Reflektion på atomnivå

Vad händer på atomnivå när ljus bryts i t.ex. en spegel?

en del absorberas och övergår till värmeenergi och resten "studsar" ut med samma vinkel som den gick in i spegeln. ljuset bryts dock inte då detta är något annat.

Reflektion från en spegelyta kan nog bäst förstås genom att man på klassiskt manér betraktar ljuset som en elektromagnetisk våg.
De flesta speglar vi stöter på dagligen består av ett tunt lager glas ovanför en metall; ett val som är naturligt då synligt ljus knappast alls kan propagera genom metall.
Metaller är mycket bra på att absorbera ljus på grund av att de har fria elektroner, d.v.s. elektroner som inte är bundna till någon särskild atom utan är fria att röra sig. Synligt ljus når typiskt ett djup motsvarande endast ett hundratal atomer in i metallen. Den inkommande strålningen absorberas av de fria elektronerna, vilka exciteras upp till högre energitillstånd i den s.k. bandstrukturen (ett kontinuerligt spektrum av energier som i makroskopiska föremål kan sägas vara analogt med enskilda atomers energinivåer). Den inkommande elektromagnetiska strålningen (ljuset) inducerar även växelströmmar i metallen (de fria elektronerna börjar oscillera), vilket leder till re-emittering av ljuset.

tack, det var bra förklarat.

Men elektronerna kan knappast minnas ljusets infallsvinkel. Vad är förklaringen till det som brukar kallas brytningslagen, infallsvinkel = reflektionsvinkel?

Det har att göra med Huygens princip. En inkommande vågfront träffar en atom i taget och den atomen skickar ut runda vågor. Dessa kommer förstärka varandra enbart i vissa positioner. (Kvantmekaniskt kan man se vågorna som en sannolikhetsfördelning.)

Jag hittade en fin liten java-applet som illustrerar fenomenet. Glöm inte att klicka på "Next Step".

http://www.walter-fendt.de/ph11e/huygenspr.htm

Nej, det är helt riktigt att elektronerna inte har något "minne" av det inkommande ljusets infallsvinkel. Brytningslagen är i grund och botten en kvantmekanisk effekt. Antag att du har en ljuskälla som skickar ut fotoner mot en spegel och att du monterat upp en detektor en bit bort för att detektera reflekterat ljus (vi antar också att vi har en avskärmning så att ljus från källan inte kan nå detektorn direkt; detektorn mottar bara reflekterat ljus). I den kvantmekaniska bilden finns det oändligt många möjliga banor som en foton kan följa på sin väg från ljuskällan, via spegeln och in i detektorn. Om man följer kvantelektrodynamikens (den kvantmekaniska teorin för elektromagnetism) lagar och genomför en summation över alla tänkbara vägar som fotonen kan ta, finner man att den mest sannolika vägen är den där infallsvinkeln är lika stor som reflektionsvinkeln. Hur denna summation går till i detalj är i allmänhet kvantfysik på D-nivå eller doktorandnivå, så det är alltså inget man tar till sig på en fikarast. Men hur som helst: när man som i vardagen har oerhört många fotoner, kommer man att få en makroskopisk lag som säger att infallsvinkeln är lika stor som reflektionsvinkeln eftersom det är den väg som fotonerna i allmänhet kommer att ta.

Ett bra boktips här är QED: The Strange Theory of Light and Matter av Richard Feynman. Här finns mycket noggrannare (och illustrerade) beskrivningar av hur reflektion fungerar.

tack! intressanta svar. jag har en bättre bild nu över hur det fungerar.
fascinerande att ett enkelt makroskopiskt fenomen är så komplicerat mikroskopiskt.