Lysets vekselvirkning med stof

Alt hvad lys gør, når det møder stof, kan føres tilbage til fire slægtskaber mellem foton og elektron.

Når en lysbølge rammer et materiale, er det i sidste ende de elektriske felter i lyset, der rykker i materialets elektroner. Hvad der derefter sker, afhænger af fotonens energi sammenlignet med de energiniveauer, elektronerne kan opholde sig i:

Absorption – fotonen forsvinder, og dens energi løfter en elektron til et højere niveau.
Emission – en elektron falder til et lavere niveau og sender overskudsenergien af sted som en ny foton.
Spredning – fotonen ryster elektronskyen kortvarigt og slippes fri igen i en anden retning, uden at blive optaget permanent.
Brydning – de svingende elektroner sender selv bittesmå lysbølger ud, som lægger sig oven i den oprindelige bølge og bremser dens fremdrift gennem materialet.

De næste stationer udforsker hver af disse – plus to nære slægtninge: den fotoelektriske effekt og fluorescens.

Klik på et energiniveau for at flytte elektronen derhen, og se hvilken foton der skal til.

I Bohrs model af brintatomet kan elektronen kun opholde sig i bestemte energiniveauer, givet ved E_n = −13,6 eV / n². Flytter elektronen sig opad, skal den absorbere en foton med præcis den rigtige energiforskel. Flytter den sig nedad, emitterer den en foton med den energi.

Det var her Einstein overbeviste verden om, at lys kommer i pakker.

Skinner man lys på en metaloverflade, kan elektroner rives løs – men kun hvis den enkelte fotons energi overstiger metallets arbejdsfunktion φ. Flere fotoner (højere intensitet) giver flere elektroner, men aldrig hurtigere elektroner. Det er kun bølgelængden – fotonens energi – der bestemmer elektronernes fart.

Blåt lys spredes langt kraftigere end rødt – derfor er himlen blå, og solen bliver rød ved horisonten.

Når lys møder molekyler, der er langt mindre end bølgelængden, spredes det med en styrke, der vokser med 1/λ⁴. Blåt lys (~450 nm) spredes derfor omkring fem gange kraftigere end rødt lys (~650 nm).

En bundet elektron er en lille svinger – lyset driver den, og dens svar former brydningsindekset.

Tænk på hver elektron i glasset som en kugle på en fjeder med en egen-resonansfrekvens ω₀ (typisk langt oppe i ultraviolet). Lysets elektriske felt driver svingeren med sin egen frekvens ω. Svingerens amplitude og faseforskydning i forhold til det drivende felt bestemmer, hvor meget lyset bremses (brydningsindeks n) og hvor meget der absorberes (κ).

Hvorfor lyser en tekstmarkør knaldgul under UV-lys, selvom den er ramt af usynligt ultraviolet?

En fluorescerende molekyle absorberer en høj-energi foton (ofte UV) og hopper op i en høj svingningstilstand af en exciteret elektrontilstand. Molekylet taber hurtigt lidt energi som varme og falder til bunden af den exciterede tilstand, før det udsender en foton tilbage til grundtilstanden. Den udsendte foton har derfor altid lavere energi – og længere bølgelængde – end den, der blev absorberet. Forskellen kaldes Stokes-forskydningen.