Pourquoi les objets réfléchissent-ils la lumière? Si les atomes sont principalement des espaces vides, pourquoi la lumière ne les traverse-t-elle pas? S'il ne passe pas, pourquoi n'est-il pas absorbé?

Robert Shuler

Robert Shuler, travaille à la NASA Johnson Space Center (1974-present)

Mise à jour il y a 30w · Voté par

Torbjörn Larsson, PhD Physics, Université d'Uppsala et

Mike Parsons, D. Phil Physics et théologie et philosophie chrétiennes, Université d'Oxford · L'auteur a des réponses 1.3k et des réponses de réponse 757.2k

Les réponses ici, toutes les tentatives sincères, semblent manquer l'explication des miroirs, de la couleur et des autres propriétés matérielles courantes. Celles-ci sont mieux comprises au niveau du champ électromagnétique, plutôt que des propriétés quantiques.

La lumière est une onde électromagnétique.

La matière est constituée de particules chargées qui sont maintenues en place par des champs électrostatiques (en gros, je me rends compte que les électrons bougent, bien que les noyaux puissent être traités comme essentiellement stationnaires et que les électrons se trouvent dans des positions «moyennes»). N'importe lequel de ces éléments chargés (électrons, noyaux) peut absorber et réémettre une onde EM, tout comme les électrons dans un conducteur.

Ainsi, la matière ressemble à une antenne géante. Avez-vous déjà vu une antenne de télévision à l’ancienne avec un tas de petites barres d’aluminium espacées de manière mystérieuse? Celles-ci correspondent à l'espacement atomique ou moléculaire. La différence est que les antennes de télévision fonctionnent à des longueurs d'onde relativement grandes et les supports optiques à des longueurs d'onde plus courtes, donc à des espacements plus courts.

si les espacements sont tels que l'onde incidente voit une faible impédance, c'est-à-dire si la résonance due aux espacements est telle qu'aucun potentiel EM ne se présente à la surface, alors effectivement un courant de surface circule, il est déphasé et réémet l'onde incidente dans son sens d'origine. Si cette réémission est cohérente, nous obtenons un miroir. Sinon, nous obtenons simplement un objet brillant, par exemple blanc.

Pour les miroirs, il y a deux autres qualités intéressantes. Les électrons dans le matériau doivent être mobiles, pour supprimer tout champ électromagnétique à la surface sur une plage de longueurs d'onde plus large. Ainsi, la plupart des miroirs sont à base de métal. Seconde, la surface doit être optiquement plane, de sorte que l’onde de retour soit cohérente. Ainsi, les miroirs doivent être très polis. Les miroirs pratiques impliquent le dépôt de métal sur un morceau de verre au lieu de le polir directement, car il est facile de fabriquer du verre très plat.

Si le courant de surface est partiellement en phase, car les résonances ne sont pas accordées sur la lumière incidente, il s'agit alors d'une impédance réelle qui absorbe une partie du rayonnement incident sous forme de chaleur.et la couleur du matériau sera plus sombre.

Certains matériaux sont accordés plus étroitement que d’autres et peuvent refléter certaines fréquences et non d’autres, ayant une apparence autre que grise ou blanche.

Sans résoudre les équations de Maxwell, ce qui est très difficile pour un ensemble d’éléments comme une surface matérielle et, au mieux, effectué par calcul, sans analyse, c’est à peu près tout ce que je peux faire. Il est possible que quelqu'un d'autre puisse approfondir l'analogie de l'antenne et donner quelques règles de base. Si tel est le cas, veuillez laisser une note ici pour que je puisse le remarquer.

Marek Podgorny

Marek Podgorny, PH. D Physics, Université Jagellonian (1978)

Répondu il y a 40w

Physique du solide…. physicien dans d'autres spécialités appellent parfois cela "physique sordide". Il y a une raison à cela: il y a peu de réponses simples et précises aux questions, même simples. Pourtant, notre technologie actuelle est presque entièrement définie par cette sale discipline. La physique à l'état solide nous a donné un transistor et, peu de temps après, tout ce qui était numérique. Pas de Quora sans SSP, pas de smartphone, pas de facebook, pas de lasers miniatures, pas de téléviseurs à écran plat - inimaginable, n'est-ce pas?

Pour revenir à la réflexion, la physique classique a traité cette question il y a longtemps. L'optique classique est un cadre très utile pour guider la construction de télescopes et de caméras. Beaucoup de réponses ici commentent l'optique classique. Le problème, c’est que l’optique classique décrit comment la lumière est réfléchie / réfractée, pas pourquoi. Pour trouver une réponse réelle, il faut le PAS. Cependant, le PAS est une science purement mécanique. Le concept de lumière en tant qu'onde est pratiquement inutile pour la théorie des interactions lumière-matière.

Très simplifiant, un photon qui frappe un objet est absorbé. L'électron qui l'a absorbé passe à un état quantique autorisé supérieur puis revient en arrière, émettant un autre photon. Ce photon quitte l'objet et est perçu comme réfléchi.

Un photon peut-il passer à travers un objet? Oui il peut. Cela peut se produire lorsque l’énergie des photons est trop faible pour exciter un électron. Il doit y avoir un «fossé énergétique» entre les états autorisés. Pour les photons d'énergies inférieures à l'espace, l'objet est transparent. Or, cela n’est pas très différent des raies du spectre d’absorption des atomes, si ce n’est que les raies spectrales sont très étroites du fait de la nature très discrète des états quantiques excités atomiques. Dans les solides, les états quantiques atomiques sont remplacés par des bandes d'énergie sur lesquelles les électrons peuvent demeurer.

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Expliquer pourquoi c'est simple d'utiliser les mathématiques, mais sans que ce soit désordonné - sordide, si vous voulez. La raison la plus fondamentale est que le réseau cristallin est un exemple de rupture de symétrie spontanée. L'espace à l'intérieur d'un solide est uniquement invariant par rapport à certains déplacements discrets - comme une distance entre atomes - et non à TOUT déplacement, comme dans le cas d'un espace vide. Les équations quantiques du mouvement des électrons ont une symétrie différente et donc des nombres quantiques différents. Ce domaine de la SSP est connu sous le nom de théorie de la bande électronique et sous-tend la plupart de nos technologies numériques.

La théorie de la bande montre qu’il existe essentiellement deux types de solides: les métaux et les isolants. Dans les isolants, les électrons occupent toute la bande d’énergie jusqu’à son sommet. Les autres permis mentionnés sont une certaine distance d'énergie plus élevée, d'où le «fossé». Les semi-conducteurs essentiels constituent une classe d'isolants avec des écarts d'énergie relativement faibles. Les intervalles sont dans la même plage que la plage d'énergie de la lumière visible. Ainsi, certaines "couleurs" de lumière traversent, d'autres non et la lumière réfléchie n'est pas strictement blanche. Au fur et à mesure que l’espace grandit, les solides deviennent transparents - verre, diamant, car leurs espaces sont supérieurs aux photons de plus haute énergie de la plage visible. Le fluorure de lithium est transparent même aux rayons ultraviolets. Le comportement de tels objets peut être décrit en utilisant une optique classique en termes de géométrie.

Les métaux sont des animaux différents. Les bandes d'énergie ne sont remplies que jusqu'à un certain niveau (appelé niveau de Fermi), avec les états autorisés juste au-dessus. Une telle mer d'électrons peut absorber n'importe quelle lumière et réfléchit également toute la lumière. Un métal ne peut pas être transparent. Ils peuvent cependant avoir des couleurs, comme le cuivre ou l'or. La couleur résulte du fait que les bandes d'énergie disséquées par le niveau de Fermi sont étroites, de sorte que le spectre de la lumière absorbée n'est pas uniforme. Toutes ces différences sont quantitatives plutôt que qualitatives.

La «mollesse» du SSP réside dans le fait qu'il est impossible de répondre à de nombreuses questions sans calculs numériques assez complexes. Il n'y a pas de formules fermées. Si nos calculs apportent des réponses en accord raisonnable avec les observations, nous apprenons seulement que la théorie quantique fonctionne également pour les solides. L'accord n'est jamais exact puisque nos méthodes numériques reposent sur des approximations. C'est une sale affaire.

Avertissement: il ne s'agit que de la pointe de l'iceberg. Aucune mention d'impuretés, d'états collectifs, de matériaux en sandwich, de revêtements spéciaux, etc. Il est intéressant de noter que l'essentiel de cette science est fondamentalement «fait». Qui est genial.

Christian Gingras

Christian Gingras, ancien micrologiciel intégré chez actuellement à la recherche d’un emploi.

Répondu il y a 22w · L'auteur dispose de réponses 605 et de vues de réponses 128.9k

Premièrement, la force électrique qui maintient chaque atome à une distance respectueuse remplit tout l’espace qui les sépare, par définition. Les protons et les électrons sont minuscules par rapport à la taille des atomes, mais pas le champ de force tout autour. Un photon est une énergie électromagnétique qui bouge à une fréquence spécifique. Cette partie électrique interagit avec le champ de force qui définit l’atome entier, et non avec les minuscules particules se trouvant au milieu.

Les photons n'interagissent avec aucun électron en soi. C'est l'électron qui se trouve sur la couche la plus externe qui absorbe le photon en accélérant ou ce même électron qui produit un nouveau photon lorsqu'il "décélère". Le mot est entre guillemets, non pas parce qu'il est rarement utilisé, mais parce que l'électron ne ralentit pas vraiment comme une voiture appliquant une pause et s'arrêtant après 3 à 12 secondes, gaspillant en permanence l'énergie cinétique sous forme de chaleur sur le système de freinage.

Ce fameux électron, lorsqu'il perd l'excitation, saute brusquement, changeant son niveau d'énergie plus rapidement que la lumière.

Pensez aux trous dans la fenêtre d'un four à micro-ondes ou à la grille d'une vieille antenne parabolique. Si la longueur d'onde est au moins multipliée par 10, aucune onde ne traversera la grille.

La longueur d'onde de la lumière visible est très grande comparée à la taille des atomes. Une seule vague de lumière bleue recouvre des milliers d'atomes.

Malgré cette différence de taille, il apparaît qu'un seul électron dans un seul atome obtiendra toute l'énergie d'un photon lorsqu'il l'absorbera. Lorsqu'un électron excité saute à un niveau d'énergie inférieur, plus rapide que la vitesse de la lumière, ce petit mouvement sur la couche supérieure de l'atome émet un photon dont la taille physique est plusieurs milliers de fois supérieure à celle de l'atome auquel cet électron est lié.

Ce simple fait devrait vous convaincre que, malgré l'incroyable précision des calculs mis au point par les physiciens quantiques, l'explication du fonctionnement réel des photons et des photons est de la même qualité que la peinture d'un homme aveugle.

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Mais voici ce que je comprends du miroir et du métal brillant en général:

La plupart des métaux polis réfléchissent la lumière «parfaitement» pour toutes les fréquences. Ils ne discriminent pas sur la couleur des photons; ils sont tous immédiatement rejetés sur la première couche d'atomes.

La plupart des gens expliquent les phénomènes de miroir comme s'il s'agissait d'une phosphorescence. Ils disent que les électrons libres du métal vibrent facilement en synchronisation avec la lumière entrante, ils réémettent donc un photon de la même couleur peu après et, contrairement à la phosphorescence normale, le nouveau photon est émis à un angle prévisible; 90 typique - angle d’incidence.

La véritable explication est expliquée par les «guides d’onde» utilisés dans les radars et autres dispositifs radiofréquences. Fondamentalement, comme les métaux ont ce nuage d’électrons qui conduisent l’électricité (et la chaleur qui est une simple vibration mécanique), toute onde électromagnétique approchant d’une couche métallique voit un court-circuit pour son composant électrique.

Au lieu d'absorber l'énergie de la vague, ce court-circuit fait rebondir la vague. L'analogie la plus proche à laquelle je puisse penser est la corde attachée à un mur. Lorsque nous commençons une vague le long de la corde, celle-ci rebondit et change de direction lorsque nous atteignons le mur. Si la corde flotte, le rebond de la vague est inversé. Il existe une excellente vidéo en noir et blanc sur youtube qui montre clairement cela.

David Smith

David Smith, B.Sc. MSc. Physique & Mathématiques, Université de Glasgow (1984)

Répondu il y a 40w · L'auteur dispose de réponses 347 et de vues de réponses 94.1k

Beaucoup de bonnes réponses sont déjà fournies. Voici quelques autres réflexions. Deux mécanismes sont impliqués. L'une est la question de la limite de diffraction de la lumière déterminant comment la lumière interagit avec des structures physiquement plus petites que la longueur d'onde de la lumière… (je traiterai de celle-ci ci-dessous). La seconde est le processus d'absorption et de réémission de la lumière. Cela a été abordé par d'autres personnes et je ne le répéterai pas dans cet article.

Si vous vous rappelez votre physique et comment vous avez calculé la diffraction de la lumière à travers un trou ouvert ou un réseau de fentes. Dans les espaces ouverts, vous modélisez toujours la lumière comme une source s’étendant de tous les côtés dans toutes les directions. Si vous vous souvenez bien, ce qui a tendance à se produire est que, si l'espace est plus grand que la longueur d'onde de la lumière, la lumière a tendance à simplement traverser l'espace en tant que faisceau de lumière. Cependant, à mesure que l'espace diminue, la lumière commence à se diffracter jusqu'à se disperser dans toutes les directions lorsque l'espace a approximativement la même taille que la longueur d'onde.

Plutôt miraculeusement, il a tendance à s’additionner dans certaines directions et à s’annuler dans d’autres en créant les modèles de diffraction corrects. Ce que cela signifie, c'est qu'il est physiquement dépourvu de sens de commencer à parler de la lumière confinée dans un espace beaucoup plus petit que sa longueur d'onde et d'être capable de distinguer les détails de n'importe quelle structure dans cet espace. (Il existe un domaine de la physique appelé «plasmonique» qui semblerait violer ce que je viens de dire, mais il s'agit de «tricher», car il convertit efficacement la lumière en mouvement d'électrons pouvant interagir à une échelle beaucoup plus petite, puis se convertit retour à la lumière.)

Ce même mécanisme explique également pourquoi vous ne pouvez pas utiliser la lumière pour imager des objets dont la taille et l’espacement sont bien inférieurs à la longueur d’onde de la lumière. C'est ce qu'on appelle la limite de diffraction. Ainsi, dans ce cas particulier, même si les particules atomiques sont TRÈS petites, elles sont comprimées dans un espace encore très petit par rapport à la longueur d'onde de la lumière, de sorte que la lumière ne peut tout simplement pas résoudre le "vide" par rapport aux particules atomiques. Il voit les particules atomiques comme s'il s'agissait de charges réparties sur un espace à peu près égal à la longueur d'onde de la lumière.

On peut encore se demander pourquoi il existe une interaction aussi forte avec la lumière. Même si la diffraction diffuse le signal optique, la force de l'interaction doit toujours rester à l'échelle des sections transversales concernées. Ce serait en effet vrai s'il n'y avait pas les orbitales des électrons. Bien qu'il ne s'agisse pas d'un modèle strictement correct, on peut considérer que l'électron tourne autour du noyau et que, par conséquent, la probabilité d'interaction de la lumière est GRANDEMENT augmentée. À la lumière, cela ressemble probablement à une coquille solide chargée.

Ainsi, alors que vous pensez peut-être que la lumière tente de traverser «un espace principalement vide», en réalité, ce n'est PAS comme cela que la lumière voit un atome. Le rayon de l'atome est petit, mais à la lumière, cela ressemble presque à une petite boule remplie de charge répartie.

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Comme indiqué ailleurs, le reste de l'explication est simplement due à la physique de l'absorption et de la réémission et a été bien expliquée dans d'autres articles.

Pete Ashly

Pete Ashly, Fluctuations dans un champ

Répondu il y a 42w · Voté par

Ariel Balter, Doctorat en physique. A fait de la recherche et de l'enseignement. Actuellement en bioinformatique. · L'auteur dispose de réponses 9.5k et de vues de réponses 7.6m

Pour compléter la bonne réponse de Robert Shuler, j’ajoute que les molécules sont des espaces vides, car la «particule» n’est pas ce qu’elle est dans le monde quantique. Tout est une onde, y compris la matière et une particule est une fluctuation d'un champ qui se propage dans l'espace. (Voir l'expérience à double fente à un électron) La «particule» observée aujourd'hui est mieux perçue comme une transaction ou une interaction localisée lorsque deux fluctuations échangent de l'énergie.

Comme il le mentionne, l'absorption est vraiment le problème le plus intéressant pour la lumière. Les métaux et le gaz plasmagène se réfléchissent car les électrons sont libres de générer une onde de réaction cohérente avec la lumière incidente. Le gaz moléculaire n'absorbe la lumière qu'à des fréquences spécifiques, car celles-ci peuvent stimuler les sauts de bande de valence électronique et sont donc généralement transparentes, à l'exception des spectres absorbés.

Le verre et l'eau ont des électrons étroitement liés à la liaison des parois moléculaires et intramoléculaires de Vander, ce qui entraîne une transparence. Les molécules telles que le dioxyde de titane utilisé dans la peinture blanche n'absorbent pas la lumière, mais la dispersent à la surface. Les pigments foncés tels que les hydrocarbures enchevêtrés présentent une multitude de configurations d'absorption potentielles des élections, ce qui permet de créer une multitude d'états d'énergie pouvant absorber différentes fréquences de la lumière. La réponse de Pete Ashly à Comment les molécules prennent-elles leur couleur?

La lumière n'est pas une ligne mais une onde et interagit avec toute la surface d'un miroir. Voir QED par Feynman et Fields of color par Brooks pour de bonnes introductions de profanes aux champs quantiques.

Dipak Jairath

Dipak Jairath, Ph.D. Physique (1977)

Répondu il y a 18w · L'auteur dispose de réponses 391 et de vues de réponses 165.1k

Les questions sont assez confuses et mélangées. Les réponses auraient pu être meilleures.

Laissez-nous aborder la deuxième question en premier. La lumière traverse des substances transparentes telles que le verre, mais ce n’est évidemment pas ce qui est demandé ici.

Les tailles atomiques sont de l'ordre de l'angström, quelques fois 10 ^ -10 m, identiques aux longueurs d'onde des rayons X.

La «lumière» à laquelle vous faites référence (qui doit être une lumière visible puisque vous parlez de réflexion, de transmission et d'absorption) aurait des longueurs d'onde mille plus grandes. La lumière visible ne pourrait même pas “voir”Un atome * ou des arrangements d'atomes dans les solides. C'est pourquoi nous avons besoin de la diffraction des rayons X pour étudier la structure des matériaux. (Et diffraction électronique pour «voir» les atomes individuels).

(* Tout comme nous ne pouvons pas sentir les brins d'herbe individuels à travers la semelle de nos chaussures. Demander pourquoi la lumière ne traverse pas les atomes revient à demander pourquoi nous ne pouvons pas passer à travers les trous de serrure).

La première question: j'aurais préféré un autre terme dans la première question à la place de «objets». Pourquoi pas «matériaux»?

Les métaux sont brillants et lustrés. Le modèle simple à électrons libres explique cela si bien. Les électrons libres dans les niveaux d'énergie remplis peuvent absorber des photons ayant n'importe quelle quantité d'énergie, monter à des niveaux plus élevés et revenir immédiatement aux niveaux les plus bas en réémettant la lumière. Cela explique pourquoi les métaux sont brillants et lustrés mais pas le bois.

Troisième question: quand un rayonnement tombe sur un objet, il peut être partiellement transmis, partiellement réfléchi et partiellement absorbé.

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