Объясните законы отражения на атомном уровне.

Согласно квантовой электродинамике (КЭД) свет можно рассматривать как движущийся по всем путям. Однако единственные пути, которые не испытывают деструктивной интерференции, это те, которые находятся в окрестности путей со стационарным (например, минимальным) действием (временем), что в вашем случае является путем «равноугольного».

Я настоятельно рекомендую прочитать КЭД Фейнмана : странная теория света и материи . В ссылке вы также найдете ссылку на видео.

Таким образом, с КЭД в руках, антропоморфно, фотонам не нужно знать, куда идти, потому что они летают повсюду. :)

Когда свет падает на идеально отражающий материал, каждый атом в зеркале будет поглощать и переизлучать фотоны, но, поскольку атом является точечной частицей, он будет переизлучать во всех направлениях как когерентный точечный источник. Закон равных углов при зеркальном отражении является следствием того, что фаза переизлученного излучения жестко связана с локальной фазой входящего луча . Угол падения определяет пространственное изменение этой фазы и, следовательно, относительных фаз каждого сферического источника, которые, в свою очередь, определяют направление, в котором они будут конструктивно интерферировать.

По сути, атомы действуют как фазированная решетка, такая как в этом апплете ; добавление дополнительных источников улучшает коллимацию исходящего луча. Это создает два луча, один из которых отражается, а другой разрушающе интерферирует с входящей волной.

Недавно я написал пост в блоге на тему того, как зеркала отражаются на атомном уровне — на основе этого поста . Большая часть вашего вопроса уже была рассмотрена в сообщении Physics.SE, на которое я ссылался. В любом случае, вот...

В классической электродинамике явления могут быть объяснены, когда считается, что свет состоит из колеблющихся электрических полей. Свет входит, вызывает колебания атомных диполей (поляризация) в стекле (будучи изолятором, оно имеет диполи), что, в свою очередь, заставляет диполи излучать электромагнитное излучение той же частоты, но с некоторым фазовым сдвигом ($\pi/2$) по отношению к входящей волне, что приводит к ее отставанию. Следует отметить, что электромагнитные волны излучаются диполями везде (не только вдоль направления приходящей волны). Просто другие пути, по которым идет свет, разрушительно мешают друг другу и компенсируют друг друга. Прямое излучение идет вместе с волной, а то, что отражается назад, — это то, что вы видите как 4% отраженного света (от стекла).

Когда волна попадает на границу раздела металл-стекло (помните, отражение происходит всякий раз, когда есть несоответствие показателей преломления ), атомы трясутся вперед и назад. Но на этот раз электромагнитная волна сдвинута в фазу$\pi$(из-за проводимости металлов), что вызывает разрушительную интерференцию прямого излучения, и, следовательно, свет не проходит через металлы. Теперь обратное излучение проходит через стекло, получает несколько парных волн, и вот как вы видите свое лицо в зеркале.

Теперь все, что я объяснил до сих пор, может быть интуитивно понятным, а также может удовлетворить вас, потому что это классический взгляд, который мыслим. Невезение..!!! Это не все объясняет. Вы не можете говорить о пути отдельного фотона или о том, что делает один электрон в атоме. Это путаница, суперпозиция всех вероятностей. Все, с чем вы можете играть, - это шансы того, как вещи могут быть отражены и т. Д. Более того, как говорит @Igor , это коллективное явление. Фотон может делать все, что захочет. Он может взаимодействовать со всеми атомами сразу, с чем угодно. Итак, @aufkag совершенно прав. И вот что происходит. Свет выбирает кратчайший путь (путь с минимальным временем), чтобы достичь детектора. В двумерной евклидовой плоскости этогеодезическая – прямая.

Вы можете задать вопрос: «Почему частота не меняется?» Дискретные энергетические пакеты света (фотоны) либо поглощаются целиком, либо просто передаются без помех . Влияет только интенсивность. Если бы было иначе (если бы частота менялась), то, проводя опыты в стекле, можно было бы легко заметить, что цвет света должен был бы измениться (синий станет красным и, наконец, исчезнет из нашего поля зрения, так как он переходит в ИК и Радиорайон). Но этого не происходит.

Сумма путей, пройденных всеми этими стрелками (которые построены затраченным временем), составляет путь, пройденный светом. Я не люблю кратко это здесь. Но я настоятельно рекомендую посмотреть лекции Фейнмана по КЭД (особенно второе видео, где он объясняет о Приступах размышлений).

Есть несколько подходов к этому. Видимый свет составляет около 500 нм, в то время как типичные диаметры атомов составляют порядка 0,5 нм, чтобы быть щедрым ( цитата для углерода 0,2 нм ). Таким образом, с этой точки зрения грубые свойства поверхности не могут быть решены. Однако каждый отдельный атом будет поглощать и переизлучать в зависимости от окружающих его электронов, а уровни энергии, которые занимают электроны, сильно зависят от материала (его зонной структуры ). Например, стекло пропускает много видимого света, потому что нет никаких доступных энергетических уровней для электронов, на которые они могли бы попасть, когда они поглощают видимый свет, но может блокировать ультрафиолетовый свет, потому что эти энергетические уровни доступны.

Кроме того, когда мы добираемся до рентгеновских лучей, длина волны становится достаточно короткой, чтобы можно было разделить отдельные атомы. Поскольку фотоны от соседних атомов значительно не совпадают по фазе, они интерферируют, и вместо красивого зеркального отражения, как от зеркала, вы получаете сильные дифракционные минимумы и максимумы. Это лежит в основе рентгеновской кристаллографии .