Что происходит на атомном уровне, когда свет падает на объект?

Я только начал изучать свет и оптику и совершенно не понимаю, что такое отражение, преломление и поглощение.

Ниже я буду предполагать, что существуют две среды с разными показателями преломления : первая среда — та, из которой падает падающий свет, а вторая среда — та, от которой падающий свет либо отражается, либо преломляется и распространяется через нее.

• Отражение — это процесс, при котором часть фотонов, падающих на вторую среду, возвращается в ту среду, из которой они произошли. Отражательная способность — это термин, используемый для описания эффективности/эффективности отражения электромагнитного излучения данным материалом.
• Прохождение — это процесс, при котором часть фотонов, падающих на вторую среду, продолжает распространяться во вторую среду через границу. Коэффициент пропускания — это термин, используемый для описания эффективности/эффективности распространения падающего излучения.
• Преломление — это термин, используемый для обозначения изменения направления распространения волны из-за изменения среды, через которую распространяется излучение (например, при переходе света из воздуха в воду). Показатель преломления или показатель преломления — это вектор, описывающий, как излучение распространяется через среду, т. е.$\mathbf{n} = \tfrac{\mathbf{k} \ c}{\omega}$, где$\mathbf{k}$- волновой вектор,$c$- скорость света в вакууме, а$\omega$- частота волны.
• Поглощение — это процесс, посредством которого часть фотонов, падающих на вторую среду, преобразуется в кинетическую энергию атомов (обычно электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, получают выгоду от этой новой механической энергии). Энергия может быть преобразована в кинетическую энергию электронов (например, изменение электронных орбиталей ) или внутреннюю энергию поглощающей среды, например, в повышенную тепловую энергию. Поглощение — это термин, используемый для описания потерь излучения в среде во время передачи. Это часто является синонимом затухания для линейных сред (т. Е. Принцип суперпозиции применяется к любому заданному набору электромагнитных волн).

Я думаю, что большая часть моего замешательства связана с тем, что именно происходит на микроскопическом уровне, когда свет попадает на объекты, что вызывает его отражение, преломление и поглощение?

На классическом уровне часть падающего излучения почти всегда отражается, передается и поглощается/ослабляется (например, амплитуда волны уменьшается по мере ее распространения в среде из-за преобразования поглощенных фотонов во внутреннюю энергию среды). В большинстве случаев во время вашего первого знакомства с оптикой вы можете полностью игнорировать поглощение/затухание. Таким образом, нужно только рассчитать коэффициенты отражения и пропускания , чтобы определить отношения отраженного и прошедшего к падающему излучению.

Как и при отражении, разве объект вообще не поглощает и не пропускает свет, в результате чего у него нет другого выбора, кроме как отразиться?

На квантовом уровне все немного по-другому, но вот версия с сахарным покрытием, использующая пример солнечного света, падающего на обычный зеленый лист. Давайте пока проигнорируем сложный спектр солнечного света и просто предположим хорошее излучение черного тела .

Когда вы видите зеленый лист на дереве/растении, вы видите определенный диапазон частот/длин волн, отражаемый материалом в листе (т.е. хлорофиллом) .). Вы видите только зеленый, потому что среда поглощает и/или пропускает другие частоты/длины волн. Если вы держите лист на белом фоне рядом с совершенно непрозрачным предметом (например, стальным диском), вы можете заметить, что тень, отбрасываемая листом, не такая темная, как тень от непрозрачного предмета (нужно ограничить свет, так что он попадает только на лист перед белым фоном, в противном случае рассеяние из соседних мест может вызвать аналогичные эффекты). Это связано с тем, что часть света проходит через лист. Остальное поглощается и преобразуется во внутреннюю энергию, например, в тепло (в основном частицы толкаются/осциллируют быстрее, что приводит к более высокой средней случайной кинетической энергии).

На атомном уровне, когда фотоны падают на новую среду, они поглощаются атомами/электронами, а затем переизлучаются или преобразуются во внутреннюю энергию.

Переизлученные фотоны могут иметь ту же частоту/длину волны, что и при поглощении, или другую частоту/длину волны. В первом случае поглощающий атом/электрон практически не изменяется в результате взаимодействия. В последнем случае поглощающий электрон должен изменить свою энергию, чтобы учесть различную энергию переизлученного фотона (например, изменить орбитальный уровень).

Процесс поглощения и переизлучения является стохастическим , поэтому направление переизлученного фотона может быть случайным по отношению к направлению его падения. По статистике, некоторые фотоны переизлучаются, возвращаясь обратно в среду, из которой они произошли, в то время как другие пытаются проникнуть дальше в материал. Усреднение по ансамблю всех этих поглощений и переизлучений приводит к макроскопическим классическим приближениям, которые мы называем оптикой.