光が反射する理由

質問

光が反射する理由について調べています。
しかし、その根本的な量子力学的機構を述べている参考書がなくて困っています。
これまでに、光の物理　～光はなぜ屈折、反射、散乱するのか～という本を見つけて読みましたが、他の書籍も読みたいと思っています。
そこで、何か良い参考書がありましたら、教えていただけないでしょうか？

回答No.5

Kamo-Kamo-Kamo

光のホール効果

反射・屈折の量子効果のようですので、参考書ではないですがしっかり考えられているかと
http://www.aist.go.jp/aist_j/aistinfo/aist_today/vol04_11/vol04_11_topics/vol04_11_topics.html

論文発表, 平成16年8月20日,Phys. Rev. Lett. 93, 083901 （2004）.

参考URL：

http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2004/pr20040908/pr200400908.html

お礼

Kamo－Kamo-Kamoさん、参考意見をありがとうございます!
早速読ませて頂きました。
スネルの法則が補正されちゃうんですか、凄いですね。
難しいですけど、とても興味深かったです。
ありがとうございました！

回答No.4

leo-ultra

＃２です。
> 私は時間分解反射分光によって励起キャリヤのふるまいを研究しているのですが、例えば状態占有による吸収飽和などの現象を考えるとき、単純なマクスウェルの描像では理解しにくいのです。

私の知り合いでフェムト秒光反射分光をやっている人がいますが、屈折率ｎ(t)が時間変化変化するとして、
反射率Ｒ(t)＝(1-n)^2/(1+n)^2で計算しています。

ただし、屈折率というか複素誘電率の方に物質の過渡的な影響を全ていれています。

複素誘電関数ε(ω)がどういう量子力学的式で表されるかご存知でしょう？（どっかに書いてあると思う。）
そこに物質の電子状態が反映すればいいのでは？

僕の知り合いは、そこで現象論的な仮定をして簡単にしてから議論していますが。

お礼

＞複素誘電関数ε(ω)がどういう量子力学的式で表されるかご存知でしょう？
はい、理論計算の論文で読んだことがあります。確かにこれを用いれば誘電関数は計算できそうですね。
これから求める反射率と実験結果をフィッティングさせ、もっともらしい励起状態を見つけ出すのですよね？
しかし、「現象論的な仮定」をするためには、反射がどういう現象で、どのような過程が反射率変化に寄与するかを詳しく知っていないといけないと思うのですが、、、。
ひょっとして私は訳の分からない質問をしているのでしょうか・・・？そうでしたらすみません。

回答No.3

noname#101087

物理学は、どんな現象にせよその生起の「理由」を問われるのが一番の苦手なようです。
まともには回答できませんから、もっともらいし「モデル」を作って説明するのがふつうです。

ということで、「反射」からの引用です。
-------------------------------------------------
　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%8D%E5%B0%84
なぜ光の反射が起こるのか？
物体に照射した光が反射するのは、物体を構成する原子が光を吸収し、また（元の状態に戻ろうとして）光を放出する為である。
ただし、金属やガラス、水面のような滑らかな面で入射角＝反射角となる反射が起こる事については、これだけでは説明が十分ではない。
-------------------------------------------------

お礼

物体を構成する原子が光を吸収し、また（元の状態に戻ろうとして）光を放出する為とのことですが、このプロセスだと、位相変化を伴うということでしょうかねえ？
反射は、吸収・放出が同時に起こる2次過程だと読んだことがあります。

回答No.2

leo-ultra

お尋ねのことが書いてある参考書は知りません。
光の反射はMaxwell方程式（古典論）で説明できる現象だと思います。つまり光がある界面を通過するときに、両領域での屈折率が同じ場合以外は多かれ少なかれ反射が起こります。これを量子論で考えても、大して進んだ知見が得られることがあまりないので、本には載ってないように思います。

光と物質の相互作用を考える次のステップは、半古典論です。物質を量子論で、光を古典論で考えるものです。
これを使えば、屈折率の物理的な意味が多少明らかになるでしょう。しかし、光の反射では、固体を考えなければならないので、相当だいたんな近似を使わないとダメです。結果として、屈折率の表式も粗い近似の下でしか
ただしくありません。

結局は光の部分は古典論のままなので、「屈折率の違うとことで反射が起こる」という結論以上のことは出てこないと思います。

最後は光も量子化するわけですが、第二量子化しても．．．なんのご利益もないような気がしますが。

光吸収は実プロセスですが、反射は該当するエネルギー準位がなくても起こるので（物質が透明な領域でも反射は起こるので）、虚プロセスが重要になるでしょう。どういうファインマン図形が考えるのでしょうか？　密度行列でやるのでしょうか？まったくわかりません。

お礼

ご回答ありがとうございます！
すみません、質問文章が悪かったのかもしれません。第２量子化まで行うことはこちらも想定していませんでした^^;
私は時間分解反射分光によって励起キャリヤのふるまいを研究しているのですが、例えば状態占有による吸収飽和などの現象を考えるとき、単純なマクスウェルの描像では理解しにくいのです。
しかし、【反射】という現象が、（仮想準位も含む）上の準位へ励起されたと同時に元の準位に落ち込むという2次過程であるということが分かってから、この吸収飽和を理解することができました。
このように、単に屈折率が違うからというだけでは理解しにくい反射の振る舞いがあったので、より詳しいことを知りたくなって質問をさせてもらいました。

回答No.1

osamuy

この本に、そこらへんの話があったような：
R.P.ファインマン「光と物質のふしぎな理論―私の量子電磁力学 」岩波書店
http://www.amazon.co.jp/%E5%85%89%E3%81%A8%E7%89%A9%E8%B3%AA%E3%81%AE%E3%81%B5%E3%81%97%E3%81%8E%E3%81%AA%E7%90%86%E8%AB%96%E2%80%95%E7%A7%81%E3%81%AE%E9%87%8F%E5%AD%90%E9%9B%BB%E7%A3%81%E5%8A%9B%E5%AD%A6-R-P-%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%9E%E3%83%B3/dp/4000058665
読みやすいと思います。私は挫折しましたが。

お礼

ファインマンですか！どうもありがとうございます。
私も挫折しちゃうかもしれませんが、是非読んでみますね！