Lichtquanten < Physik < Naturwiss. < Vorhilfe
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(Frage) beantwortet  | | Datum: | 21:42 Mo 14.01.2008 | | Autor: | abakus |
Warum kann "Licht" Wasser und Glas durchdringen, viele andere Medien aber nicht? Meine Überlegung: Die meisten Stoffe sind lichtundurchlässig. Die Atome sind so dicht gepackt, dass die Lichtquanten "unterwegs" irgendwann auf ein Hindernis (ein Atom) treffen. Viele lichtundurchlässige Stoffe sind aber vergleichsweise weniger dicht gepackt als Glas. Wie kommen also die Quanten durch dickes Glas (oder durch die chaotische Anordnung von Wassermolekülen)? Oder dringen die Quanten nur in das Medium ein und werden von einem Atom absorbiert, welches dann - quasi als Ersatz- ein gleichartiges neues Quant auf die weitere Reise schickt? In der Schulphysik findet man dazu keine Erklärung.
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(Antwort) fertig  | | Datum: | 00:10 Di 15.01.2008 | | Autor: | rainerS |
Hallo!
> Warum kann "Licht" Wasser und Glas durchdringen, viele
> andere Medien aber nicht? Meine Überlegung: Die meisten
> Stoffe sind lichtundurchlässig. Die Atome sind so dicht
> gepackt, dass die Lichtquanten "unterwegs" irgendwann auf
> ein Hindernis (ein Atom) treffen. Viele lichtundurchlässige
> Stoffe sind aber vergleichsweise weniger dicht gepackt als
> Glas. Wie kommen also die Quanten durch dickes Glas (oder
> durch die chaotische Anordnung von Wassermolekülen)? Oder
> dringen die Quanten nur in das Medium ein und werden von
> einem Atom absorbiert, welches dann - quasi als Ersatz- ein
> gleichartiges neues Quant auf die weitere Reise schickt? In
> der Schulphysik findet man dazu keine Erklärung.
Optische Effekte lassen sich viel einfacher im Wellenmodell der Strahlung erklären.
Transparenz bedeutet, dass die elektromagnetische Strahlung ungehindert oder fast ungehindert das Material durchqueren kann. Das ist dann der Fall, wenn die Strahlung im Material nicht absorbiert wird. Mit der Packungsdichte hat das wenig zu tun; es ist eine Frage der Resonanz.
Beispiel Wasser: Wassermoleküle können elektromagnetische Strahlung nur im Mikrowellenbereich aufnehmen, da nur damit die Molekülschwingungen angeregt werden können. Die Frequenz des sichtbaren Lichts ist so weit von der Resonanzfrequenz entfernt, dass das Licht praktisch ungehindert hindurchgeht. Übrigens ist das bei vielen Flüssigkeiten so: die Alkohole Ethanol und Propanol sind auch durchsichtig.
(Bei Glas bin ich mir nicht sicher, es liegt sicher an der amorphen Struktur, dass es keine Resonanz gibt. Übrigens sind viele Gläser im UV-Bereich gar nicht mehr so transparent.)
Das führt direkt zu den Lichtquanten: die können nur dann absorbiert werden, wenn es in dem betreffenden Festkörper einen Übergang passender Energie gibt: es muss ja genau die Energie des Quants aufgenommen werden, und das geht nur, wenn es zwei Zustände gibt, die genau passend auseinander liegen (entsprechend den Spektrallinien beim Wasserstoffspektrum).
Beim Wasser gibt's die wieder nicht, die Energien für die Molekülanregung liegen viel niedriger.
Viele Festkörper haben wegen ihrer regelmäßigen Kristallstruktur ganze Bänder möglicher Zustände, sodass Quanten in einem recht großen Frequenzbereich absorbiert werden. Erst wenn die Energie des einzelnen Quants sehr groß ist, zum Beispiel bei Röntgenstrahlung, zeigt sich derselbe Effekt wie beim Durchgang des sichtbaren Lichts durch Wasser: der Festkörper ist für Röntgenquanten durchsichtig.
Bleibt noch Streuung der Quanten an den Molekülen beziehungsweise Atomrümpfen im Festkörper. Die findet auch wirklich statt: Wasser ist nicht zu 100% transparent, ein kleiner Anteil der Strahlung wird gestreut.
Hinzu kommt noch die Reflexion und Brechung an den Grenzflächen, die aber ein Effekt der Oberfläche ist.
Viele Grüße
Rainer
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(Antwort) fertig | | Datum: | 22:07 Di 15.01.2008 | | Autor: | w3cray |
Zum Wasser:
Wasser hat bei diversen Wellenlängen Absrptionsbanden, so dass es nicht nur im Mikrowellenbereich Strahlen absorbiert (deshalb wärs auch schlecht, wenn wir viel Wasser in der Atmosphäre hätten).
Zum Glas: Wenn man zum Beispiel ein gefülltes Glas hat und sich den Strahlengang anschaut, stellt man fest, dass der Brechungsindex des Glases auf den Weg des Strahls keinen Einfluss hat. Der komplexe gamma-Koeffizient (also Absorptionskoeff.) von Glas ist ebenfalls klein, so dass es hier fast nicht zur Absorption kommt.
Bei Metallen spricht man bei elektromagnetischer Strahlung auch vom Skin-Effekt. Hierbei kann die Strahlung das Material nicht durchdringen, sondern nur bis zu einer bestimmten Eindringtiefe hineingehn (gamma steht in einer e-Funktion mit negativem Exponenten).
Gruß
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(Mitteilung) Reaktion unnötig  | | Datum: | 17:47 Mi 16.01.2008 | | Autor: | abakus |
Vielen Dank für die detaillierten Ausführungen!
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