Strona głównaPytania → Na jakiej zasadzie następuje absorpcja...

Na jakiej zasadzie następuje absorpcja światła i jego ponowne odbicie?

Pytanie

Pyta Krzysztof

Na jakiej zasadzie następuje absorpcja światła i jego ponowne odbicie? Wiadomo, że dana materialna struktura może pochłonąć daną porcję światła po czym wypromieniować ją, a interferencję światła oddanego odbieramy jako obraz tej struktury. Na jakiej zasadzie następuje jednak sama absorpcja (klasyczne wzbudzenie czy coś innego)? I czy można wyprowadzić jakąś ogólną zależność na to jakie frakcje zostaną odbite, a jakie przejdą przez dany obiekt?

Odpowiedź

Odpowiada Piotr Wasylczyk

Obecnie efekty związane z absorpcją i emisją światła „w życiu codziennym” (to znaczy przy niezbyt dużych natężeniach, niezbyt dużych prędkościach świecących obiektów itp.) rozumiemy na gruncie mechaniki kwantowej. Wiele efektów można wytłumaczyć nawet prościej, w ramach teorii „półkwantowej”, gdzie materię (atomy, cząsteczki) traktujemy kwantowo, zaś światło (promieniowanie) jako klasyczne fale elektromagnetyczne (nie musimy się uciekać do „prawdziwej” kwantyzacji pola).

Taka teoria pozwala wytłumaczyć na przykład, dlaczego liście są zielone — jeśli poznamy budowę cząsteczki barwnika w nich zawartego, możemy zrozumieć, że będzie on absorbował niektóre długości fali, a inne nie. Podobnie pozwala ona zrozumieć, dlaczego rurka wypełniona neonem świeci na czerwono i opisać działanie lasera.

W kryształach (czy to izolatorach, czy metalach) rozważając oddziaływanie ładunków (odpowiednio związanych i swobodnych) potrafimy przewidzieć zależność współczynnika załamania od długości fali (opisać działanie pryzmatu) oraz wyznaczyć obszary widma, gdzie materiał jest przezroczysty, a gdzie będzie absorbował światło (dlaczego szkło jest przezroczyste, a miedź pomarańczowa).

Odpowiadając na ostatnią część pytania: jeśli tylko znana jest postać współczynnika załamania i absorpcji w każdym punkcie dowolnego obiektu, możemy wyliczyć (numerycznie) jak będzie się w nim rozchodziło światło — takie wyliczenia (wprost z równań Maxwella) pozwalają obecnie projektować materiały (np. tak zwane metamateriały) o bardzo ciekawych, niespotykanych w przyrodzie, właściwościach optycznych. Jednym z efektownych przykładów jest optyczna „czapka niewidka” (ang. optical cloak) – projektując odpowiedni rozkład współczynnika załamania potrafimy ukryć obiekt (na razie bardzo mały) tak, że jest on niewidoczny dla obserwatora wykonującego pomiary przy użyciu światła. Inne struktury (o charakterystycznych rozmiarach poniżej długości fali), wykonane z całkowicie przezroczystych materiałów, mogą wykazywać tzw. optyczną przerwę wzbronioną i nie przepuszczać niektórych barw światła.