بازتاب نور؟!

[پارسا نوروزی]

سلام
یه سوال برام پیش اومده، نور چطور بازتاب می کنه؟
یه گشتی تو اینترنت زدم. تنها چیزی که دستگیرم شد این بود که با الکترون ها مرتبطه. برای همین هم فلزات نور رو بهتر بازتاب می کنن. چون الکترون های آزاد بیشتری دارن. کتاب QED ریچارد فاینمن رو هم خوندم ولی زیاد سر در نیاوردم.
کسی می تونه مکانیزم این بازتاب رو توضیح بده؟

 

[stevendeljoo]

پاسخ : بازتاب نور؟!

برای توجیه بازتاب نور باید نورو ذره ای در نظر بگیری بعد مثه قوائد پایستگی تکانه برابر بودن زاویه ی بازتاب و تابش اثبات میشه
خیلی هم عجله نکن تو فیزیک دبیرستان بهش اشاره میشه تو فصل موج های الکترومغناطیس پیش2(البته اشاره ش منوط ب اینه ک معلمتون حوصله شو داشته باشه )

 

[پارسا نوروزی]

پاسخ : بازتاب نور؟!

این سوالو معلممون تو کلاس پرسید، منم کنجکاو شدم یکم در موردش خوندم ???
ولی هیچی از دامنه احتمال و زمانسنج عقربه دار و از این جور حرفا سر در نیاوردم! :-\ :-\

 

[behradv]

پاسخ : بازتاب نور؟!

سلام
یه سوال برام پیش اومده، نور چطور بازتاب می کنه؟
یه گشتی تو اینترنت زدم. تنها چیزی که دستگیرم شد این بود که با الکترون ها مرتبطه. برای همین هم فلزات نور رو بهتر بازتاب می کنن. چون الکترون های آزاد بیشتری دارن. کتاب QED ریچارد فاینمن رو هم خوندم ولی زیاد سر در نیاوردم.
کسی می تونه مکانیزم این بازتاب رو توضیح بده؟

به ما یکی دو جلسه سر کلاس فیزیک کوانتوم این رو گفتن، ولی من راستش آخرش هم خیلی نفهمیدم!
یه ربطی به مکانیک کوانتومی و تابع موج داره. وقتی فوتون نور به الکترون می خوره، انرژی الکترون زیاد می شه، برانگیخته می شه. بعدش توی انرژی بیشتر، نوساناتش (چون فرض می کنیم الکترون هم موج-ذره است و تابع موج و طول موج و اینا داره) بیشتر می شن، شروع می کنه در هر سمت تابع موج ساطع کردن. یه سری از اینا که فازشون فرق داره با هم دیگه خنثی می شن ( مثه دو تا موج سینوسی که pi یکیش جلوتر از اون یکیه، یا هر موج دیگه ای که تداخلشون ویرانگر باشه)، که باعث میشه نور از اون طرف ماده، مثلا فلز رد نشه. یه سری دیگه از تابع موج ها که در خلاف جهت برخورد نورن تداخل سازنده می کنن، باعث می شه نور بازتاب بشه. آره، به خاطر این که فلزا هم اکترون آزاد زیاد دارن، اختمال این که این اتفاق بیفته بیشتره...

باور کن

شاید چرت و پرت باشه یه سریش، ولی جدی یه ربطی به کوانتوم و تابع موج داره!

 

[پارسا نوروزی]

پاسخ : بازتاب نور؟!

خیلی جالبه!
ممنون

 

[Vahid.]

پاسخ : بازتاب نور؟!

به ما یکی دو جلسه سر کلاس فیزیک کوانتوم این رو گفتن، ولی من راستش آخرش هم خیلی نفهمیدم!
یه ربطی به مکانیک کوانتومی و تابع موج داره. وقتی فوتون نور به الکترون می خوره، انرژی الکترون زیاد می شه، برانگیخته می شه. بعدش توی انرژی بیشتر، نوساناتش (چون فرض می کنیم الکترون هم موج-ذره است و تابع موج و طول موج و اینا داره) بیشتر می شن، شروع می کنه در هر سمت تابع موج ساطع کردن. یه سری از اینا که فازشون فرق داره با هم دیگه خنثی می شن ( مثه دو تا موج سینوسی که pi یکیش جلوتر از اون یکیه، یا هر موج دیگه ای که تداخلشون ویرانگر باشه)، که باعث میشه نور از اون طرف ماده، مثلا فلز رد نشه. یه سری دیگه از تابع موج ها که در خلاف جهت برخورد نورن تداخل سازنده می کنن، باعث می شه نور بازتاب بشه. آره، به خاطر این که فلزا هم اکترون آزاد زیاد دارن، اختمال این که این اتفاق بیفته بیشتره...

باور کن

شاید چرت و پرت باشه یه سریش، ولی جدی یه ربطی به کوانتوم و تابع موج داره!

7 % فهمیدم! میشه کامل توضیح بدی؟! اگه این جوری باشه که کلی از انرژی نور باید از بین بره!

 

[behradv]

پاسخ : بازتاب نور؟!

7 % فهمیدم! میشه کامل توضیح بدی؟! اگه این جوری باشه که کلی از انرژی نور باید از بین بره!

البته بازم می گم که مطمئن نیستم، و فقط حرفای استاد گرامی رو تکرار کردم! این متن پایین هم یه سری از تحلیلای خودم رو داره، پس شدیدا تاکید می کنم بهش اعتماد نکنی و توسط یه منبع موثق از درست بودنش مطمئن بشی:

فکر نکنم فوتون انرژی ش رو، حداقل در مورد بازتاب کامل مثه مال آینه، از دست بده. اگه این توضیح کوانتومی درست باشه، درسته که فوتون انرژی ش رو می ده به الکترون، ولی الکترون برانگیخته تقریبا بلافاصله شروع می کنه به نوسان و همون مقدار انرژی رو دوباره شروع می کنه به ساطع کردن. اگه این انرژی ساطع شده تو هر جهت رو با استفاده از تابع موج مدل کنیم، (تابعی که دامنه ش به توان دو مساوی "احتمال" حضور موج-ذره توی اون نقطه مکانی خاصه) یه سری از اونا در ادامه جهتی که نور برخورد کرده ساطع می شن، که چون به اندازه از π خارج از فاز با یه سری دیگه از موج های ساطع شده است، همدیگر رو خنثی می کنن و نتیجتا چیزی از اون آینه خارج نمی شه. ولی یه سری دیگه با هم تداخل سازنده دارن، و موج-ذره بازتاب شده از بین نمی ره و به صورت نور بازتابی بر می گرده. انرژی این بازتاب هم اصولا باید به اندازه انرژی اولیه فوتون باشه، وگرنه بقای انرژی زیر سوال می ره.
اصلا اساس کوانتوم در مورد الکترون رو همین تداخلای سازنده و مخربه. به خاطر همینه که الکترون توی هر جایی نمی تونه باشه، و بر اساس مدل اتمی شرویدینگر، احتمال وجودش توی یه قسمت خاصی از فضا متغییره، و بعضی جاها کلا صفره. کوانتوم می گه انرژی الکترون "کوانتیزه" شده است، نه پیوسته. نمی تونه هر انرژی داشته باشه، فقط می تونه انرژی ش (n + 1/2) ضربدر hv (که v فرکانسه) باشه. دلیلش هم همون تداخل مخربه که توی انرژی های دیگه توسط خود الکترون به وجود میاد.
مشابه همین قضیه، بازتاب نور هم فقط برای یه سری از موج-ذره های ساطع شده توسط الکترون بر انگیخته انجام می شه، چون فقط اونا از تداخل مخرب جان سالم به در می برن. همونطور که الکترون فقط می تونه یه سری اوربیتال های مشخص (که یه قسمت هایی از فضائن که احتمال وجود الکترون توشون هست) رو اشغال کنه، این موج-ذره های آزاد شده هم فقط می تونن در یه جهت خاص، که خلاف جهت برخورد نور اصلیه، بازتاب بشن.
فکر کنم نکته کلیدی همون تصور الکترون به صورت یه چیزی فراتر از یه ذره است. بر اساس نظریه دبروگلی، الکترون، یا هر ذره دیگه ای، یه موجی هم واسه خودش داره، که بسته به جرم و تکانه اون ذره، طول موجش کم و زیاد می شه. در مورد الکترون، به خاطر جرم خیلی کمش، این موج بیشتر به چشم میاد، در مقایسه با جسم های خیلی بزرگتر. وقتی هم که انرژی فوتون رو جذب کنه، چون یه حالت ناپایدار پیدا می کنه و می خواد برگرده، یه موج-ذره های دیگه ساطع می کنه.

!

 

[پارسا نوروزی]

پاسخ : بازتاب نور؟!

اگه این انرژی ساطع شده تو هر جهت رو با استفاده از تابع موج مدل کنیم، (تابعی که دامنه ش به توان دو مساوی "احتمال" حضور موج-ذره توی اون نقطه مکانی خاصه) یه سری از اونا در ادامه جهتی که نور برخورد کرده ساطع می شن، که چون به اندازه از π خارج از فاز با یه سری دیگه از موج های ساطع شده است، همدیگر رو خنثی می کنن و نتیجتا چیزی از اون آینه خارج نمی شه. ولی یه سری دیگه با هم تداخل سازنده دارن، و موج-ذره بازتاب شده از بین نمی ره و به صورت نور بازتابی بر می گرده. انرژی این بازتاب هم اصولا باید به اندازه انرژی اولیه فوتون باشه، وگرنه بقای انرژی زیر سوال می ره.

پس انرژی اون فوتون هایی که تداخل مخرب کردن چی میشه؟ خود جسم جذبش می کنه؟
یه سوال دیگه: توی آینه آرمانی تمام تابع موج ها در یک جهت هستن؟

کوانتوم می گه انرژی الکترون "کوانتیزه" شده است، نه پیوسته. نمی تونه هر انرژی داشته باشه، فقط می تونه انرژی ش (n + 1/2) ضربدر hv (که v فرکانسه) باشه. دلیلش هم همون تداخل مخربه که توی انرژی های دیگه توسط خود الکترون به وجود میاد.

میشه در مورد این یکم توضیح بدین؟ :-\

همونطور که الکترون فقط می تونه یه سری اوربیتال های مشخص (که یه قسمت هایی از فضائن که احتمال وجود الکترون توشون هست) رو اشغال کنه، این موج-ذره های آزاد شده هم فقط می تونن در یه جهت خاص، که خلاف جهت برخورد نور اصلیه، بازتاب بشن.

چرا این-موج ذره ها باید در جهت خلاف نور اصلی بازتاب بشن؟ مثلا چرا با زاویه 30 درجه بازتاب نمی شن؟

 

[behradv]

پاسخ : بازتاب نور؟!

پس انرژی اون فوتون هایی که تداخل مخرب کردن چی میشه؟ خود جسم جذبش می کنه؟
یه سوال دیگه: توی آینه آرمانی تمام تابع موج ها در یک جهت هستن؟

آره راس می گی٬ نمی دونم تکلیف اونایی که تداخل مخرب دارن چی می شه...
در مورد آینه آرمانی هم \را باید تو یه جهت باشن؟ اوناdی که بالاخره بازتاب می شن توی یه جهتن ولی اونایی که از الکترون ساطع می شن فکر نکنم همه تو یه جهت باشن.

میشه در مورد این یکم توضیح بدین؟ :-\

نظریه شرودینگر رو که احتمالا توی شیمی خوندین. بر اساس این نظریه، مکان الکترون قطعی نیستُ و نمی تونیم بگیم توی این زمان خاص، الکترون توی این نقطه خاص توی فضا ست. درضمن، نمی تونیم الکترون رو یه ذره مطلق فرض کنیم. در عوض، فقط می تونیم یه سری «ابر الکترونی» در نظر بگیریم که به شکل یه سری موج-ذره توی ماده پخش شده ن. اسم مکان هایی از فضا رو هم که احتمال حضور این موج-ذره توش توی یه زمان خاص بالاتر از ۹۰٪ هستش رو می ذاریم اوربیتال. هر اوربیتال هم با ۳ تا عدد کوانتومی (اولی که لایه اصلی رو مشخص می کنه، دومی که زیرلایه رو مشخص می کنه، و سومی که جهت گیری اون زیرلایه رو توی فضا مشخص می کنه) شناسایی می شه.
حالا اینا خیلی مربوط نیست. مهم اینه که توی هر مدلی از ابر الکترونی که در نظر بگیریم، بالاخره یه شرطی هست که باعث می شه بتونیم فقط یه مضارب صحیح از انرژی رو برای الکترون در نظر بگیریم. فکر کنم اگه بخوام اون مدلا رو توضیح بدم یه خرده زیادی وارد جزییات بشه٬ ولی در همین حد بگم که سه تا از مدلایی که می تونیم برای الکترون در نظر بگیریم ایناس:
۱) چاله پتانسیلی بی نهایت (infinite potential well): زیاد قابل قبول نیستُ ولی فرض می کنیم الکترون توی بین دو تا دیواره اتم که بی نهایت انرژی دارن گیر افتاده.
۲) الکترون درون جعبه (particle in a box): فرض می کنیم دیوارای اطراف الکترون انرژی محدود دارن و در واقع الکترون توی یه مکعب مستطیله.
۳) مدل نوسانی (oscillating model): که الکترون رو مثه یه نوسانگر شبیه فنر در نظر می گیره.

هر کدوم از مدلای بالا رو در نظر بگیریم و محاسبات ریاضیش رو انجام بدیم آخرش به یه دونه یا دو تا معادله دیفرانسیلی می رسیم. اگه دو تا شرط مرزی دیوارای سمت چپ رو راست رو هم اعمال کنیم به این نتیجه می رسیم که تنها جوابای ممکن توی یه سری از مضارب طبیعی انرژی اتفاق میفته. مثلا در مورد مدل سوم، مدل نوسانی٬ آخرش به این نتیجه می رسیم که سینوس یه عبارتی باید صفر باشه٬ و سینوس یه عبارت فقط وقتی صفر می شه که مضربی از ۲ پی باشه دیگه.

توی هر کدوم از معادله ها یه همچین شرطایی پیش میاد که نتیجه ش کوانتیزه شدن انرژیه : انرژی نمیتونه هر مقداری توی یه بازه پیوسته باشه. فقط می تونه یه مقدارای خاص، یه مضاربی از یه عدد ثابت باشه. :)

مثلا چرا با زاویه 30 درجه بازتاب نمی شن؟

این رو هم نمی دونم! یه ربطی باید به قدرت بازتاب کردن جسم و صاف بودنش داشته باشه ولی نمی دونم دقیقا چه جوری...

 

[پارسا نوروزی]

پاسخ : بازتاب نور؟!

در مورد آینه آرمانی هم \را باید تو یه جهت باشن؟ اوناdی که بالاخره بازتاب می شن توی یه جهتن ولی اونایی که از الکترون ساطع می شن فکر نکنم همه تو یه جهت باشن.

خوب آینه ی آرمانی (یا همون جسم سفید) باید تمام انرژی دریافتی از طریق نور تابیده شده رو برگردونه و چون موج-ذره های فوتون انرژی کوانتیزه دارن پس درست به همون تعداد فوتون های تابیده شده، باید فوتون بازتاب بشه. یعنی حتی اگه فقط یک تداخل مخرب به وجود بیاد دیگه این جسم، آینه ی آرمانی (جسم سفید) نیست، چون تمام انرژی رو برنگردونده. درسته؟

 

[behradv]

پاسخ : بازتاب نور؟!

نه اخه مشکل اینه که این از بین رفتن انرژی مشکل داره. حتی در مورد آینه های معمولی هم منطقی نیست که انرژی نهایی از انرژی اولیه فوتون کمتر باشه. باید یه خرده بیشتر تحقیق کنم که انرژی تداخلای مخرب آخرش چی میشه.
ولی در کل فکر نکنم انرژی ای از دست بره، چه در مورد آینه آرمانی، چه هر جسم دیگه ای...

 

[پارسا نوروزی]

پاسخ : بازتاب نور؟!

شما چت روم معتبر علمی میشناسین؟
من که هرچی گشتم غیر رسمی بودن مثل همین سمپادیای خودمون

 

[Nimbus]

پاسخ : بازتاب نور؟!

با الکترومغناطیس کلاسیک هم قابل اثباته...
با مسائل مرزی میشه بدست آورد...

 

[پارسا نوروزی]

پاسخ : بازتاب نور؟!

با الکترومغناطیس کلاسیک هم قابل اثباته...
با مسائل مرزی میشه بدست آورد...

میشه یه کم بیشتر توضیح بدین؟