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Energie und reflektiertes Licht bei Spiegeln 25 08. 2020 14:43 #75112

Folgende Frage:

Ein Lichtstrahl (Photon) wird durch einen Spiegel abgelenkt bzw reflektiert.
Wir wissen ja zwei Dinge:
  1. die Geschwindigkeit des Photons bleibt c, selbst bei völliger Reflektion (=180°)
  2. die Farbe (Energie) des Photons ändert sich nicht
  3. ein Photon hat keine Ruhemasse
Daraus ergibt sich mir die Frage, woher kommt die Energie für die Änderung der Richtung des Photons durch den Spiegel?

Danke,
Martin

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Energie und reflektiertes Licht bei Spiegeln 25 08. 2020 14:50 #75114

Es bedarf dafür keiner Energie, diese bleibt schlicht erhalten, sondern eines Impulses. Der Impuls wird auf den Spiegel übertragen und er gibt zusätzlich noch einen entgegengesetzen Impuls an das Photon. Tatsächlich wird hierbei auch die Frequenz des Photons verändert (bewegter Spiegel → Rotverschiebung → Energieverlust bzw Energieübertrag kinetische Energie oder Druck), was aber in aller Regel unmessbar wenig ist.

>> was aber in aller Regel unmessbar wenig ist. <<
Naja ganz so ist das auch nicht, Teleskope, mit denen die Sonne beobachtet werden, müssen stark gekühlt werden, weil sonst die Spiegel schmelzen. Bei der Photoplatte wäre dies ja sowieso klar (Absorption).

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Energie und reflektiertes Licht bei Spiegeln 25 08. 2020 15:45 #75122

Danke für die schnelle Antwort !
hmmm,
der Impuls ist ja eine gerichtete Größe die von Masse und Geschwindigkeit abhängig ist.
Das Photon hat "nur" eine relativistische Masse (keine Ruhemasse), sonst gäbe es ja keinen Gravitationslinsen Effekt.
Wie auch schon vorher geschrieben wurde, können Photonen ihre Energie zB in Wärme umwandeln.
Wenn das Spiegelmaterial die Impulsenergie aufnimmt und danach wieder abgibt, MUSS es dabei Verlusste geben.
Ich kann mich irren, aber meines Wissen nach gibt es (außer in der Theorie) keine verlustfreie Impulsübertragung.
Da c konstant ist, ist mir immer noch nicht klar wie diese Verlustenergie kompensiert wird. Wir sehen bei einer Spiegelung/Reflexion (größtmöglicher Impuls) schließlich keine Farbveränderung. Man nimmt selbst bei vielfachem Spiegeln keine Farbveränderung wahr - oder?

Zusatzfrage: da bei einer Reflexion (=180°) eine völlige Bewegungsumkehr stattfindet, muß das Photon durch die Geschwindiglkeit v=0 gehen. Wenn es dies tut, zeigt sich dass das Photon bei v=0 eine Welle sein muß da es ja keine Ruhemasse hat. Bei v=c ist es wieder Teilchenverhalten. Jetzt kommt der Punkt, am Extrempunkt v=c ist das vorstellbar. Wie funktioniert das aber im Übergangebereich? speziell da das Photon ja immer v=c haben sollte - oder? es kann das Photon am Umkehrpunkt nicht v=0=c haben...?

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Energie und reflektiertes Licht bei Spiegeln 25 08. 2020 15:55 #75124

mmartin schrieb: Das Photon hat "nur" eine relativistische Masse (keine Ruhemasse), sonst gäbe es ja keinen Gravitationslinsen Effekt.

Wie meinst Du das denn? Das Eine hat mit dem Anderen nichts zu tun, und beides hat mit "nur" nichts zu tun.

Der impuls des Photons beträgt
p¹ = E/c = h·f/c

mmartin schrieb: MUSS es dabei Verlusste geben.

Verluste sind das, was man nicht braucht, in diesem Fall also der Energieübertrag auf den Spiegel.

mmartin schrieb: Da c konstant ist, ist mir immer noch nicht klar wie diese Verlustenergie kompensiert wird.

Wie ich schon sagte, wird das Photon rotverschoben, also verliert es Energie, allerdings in der Regel außerordentlich wenig.

mmartin schrieb: Zusatzfrage: da bei einer Reflexion (=180°) eine völlige Bewegungsumkehr stattfindet, muß das Photon durch die Geschwindiglkeit v=0 gehen.

Nein, das Photon hat immer v=c oder es wird die Energie übertagen und das Photon verschwindet. In diesem Fall (Spiegel) wird quasi ein neues Photon erzeugt, das die Reflexion darstellt, aber man darf ruhig sagen, dass "das Photon" reflektiert wurde. Genau genommen wird das Photon von Resonanz überlagert, die das ursprüngliche Photon (destruktive Interferenz) auslöscht und ein gleiches in entgegengesetzter Richtung darstellt. Daher wohl auch der Phasensprung. So erklärt es jedenfalls Feynman.
Folgende Benutzer bedankten sich: mmartin

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Energie und reflektiertes Licht bei Spiegeln 26 08. 2020 00:27 #75175

mmartin schrieb: Daraus ergibt sich mir die Frage, woher kommt die Energie für die Änderung der Richtung des Photons durch den Spiegel?

Ganz einfach: die bringt das Photon mit, gibt sie an den Spiegel ab und bekommt sie von Ihm zurück.

Es gilt Energieerhaltung. Das heist bei dem Vorgang wird keine Energie "verbraucht".

Man könnte die Frage auch anders stellen: Woher kommt die Energie die einen (ideal elastischen!) Ball an einer Wand seine Richtung ändern lässt?
Hier gilt: die Energie bringt der Ball mit, wandelt sie an der Wand in Verformung um und bekommt sie von seiner eigenen Federwirkung in Gegenrichtung zurück.
Die Wand, wenn sie starr und unbeweglich ist, bleibt mit einer Energiebilanz von +-0 zurück.

Will man auch die Impulserhaltung muss man allerdings etwas genauer hinschauen und die Materialeigenschaften des Spiegels/Wand mit berücksichtigen.
Der Spiegel bekommt nämlich neben Impuls auch ein wenig der Energie mit die Photon oder Ball hatten. Je leichter der Spiegel desto mehr. (Stichwort Sonnensegel) Dei Energie fehlt dem Photon/Ball nachher natürlich, Photon erleided eine Rotverschiebung (Doppler?), Ball springt weniger schnell wieder weg.

assume good faith

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assume good faith

Energie und reflektiertes Licht bei Spiegeln 26 08. 2020 09:19 #75190

> Genau genommen wird das Photon von Resonanz überlagert, die das ursprüngliche Photon (destruktive Interferenz) auslöscht und ein gleiches in entgegengesetzter Richtung darstellt.

Mein Denkfehler war, sich das Photon als Ball mit klassisch physikalischen Eigenschaften vorzustellen :unsure:
Danke für die Klarstellung.

Es tauchen weitere Fragen auf :blink:
Ein Photon "stößt" auf "Materie".
Fall1: das Photon wird reflektiert
Fall2: das Photon wandelt sich in Energie um
Was lässt den Ausgang unterschiedlich werden?
Im Moment des "Kontaktes" passiert etwas das je nach Kombination verschiedene Ergebnisse bringt.

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Energie und reflektiertes Licht bei Spiegeln 26 08. 2020 10:12 #75198

mmartin schrieb: Was lässt den Ausgang unterschiedlich werden?

Du solltest Dir die Feynman lectures ansehen, das hatte ich bereits früher verlinkt, ist sicher leicht zu finden.
www.uwudl.de/forum/7-quantenelektrodynam...im-medium.html#69180
Das Photon (besser gesagt seine Felder) interagiert mit den Elektronen der Atome. Diese werden zu Schwingungen angeregt. Je nach Konstellation der Elektronen ist dies stärker oder schwächer oder gar in Resonanz. Hierdurch ergeben sich dann als Überlagerung Reflektion, Absorption und Ablenkung. Bei der Überlagerung ist es so, dass die destruktive Interferenz die Energie an den neuen Sender überläßt, anstatt sie an die eigene Quelle zurückzusenden, was aber aufs Gleiche herauskommt, da das Signal ja im Endeffekt reflektiert wird. Wie das in jedem Detail funktioniert wäre sicherlich grafisch zu konstruieren.
Folgende Benutzer bedankten sich: mmartin

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Energie und reflektiertes Licht bei Spiegeln 26 08. 2020 13:23 #75213

Danke für die Geduld und Erklärung :)

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Energie und reflektiertes Licht bei Spiegeln 09 09. 2020 10:16 #76088

Genau genommen ändert sich die Energie des Photons wohl (siehe Compton-Effekt). In diesem Fall ist der Effekt aber marginal, man kann ihn vernachlässigen, dahe funktionieren Spiegel ja auch.

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Energie und reflektiertes Licht bei Spiegeln 09 09. 2020 11:27 #76096

εliil schrieb: Genau genommen ändert sich die Energie des Photons wohl (siehe Compton-Effekt).

Korrekt, der Impuls wird ja übertragen und nicht vollständig (entgegengesetzt) zurückgegeben. Je nach Masse des Spiegels ist der Unterschied jedoch unmessbar gering, beim Comptoneffekt ist die Masse (freies Elektron) natürlich winzig und daher der Effekt deutlich messbar.
p = h·f/c = v·m

Du kannst in die Compton Formel im Prinzip die Masse des Spiegels (einschließlich damit fest verbundene Massen, zB die Erde) einsetzen.

Δλ = λCm = h/(c·m)

wiki:
Die sehr geringen Wellenlängenänderungen sind der Grund dafür, dass der Compton-Effekt nur bei sehr kurzwelliger Strahlung, im Bereich der Röntgen- und Gammastrahlung, beobachtet werden kann. Bei großer Wellenlänge ist deren relative Zunahme zu gering, die Streuung scheint ohne Energieverlust stattzufinden, man spricht dann von Thomson-Streuung.

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