist?

Wie ist denn dann deine Argumentation für Prozesse wie Elektron-Positron-Streuung, wo ein Vernichtungs- und ein Streudiagramm überlagern?

Sorry, aber das ist doch alles Kappes: keine Messung wird dir sagen können, ob das einlaufende Teilchen dasselbe ist wie das eingelaufene. Im Gegenteil, die Rezepte der Quantentheorie erfordern explizit, dass Streuamplituden so aufgebaut werden, dass sie symmetrisch bzw. antisymmetrisch gegenüber der Vertauschung identischer Teilchen sind und damit prinzipiell keine Messung feststellen kann, wer wer ist. :)

Gruß,
Uli