Varför reflekterar ljusa ytor mer ljus än mörka ytor?

[Robin Andersson]

Hej!

Denna tråd hade passat utmärkt i AG i astronomiska problem, men nu som många vet så är AG tyvärr nere så nu tänkte jag diskutera det här istället, hur som helst.

Vi säger att vi har en planka, en trä planka av valfritt material. Nu målar vi halva plankan svart, och den andra delen vit. Som många vet så kommer den svarta ytan bli varmare än den vitare på kortare tid för att den absorberar mera ljus än den vita. Detta tror jag man kan förklara lite mer fysiskt att den absorberar mer energi, och energin blir till värmeenergi. Rätta mig gärna om detta är fel.
Men vad är det egentligen som gör att detta händer? På samma sätt reflekterar ljusa(vita) ytor mera ljus än mörka(svarta) ytor. Varför är det så?
Det är ju samma typ av yta, men "bara" att de är olika färger. Det ger nog svaret att det är på grund av färgerna. Men vad är det i just de färgerna som påverkar fotonerna (ljuset)? Eller om det kanske nu är så att ljuset ej är i partiklar utan våglängder (som jag har lärt mig kan ljus både vara i vågor och i partiklar).
Ja ni förstår nog hur jag menar, men varför är det så?

mvh
Robin Andersson

[Paul Schlyter]

"Det är ju samma typ av yta, men "bara" att de är olika färger." --- och det är detta "bara" som gör den stora skillnaden.

Ytan är inte längre plankans yta utan det är färglagret ovanpå plankan, och detta färglager är många ljusvåglängder tjockt. Och eftersom det är olika färgpigment i vit och svart målarfärg så är det inte längre "samma typ av yta" på de vit- resp svartmålade delarna.

Frågan varför olika ämnen reflekterar ljus olika mycket är komplex att besvara. Färgpigment i vanliga färger kan vara ganska komplicerade föreningar. Ämnets färg beror på hur atomernas och molekylernas elektronskal växelverkar med infallande fotoner. Absorberas de flesta fotonerna, då blir ytan mörk, kanske svart. Reflekteras fotonerna får vi något annat: vid diffus reflexion blir ytan vit, men vid spegellik reflexion ser ytan spegelblank ut istället. Och så har vi även alternativet att ljuset varken reflekteras eller absorberas utan att fotonerna istället passerar rakt igenom - då blir ämnet genomskinligt (t.ex. glas).

Ett svar kan jag i alla fall ge dig: varför är metaller i regel mer eller mindre spegelblanka? Det beror på strukturen hos elektronskalen i atomerna, och i synnerhet att metallerna har en eller ett par valenselektroner, dvs ett fåtal elektroner i det yttersta skalet som lätt kan förflytta sig från en atom till nästa i gittret av metallatomer. Detta ger två effekter: dels leder metaller ström mycket bra (elektronerna förflyttar sig lätt bland metallatomerna) och så reflekterar metallerna infallande ljus på ett spegellikt sätt - jag kan inte ge något bra och enkelt svar på varför de lättrörliga elektronerna ger spegelreflexion som resultat, men jag vet att det är så. Gillar man att djupdyka i kvantfysikens mysterier hittar man troligen svaret där.

Reflexionsförmågan hos objekt varierar i regel med våglängden, vilket syns tydligt på objekt med t.ex. klart röda, gröna och blå färg. Men detta gäller även svart och vitt, där behöver reflexionsförmågan bara vara konstant inom det synliga området. Långt ut i infrarött (ca 20 ggr längre våglängd än synligt ljus), där svartkroppsstrålningen är störst från kroppar med temperaturer som är vanliga i vår omgivning, där är de allra flesta kroppar i stort sett svarta, dvs de absorberar nästan allt infallande infrarött ljus. Detta gäller även de vita molnen och vita snöfält, i infrarött kan vi betrakta dem som svarta kroppar. Och det är därför som en snöyta i sol kan bli så kall: snön reflekterar nästan allt infallande ljus från solen, men snöns utstrålning i infrarött är som från en svart kropp. Och det är också så "termofiltar" fungerar: där har man valt ett material som reflekterar mycket i infrarött, och därmed själv strålar ut lite energi (Kirchoff's lag).

[Robin Andersson]

Tack för ett väldigt bra svar Paul! Däremot två frågor som dök upp igen.

/.../färgpigment/.../

/.../växelverkar med infallande fotoner/.../

Vad är egentligen färgpigment om vi tar det ner till atomnivå? Tänkte precis fråga om det är en egen typ av partikel men kom att tänka på "allt består av atomer" så det är nog inte så.

Växelverkar? Betyder det då hur elekronskalen reagerar när atomen/atomerna "bombaderas" av fotoner?

mvh
Robin Andersson

[Tobbin92]

Tack för ett väldigt bra svar Paul! Däremot två frågor som dök upp igen.

/.../färgpigment/.../

/.../växelverkar med infallande fotoner/.../

Vad är egentligen färgpigment om vi tar det ner till atomnivå? Tänkte precis fråga om det är en egen typ av partikel men kom att tänka på "allt består av atomer" så det är nog inte så.

Växelverkar? Betyder det då hur elekronskalen reagerar när atomen/atomerna "bombaderas" av fotoner?

mvh
Robin Andersson

Alla material har ju sitt egna karakteristiska spektrum, det är bl.a. så Hubble kunde faställa expansionen av universum. Det finns så att säga inget "färgpigment" inuti atomerna utan alla atomer har sitt egna karakteristiska absorptionsspektrum av fotoner.

Och svarta ytor reflekterar mindre ljus än vita eftersom de absorberar mer solljus.

Mvh Tobias Forslund

[Paul Schlyter]

Vad är egentligen färgpigment om vi tar det ner till atomnivå? Tänkte precis fråga om det är en egen typ av partikel men kom att tänka på "allt består av atomer" så det är nog inte så.

Växelverkar? Betyder det då hur elekronskalen reagerar när atomen/atomerna "bombaderas" av fotoner?

Ja, det är elektronskalens egenskaper som avgör vad som händer när en foton kommer dit:

Passerar fotonen rakt igenom? Då har vi ett genomskinligt material.

Absorberas fotonen? Då blir materialet mörkt, åtminstone vid den våglängden.

Eller absorberas fotonen för att omedelbart efteråt re-emitteras med samma våglängd? Här har vi reflekterande ytor av olika slag, både diffus reflexion och spegellinkande reflexion.

Ytterligare en variant är att fotonerna absorberas, och re-emitteras en stund efteråt men med annan (längre) våglängd - då har vi fluoroscerande material som lyser upp då de belyses av ultraviolett ljus. Om åter-emissionen sker med fördröjning har vi fosforoscerande material, där materialet fortsätter lysa även en stund efter det att belysningen av det har släckts.

Elektronskalens egenskaper bestäms på molekylnivå - det kan vara stor skillnad på två olika atomer och hur dom växelverkar med ljus, samt hur en molekyl med dessa två atomer växelverkar med ljuset. Därför brukar molekyler få andra spektra än de ingående atomerna.

Färgpigment är ofta mineraler eller t.o.m. organiska föreningar (det är därför målarfärg kan mögla), och vi kan inte teoretiskt beräkna deras reflekterande egenskaper, molekylerna är alltför komplicerade för detta. Det vi kan göra är att empiriskt mäta hur ljuset reflekteras från dem.

[Robin Andersson]

Oj det var mycket mer avancerat än vad jag trodde. Och "fosforoscerande " hade jag aldrig hört talas om innan, fräckt!