Eine elektromagnetische Welle mit höherer bzw. niedriger Frequenz als sichtbares Licht durchdringt Materie.
(Wenn das nicht so wäre, würden weder Röntgengeräte noch Radios in Häusern funktionieren.)
Warum allerdings durchdringt sichtbares Licht nur ganz wenige Materialien (z.B. Glas)?
Hat das was mit dem Wellen-Teilchen-Dualismus zutun, oder hängt es einfach mit dem Gitterabstand der Atome zusammen?
Oder doch ein ganz anderer Grund?
Vielen Dank für eure Antworten.
Zwei wesentliche Einflussgrößen für die Transparenz von Materialien sind tatsächlich Gitterabstand und die Leitfähigkeit, also die Verfügbarkeit von freien Valenzelektronen im Material.
Leitfähige Materialien wie Metalle sind für große Bereiche des Elektromagnetischen Spektrums undurchlässig, da der elektrische Feldanteil vom Leiter „kurzgeschlossen“ wird. Leitfähige Materialien spiegeln, wenn ihre Oberfläche glatt ist. Nur sehr kurze Wellenlängen können Leiter passieren.
Weiße Materialien weisen für sichtbares Licht eine hohe Streuung auf. Oft sind sie, wie Titanoxid, eigentlich durchsichtig, aber da sie in feiner Körnung vorliegen führt die tausendfache Brechung an den Kanten zu einer hohen Streuung und das Material wird undurchsichtig.
Das gilt im Allgemeinen für viele andere amorphe Materialien. So kann Polyethylen als hervorragender Nichtleiter zwar in einigen Dichten klar sein, aber in anderen, z.B. mit verstreckten Molekülen, undurchsichtig, weil die Inhomogenität des Materials zu Streuung führt.
Die Streuung in amorphen Materialien liegt an zweierlei. Lokale Dichtevariationen führen zu Beugung und kleine Partikelgrenzen führen auch zu Beugung, größere Partikelgrenzen (groß gegen Lambda) führen zur Brechung. Wenn diese Partikel und Variationen keiner Regelmäßigkeit unterliegen, wird nach einer gewissen Eindringtiefe kein nennenswerter ungestreuter Lichtanteil mehr vorhanden sein.
Farbstoffe machen einen Feststoff undurchsichtig, indem sie durch eintreffende elektromagnetische Wellen in Resonanz geraten und die Energie der Photonen absorbieren. Dabei handelt es sich meist um etwas größere Moleküle, die in ihren Bindungselektronen bestimmte Energieniveaus speichern können. Die Energieniveaus passen dann zu bestimmten Wellenlängen, die dann absorbiert werden. Die Energie wird dann anderweitig als Sonon oder Photon mit anderer Wellenlänge wieder abgegeben, allerdings ungerichtet.
Der Zusammenhang zwischen Licht und Elektromagnetismus wurde durch die Arbeit des Physikers James Clerk Maxwell im 19. Jahrhundert bewiesen. Dies führte zu der Studie von Elektrodynamik, in dem elektromagnetische Wellen, wie beispielsweise Licht, als Störungen oder “Schwingungen” in einem elektromagnetischen Feld betrachtet wurden, welche durch die Bewegung von elektrisch geladenen Teilchen erzeugt wurden. Im Gegensatz zu dem nicht existierenden Äther ist das elektromagnetische Feld einfach die Einflusssphäre eines geladenen Teilchens und nicht ein konkretes, materielles Ding. In der Quantentheorie wird elektromagnetische Strahlung produziert, wenn subatomare Teilchen Energie freisetzen. Zum Beispiel kann ein Elektron in einem Atom Energie absorbieren, aber es muss letztendlich zu einem niedrigeren Energieniveau fallen und die Energie als elektromagnetische Strahlung freigeben. Je nachdem, wie es beobachtet wird, kann diese Strahlung als Teilchen oder elektromagnetische Wellen erscheinen.
(Quelle röntgenstrahlung.net )
Also, tut mir Leid, dass es solange gedauert hat, aber ich musste mich nochmal in die „Materie“ reinarbeiten und einige Vorlesungen halfen mir da in dem Thema noch weiter, deswegen die verzögerte Antwort.
Die Erklärung war sehr verständlich und erklärt auch Phänomene wie die Ortung per Radar. (Elektromagnetische Welle, allerdings mit einer Frequenz, die viel niedriger ist als die von sichtbaren Licht, „trifft“ auf undurchdringbares Metall und wird reflektiert. Die Luft ist wie beim sichtbaren Licht auch für niedrigere Frequenzen der elektromagnetischen Welle „durchsichtig“.)
So, jetzt stellt sich mir noch eine Frage rein hypotetischer Natur: Eigentlich müssten Minenarbeiter (Untertage) dann ja eigentlich Radio hören können. Schließlich (gehen wir von einer Kohlemine aus) dürfte ja kaum Metall im Boden sein, höchstens in oxidierter Form.
Die Erde sollte ja für elektromagnetische Wellen niedriger Frequenz ebenfalls problemlos passierbar (transparent) sein.
Vielen Dank für weitere aufschlussreiche Antworten.
Also, tut mir Leid, dass es solange gedauert hat, aber ich
musste mich nochmal in die „Materie“ reinarbeiten und einige
Vorlesungen halfen mir da in dem Thema noch weiter, deswegen
die verzögerte Antwort.Die Erklärung war sehr verständlich und erklärt auch Phänomene
wie die Ortung per Radar. (Elektromagnetische Welle,
allerdings mit einer Frequenz, die viel niedriger ist als die
von sichtbaren Licht, „trifft“ auf undurchdringbares Metall
und wird reflektiert. Die Luft ist wie beim sichtbaren Licht
auch für niedrigere Frequenzen der elektromagnetischen Welle
„durchsichtig“.)So, jetzt stellt sich mir noch eine Frage rein hypotetischer
Natur: Eigentlich müssten Minenarbeiter (Untertage) dann ja
eigentlich Radio hören können. Schließlich (gehen wir von
einer Kohlemine aus) dürfte ja kaum Metall im Boden sein,
Naja, wenn Du gerade eine Kohlemine ansprichst. Kohle ist eigentlich ein guter Leiter, wurde daher früher in Mikrofonen verwendet, dient als Elektrode in Batterien und Elektrolyseanlagen.
Erde ist zwar kein guter Leiter, aber meistens feucht und ermöglicht eine gewisse elektrische Leitfähigkeit. Aber selbst verschiedene Steine und irgendein Dreck sind nicht totale Isolatoren sondern leiten mehr schlecht als recht. Das macht man sich beim Bodenradar zu nutze.
Das führt dann dazu, dass elektromagnetische Wellen eben zum Teil in den Boden eindringen können und nur zum Teil reflektiert wird.
Der eindringende Teil wird dabei mit jedem Zentimeter Tiefe immer mehr gedämpft, bis irgendwann nix messbares mehr übrig ist. Deswegen werden die wenigsten Radiowellen ein Bergwerk erreichen.