Что происходит с фотонами после того, как они сталкиваются с объектами?

Не обязательно верно, что большинство фотонов, попадающих на стену, будут поглощаться и превращаться в тепло. Самые белые белые краски могут иметь коэффициент отражения света до 85% .

Не существует «длины волны, соответствующей белому цвету». Идеальная белая поверхность отражает как можно больше всех длин волн в видимом спектре . Это звучит как зеркало, но разница в том, что зеркало отражает свет в соответствии с правилом « угол падения равен углу отражения », тогда как белая стена или другая белая поверхность демонстрирует диффузное отражение , что означает, что оно отражает свет в все разные направления.

Фотон, отраженный от белой стены, безусловно, может отразиться от другой белой стены. Однако отражение не может происходить вечно, потому что никакая настоящая стена не может отражать 100% падающего на нее света.

Если стена синяя, это означает, что она хорошо отражает синие фотоны и не отражает так много фотонов других цветов.

Почти всегда, когда фотоны сталкиваются с материей или взаимодействуют с ней, они не отражаются так, как бильярдный шар отскакивает от края бильярдного стола. Скорее, они поглощаются, поглотитель переходит в метастабильное состояние, а затем при распаде метастабильного состояния испускается новый фотон. Однако иногда, когда фотоны взаимодействуют с одиноким электроном ( т.е.простая диаграмма Фейнмана для комптоновского рассеяния на свободном электроне), становится немного спорным и не очень осмысленным решать, имеем ли мы «отражение» или «поглощение-переизлучение»). Если вы посмотрите на приведенные ниже возможности, вы сможете найти среди них свои: например, «синие фотоны» против «синей стены» — это вариант номер 4 ниже, так что у вас просто более высокая амплитуда рассеяния, чем у вас была бы. для падающего белого света.

1. Если поглотитель действительно возвращается в точно такое же состояние, в котором он был до поглощения фотона, испущенный фотон должен иметь точно такой же линейный импульс, энергию и угловой момент, что и падающий фотон. Это означает, что он должен двигаться в том же направлении, что и раньше, и у него должна быть точно такая же длина волны, как и раньше. У нас есть идеально прозрачный материал. Если угловой момент фотона сохраняется, он должен оставаться поляризованным по кругу, если так было изначально, но может иметь место вращение линейной поляризации посредством квантовой версии деформации формы возбужденного поглотителя, которой подвергается падающий кот (или космонавт), чтобы вращаться в пространство при сохранении углового момента см. этот вопрос здесь или мою статью «О кошках и их самый замечательный рефлекс восстановления» здесь. То есть фотон, представленный квантовой суперпозицией$\alpha_L \psi_L + \alpha_R\,\psi_R$, где$\psi_L$и$\psi_R$— амплитуды состояний чистой левой и правой круговой поляризации, которые можно заменить любой суперпозицией вида$e^{i\,\phi_L}\,\alpha_L \psi_L + e^{i\,\phi_R}\,\alpha_R\,\psi_R$, то есть веса суперпозиции могут сдвигаться по фазе, но не по модулю. Однако это НЕ то же самое, что двойное лучепреломление;

2. Если поглотитель такой же, как в 1), но угловой момент передается между поглотителем и окружающей решеткой, материал совершенно прозрачен и квантовое состояние$\alpha_L \psi_L + \alpha_R\,\psi_R$может подвергаться любому унитарному преобразованию. Мы описываем совершенно прозрачный двулучепреломляющий материал. Свет, проходящий через четвертьволновую пластину из такого материала, будет оказывать на нее измеримое крутящее усилие, как в этом известном эксперименте:

Ричард А. Бет, «Механическое обнаружение и измерение углового момента света», Phys. 50 , 15 июля 1936 г.

3. Если поглотитель такой же, как в 1), но может передавать импульс окружающей его решетке, переизлученный фотон будет похож на тот, который упруго рассеян от решетки: длина волны та же, но направление фотона другое. Мы описываем идеальное зеркало;

4. Если возбужденный поглотитель имеет ненулевую амплитуду передачи энергии окружающей решетке, то решетка нагревается. Там все еще могут быть отраженные фотоны, но интенсивность света может быть меньше. Более того, амплитуда процесса поглощения-переизлучения будет зависеть от цвета, поэтому некоторые фотоны с большей вероятностью будут поглощены без переизлучения, чем другие. В этом случае белый свет, состоящий из фотонов разных цветов или (более эзотерически) идентичных фотонов в чисто «белом» квантовом состоянии (как описано в моем ответе здесь ), будет переизлучаться с другим спектральным составом: таким образом, рассеиватель цветной;

5. Наконец, у нас есть флуоресценция. Поглощающий, возбужденный атом/молекула долгое время «ждет» перед самопроизвольным излучением: обычно наносекунды, могут достигать миллисекунд. За это время он может взаимодействовать со средой, в которой он погружен, – со своим окружением. Таким образом, отношения энергии, импульса, углового момента сложны:

   • Энергия : при флуоресценции почти всегда происходит стоксов сдвиг: состояние, из которого флуоресцирует атом/молекула, может быть ниже, чем состояние, в которое атом/модуль был впервые поднят падающим светом. Более того, атом/молекула могут не полностью флуоресцировать до основного состояния. (См. мой рисунок ниже, который символизирует флуоресцеин, т.е. «зеленые флуоресцентные чернила для ручки»). Потери энергии означают, что процесс поглощения/флуоресценции передает колебательную энергию и тепло системе атом/окружающая среда.

   • Линейный импульс : во время жизни флуоресценции атом/молекула может упираться в окружающую среду и наоборот, поэтому импульс передается в окружающую среду. Поэтому почти всегда существует небольшая связь между направлением падающего света и направлением флуоресценции;

   • Угловой момент : взаимодействия между атомами, молекулами и окружающей их средой, как правило, связаны не с крутящим моментом, а с передачей импульса. Это интуитивно понятно: силы имеют тенденцию быть направленными вдоль линии между центрами масс. Однако существует некоторый крутящий момент и угловой импульс, особенно для флуорофоров с длительным сроком службы. Поэтому поляризация флуоресценции, как правило, довольно сильно коррелирует с поляризацией падающего света, но также имеет место определенная деполяризация. Еще один фактор, который имеет тенденцию поддерживать достаточно хорошую корреляцию флуоресценции и поляризации падающего света, заключается в том, что угловой момент квантуется, а линейный импульс - нет. Простодушно вы можете думать, что угловые импульсы должны достигать определенного$\pm\hbar$порог, прежде чем они станут реальными переводами.

1) Нет, вещества почти никогда полностью не поглощают фотоны. В противном случае вы не могли бы их увидеть. В случае, если вещество поглощало бы все фотоны (что довольно сложно добиться намеренно), оно было бы как смоль черным, даже если вы освещаете его сколь угодно сильным светом (-> черное тело).

2) Он будет отражаться туда-сюда, но только конечное время. Это связано с тем, что отражательная способность (или, что то же самое, вероятность того, что фотон не будет поглощен) не равна 100%. Математически и экспериментально наблюдается экспоненциальный спад. (-> интегрирующие сферы).

Пример: Интегрирующие сферы представляют собой полые сферы, изготовленные из материала с очень высокой отражающей способностью и имеющие одно маленькое отверстие. Когда вы посмотрите в отверстие, оно будет белым. Когда вы направите свет на сферу и внезапно выключите его, вы заметите, что проходит некоторое время, прежде чем свет полностью исчезнет. Это происходит потому, что фотоны, хранящиеся внутри него, отражаются в нем вперед и назад, пока не вырвутся наружу или не будут поглощены несовершенно отражающим материалом. Однако даже для сфер с очень высокой отражательной способностью это время обычно меньше микросекунды, поэтому вы не можете увидеть этот эффект невооруженным глазом. Тем не менее, это хорошо измеримо, и в основном время простоя кольца настолько короткое, потому что скорость света очень высока (и у вас есть много многократных обходов за временной интервал).

3) Они будут отражаться (причем с большей вероятностью, чем фотоны другой длины волны, иначе синего не было бы).