光の屈折、反射、吸収

質問

光の屈折、反射、吸収に関する質問です。良くわかっていないので質問自体間違っているかもしれません。

質問１
光は屈折によって弱まることはないんでしょうか？ 例えば吸収率0の物質によって屈折を延々と繰り返した光は、屈折を繰り返した前と後で全く同じエネルギーを持っているんでしょうか。屈折により方向を変えた光はエネルギーを失わないんでしょうか。

質問２
光は反射する際、タイムロスしないんでしょうか？ 例えば真空かつ無重力の空間で光を発射し30万Km先に届く時間と、15万Km先に反射板（鏡）を設置し反射して戻ってくる時間は完全に一致しているんでしょうか？
完全に一致しているとすると、反射物質に吸収され放出される時間は0という事になりますが、日常の常識的に考えると吸収して放出するんだからそれが全く同時に行われるというのは想像しにくいんですが、説明お願いします。また、タイムロスがあるとすると最も早く反射する物質は何なんでしょうか。その時間はどのくらいなんでしょうか。

質問３
光を吸収した原子はその分のエネルギーもしくは質量をどこに持つんですか？
あと、光を吸収する物質と、光を吸収し放出する物質（反射する物質）は原子レベルでは何が違っていて、振る舞いが異なるんですか？ その違いは何なんでしょうか？

いっぱい質問してすいません。一つでもいいので、やさしく教えてください。よろしくお願いします。

回答No.1

physicsache · ベストアンサー

答えれる事だけ書きますね。

大量の光子を物質に向けて飛ばしたとき、
要するに光を物質に照射した時ですが、
光子は一度物質に吸収されてから、あらゆる方向に発散されます。

原子のなかの電子が励起され、基底状態に戻るまでには
わずかですが時間がかかるはずです。
よって、タイムロスは起こるでしょう。

ところで、「あらゆる方向に発散される」と書きました。
ではなぜ屈折・反射の現象は、ある一方向にのみ光の筋が見えるのか。
これは、光を照射した対象物が原因です。
「ブラッグの法則」ってのを検索してみてください。

屈折を繰り返した光がエネルギーを失うかについてですが、
一部の光子は全く違う方向に発散され、同じ方向に進む光子の量が減るので、
光の強度は低くなると思います。
エネルギーについてはわかりません＞＜

原子はエネルギーを吸収すると、激しく振動します。
物が温かくなるという事です。

そして、一部は光として発散します。

アスファルトに日光が当たって、熱くなるのもそのためです。
アスファルトは日光が当たると、そのエネルギーを受け取り、
温度が高くなります。
一部のエネルギーは、光として発散されています。
その発散された光は、赤外線だったり、可視光線だったりと色々です。

お礼

つまらない質問に答えて頂きありがとうございます。

＞ 「ブラッグの法則」ってのを検索してみてください。

「ブラッグの法則」というのを少し調べてみました。細かいところは解りませんでしたが、なんとなく解ったような気がします。
質問１が根本から間違っていたことが解りました。確認ですが、屈折と反射というのは原子の振る舞いは同じ現象で、ただその物質の構造が違うだけということで良いんでしょうか。ついでに言えば透過も同じで良いんでしょうか。
またエネルギーの話ですが、反射や屈折が原子によってコピーされた光と考えると、オリジナルではないから比較することが適切でないかもしれないし、そもそも勘違いだったので質問１は取り消します。

＞ 原子のなかの電子が励起され、基底状態に戻るまでには
＞ わずかですが時間がかかるはずです。

勉強になりました。反射（放出）は、原子のなかの電子が励起され基底状態に戻る現象なんですね。だとすると物質の違いによって反射に要する時間差はないような気がしてきました。
くだらない質問なんですが、例えば水素原子のように電子を1個しか持っていない原子の励起に必要な光のエネルギーを1とすると、ヘリウム原子のように電子を2個持っている原子の励起にはエネルギーも2倍必要になんでしょうか。

＞ 屈折を繰り返した光がエネルギーを失うかについてですが、
＞ 一部の光子は全く違う方向に発散され、同じ方向に進む光子の量が減るので、
＞ 光の強度は低くなると思います。

光の強度を光子の数とすると、屈折する際に強度を失ってしまうんですね。

＞ 原子はエネルギーを吸収すると、激しく振動します。
＞ 物が温かくなるという事です。

すいません、よく理解できませんでした。はじめ電子レンジのマイクロ波が水分子を振動させるのをイメージしたんですが、違いますよね。

補足

physicsacheさんの回答で大体の疑問は解決したんですが、以下の２つがまだ良く解らないので誰か教えてください。

Q.光が反射に要する時間（原子が光を吸収して放出する時間）はどの位か？
Q.光を吸収（熱エネルギーに変換）する物質と反射（放出）する物質の原子の振る舞いの違いは、何が異なるためか？

回答No.2

ht1914

（１）反射と屈折、吸収と放出
これらはマクロに見たかミクロに見たかの違いになるでしょう。原子レベルで言うと吸収して放出する事になります。いくつかの原子からの波の重ね合わせとしては反射、屈折になります。屈折は媒質の中で速さが遅くなると起こります。これは吸収、放出を繰り返すとタイムロスを生じるという質問の中の事とつないで判断してもいいことだと思います。
（２）電子レンジの電波を水が吸収する
分子の振動は電波や赤外線の振動数領域にあります。外から与えるエネルギーが多いと吸収だけが目立ちます。でも０℃の物質でも１００℃の物質でもその温度に応じた赤外線を出しています。赤外線センサーで温度が分かるのはこの関係を利用しています。
（３）光は電子の領域でのエネルギーが関係しています。熱に関係の深い赤外線は分子、原子、イオンの振動が関係しています。光を吸収した物体の温度が上昇するためには電子の遷移で受け取ったエネルギーを振動に渡す仕組みが必要です。いくつかのステップを通って徐々に熱に変換されていく事になるでしょう。いろんな相互作用が必要です。原子一つがふつうに光を吸収してもその原子の運動が激しくなるという事は起こらないと考えられます。吸収と放出は平衡状態になるでしょうから吸収した光は放出する事になるでしょう。

お礼

返事が遅くなりましたが、回答ありがとうございました。