durchlässigkeit für elektromagn. Strahlung

Wissenschaft Physik
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Hallo liebe Physikexperten,

mich würde mal interessieren, wie ich von vornherein sagen kann,
ob elektromagnetische Strahlung einer bestimmtem Frequenz ( z.B. UV oder Radiowellen oder Mikrowellen oder Röntgenstrahlen) durch ein Hindernis hindurchkommt oder nicht.

Ich habe z.B. die Vermutung, dass Strahlung der Wellenlänge Lambda nicht durch ein metallisches bzw. leitfähiges Gitter hindurchkommt, wenn die Gitterabstände kleiner als Lambda sind. Ist das richtig? spielen die Gitterabstände überhaupt eine Rolle? Oder ist gar so, dass abhängig von Lamda und den Gitterabständen ein gewisser Prozentteil der Strahlung durchkommt? Ich möchte ganz konkret Formeln, mit denen ich konkret rechnen kann. Die dürfen ruhig auch kompliziert sein.

Angenommen ich habe kein Gitter im klassischen Sinne, sondern einfach einen Stoff, wovon hängt es dann ab, welche Strahlung ihn passieren kann und welche nicht? Von der Kristallstruktur? von den Energieniveaus der Elektronen? Weiss jemand wie man in diesem Fall die Durchlässigkeit berechnet?

Last but not least: Wenn mich speziell interessiert, ob elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge reflektiert wird (von einem Material, einem Gitter, oder sonstwas) und auch zu welchem Prozentsatz sie reflektiert wird, kennt dazu jemand Anhaltspunkte oder gar Formeln. Kann man z.B. begründen, dass Silber der beste Reflektor für sichtbares Licht ist? Formeln, Rechenwege oder Algorithmen dürfen ruhig kompliziert sein.

Das ist natürlich keine Hausarbeit oder Übungsaufgabe, es interessiert mich aber persönlich.

Grüße

Walter

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Hallo,

mich würde mal interessieren, wie ich von vornherein sagen
kann,
ob elektromagnetische Strahlung einer bestimmtem Frequenz (
z.B. UV oder Radiowellen oder Mikrowellen oder
Röntgenstrahlen) durch ein Hindernis hindurchkommt oder nicht.

Das geht für die meisten Materialien, wenn auch nicht immer ganz einfach.

Ich habe z.B. die Vermutung, dass Strahlung der Wellenlänge
Lambda nicht durch ein metallisches bzw. leitfähiges Gitter
hindurchkommt, wenn die Gitterabstände kleiner als Lambda
sind. Ist das richtig?

Hört sich vernünftig an. Wie das jetzt genau ist weiss ich nicht, dazu unten mehr.

spielen die Gitterabstände überhaupt
eine Rolle?

natürlich. Wenn die Gitterstäbe mehrere Meter voneinander entfernt sind, dann gehen Mikrowellen problemlos durch, durch eine Metallplatte (d=0) gehen sie nicht.

Oder ist gar so, dass abhängig von Lamda und den
Gitterabständen ein gewisser Prozentteil der Strahlung
durchkommt? Ich möchte ganz konkret Formeln, mit denen ich
konkret rechnen kann. Die dürfen ruhig auch kompliziert sein.

Dann reichen dir vier Gleichungen und das wissen, wie eine elektromagnetische Welle aussieht (kann man sich aber auch aus den vier Gleichungen herleiten). Sie sind nicht mal so sehr kompliziert (mir sind sie aber zu kompliziert), es sind lineare, partielle Differentialgleichungen erster Ordnung: die Maxwellgleichen. Z.B. hier stehen sie:
http://de.wikipedia.org/wiki/Maxwellsche_Gleichungen

ich hoffe du hast keine Probleme mit Vektoranalysis.

Angenommen ich habe kein Gitter im klassischen Sinne, sondern
einfach einen Stoff, wovon hängt es dann ab, welche Strahlung
ihn passieren kann und welche nicht?

vermutlich von der Leitfähigkeit, dem Dipolmoment, der elektrischen und magnetischen Permeabilität und der Struktur des Stoffes vermutlich (nur ein Schuss ins Blaue, muss nicht stimmen)

Last but not least: Wenn mich speziell interessiert, ob
elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge
reflektiert wird (von einem Material, einem Gitter, oder
sonstwas) und auch zu welchem Prozentsatz sie reflektiert
wird, kennt dazu jemand Anhaltspunkte oder gar Formeln. Kann
man z.B. begründen, dass Silber der beste Reflektor für
sichtbares Licht ist? Formeln, Rechenwege oder Algorithmen
dürfen ruhig kompliziert sein.

Dann empfehle ich dir, Physikbücher zum 3. und 4. Semester der Experimentellen Physik (Optik und Festkörperphysik) zu schmökern - viel Spass.

Das ist natürlich keine Hausarbeit oder Übungsaufgabe, es
interessiert mich aber persönlich.

Das finde ich sehr sympathisch. Allerdings sind die Zusammenhänge meines Wissens nach wirklich nicht leicht, und das Meiste lässt sich hier nicht mit vernünftigem Aufwand beantworten - sorry.

Grüße,
Moritz

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Hallo Moritz,

Oder ist gar so, dass abhängig von Lamda und den
Gitterabständen ein gewisser Prozentteil der Strahlung
durchkommt? Ich möchte ganz konkret Formeln, mit denen ich
konkret rechnen kann. Die dürfen ruhig auch kompliziert sein.

Dann reichen dir vier Gleichungen und das wissen, wie eine
elektromagnetische Welle aussieht (kann man sich aber auch aus
den vier Gleichungen herleiten). Sie sind nicht mal so sehr
kompliziert (mir sind sie aber zu kompliziert), es sind
lineare, partielle Differentialgleichungen erster Ordnung: die
Maxwellgleichen. Z.B. hier stehen sie:
http://de.wikipedia.org/wiki/Maxwellsche_Gleichungen

ich hoffe du hast keine Probleme mit Vektoranalysis.

Ist nicht gerade meine Stärke, aber wenns sein muss. Nur diese
Maxwellgleichungen sind ja noch überschaubar, solange sich so eine Welle im Vakuum ausbreitet, aber sobald sie auf ein Gitter trifft,
wird sie wohl erstmal Energie verlieren und damit Z.B. einen Strom
im Gitter induzieren und zwar an unterschiedlichen Stellen, daraus
resultieren dann wieder jede Menge B-Felder, die die B-Felder der ursprünglichen Welle überlagern und ich vermute dass dies rechentechnisch eine Aufgabe für Supercomputer ist und nach Finiten-Elemente-Methoden gerechnet werden muss. Mag sein, dass es nicht einfacher geht, aber ich hatte doch auf ein wenig handlicheres Formelwerk gehofft :smile:

Last but not least: Wenn mich speziell interessiert, ob
elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge
reflektiert wird (von einem Material, einem Gitter, oder
sonstwas) und auch zu welchem Prozentsatz sie reflektiert
wird, kennt dazu jemand Anhaltspunkte oder gar Formeln. Kann
man z.B. begründen, dass Silber der beste Reflektor für
sichtbares Licht ist? Formeln, Rechenwege oder Algorithmen
dürfen ruhig kompliziert sein.

Dann empfehle ich dir, Physikbücher zum 3. und 4. Semester der
Experimentellen Physik (Optik und Festkörperphysik) zu
schmökern - viel Spass.

Dann werd ich mal nachsehen, was mein Bücherregal so hergibt.

Das ist natürlich keine Hausarbeit oder Übungsaufgabe, es
interessiert mich aber persönlich.

Das finde ich sehr sympathisch. Allerdings sind die
Zusammenhänge meines Wissens nach wirklich nicht leicht, und
das Meiste lässt sich hier nicht mit vernünftigem Aufwand
beantworten - sorry.

Das glaube ich gerne. Danke für den Versuch.

Grüße Walter

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Moin,

mich würde mal interessieren, wie ich von vornherein sagen
kann,
ob elektromagnetische Strahlung einer bestimmtem Frequenz (
z.B. UV oder Radiowellen oder Mikrowellen oder
Röntgenstrahlen) durch ein Hindernis hindurchkommt oder nicht.

Mit genügend Rechenaufwand geht vieles :smile:. Das Stichwort, welches Dich weiterbringen wird heißt neben den Maxwellgleichungen „komplexer Brechungsindex“. Der beschreibt Brechung und Absorption.

Ich habe z.B. die Vermutung, dass Strahlung der Wellenlänge
Lambda nicht durch ein metallisches bzw. leitfähiges Gitter
hindurchkommt, wenn die Gitterabstände kleiner als Lambda
sind. Ist das richtig? spielen die Gitterabstände überhaupt

Schon. Aber insbesondere spielt die Elektronenkonfiguration eine Rolle, da die optischen Eigenschaften von Materie durch die Elektronenhülle im wesentlichen bestimmt wird. Für ein Gitter (wie z.B. bei Metallen) läßt sich sowas noch relativ einfach rechnen.

von den Energieniveaus der Elektronen? Weiss jemand wie man in

Bingo. Und von deren Dichteverteilung im Material, sprich deren Aufenthaltswahrscheinlichkeiten. Die Leute aus Jena von der Festkörpertheorie haben sich vor kurzem offensichtlich 'mal an Wasser versucht: http://www.ifto.uni-jena.de/en/physrev0505.pdf
Ich möchte aber nicht wissen, wieviele Stunden ein Großrechner daran gerechnet hat… einige viele, wenn ich Kollegen aus dem Institut glauben schenke und von anderen Projekten auf dieses schließe.

wird, kennt dazu jemand Anhaltspunkte oder gar Formeln. Kann
man z.B. begründen, dass Silber der beste Reflektor für

Der beste Reflektor ist immer noch ein Prisma, welches so im Strahlengang liegt, daß Totalreflexion auftritt - dann bekommt man 100% der Strahlung zurück (weniger der Absorption im Prisma).

Ich glaube Dir sogar, daß es keine Hausaufgabe ist. Wenn Du die Promotion darüber fertig hast, die als Ergebnis ein Programm hat, welches allgemein brauchbare Resultate liefert ohne für einzelne, komplexere Moleküle gleich ein Großrechenzentrum zu benötigen, hätte ich Interesse daran :smile:.
Bei gesteigertem Interesse kann ich empfehlen beispielsweise dort 'mal nach einer Stelle (oder einem Diplom-Thema) zu fragen: http://www.ifto.uni-jena.de/en/begin.html

Gruß,
Ingo

5

Hallo,

die Durchlässigkeit für elektromagnetische Wellen hängt nicht nur vom Durchmesser der Löcher im Material ab, sondern auch von der Dicke. Es ist z.B. nicht möglich mit normaler Alufolie hinter der Tapete einen Raum gänzlich „strahlungsfrei“ zu bekommen, wie es hier und da mal behauptet wird.
Schau mal unter dem Begriff Eindringtiefe nach. Ansonsten helfen auch sicherlich Bücher aus der „Theoretischen Elektrotechnik“ und „Höchstfrequenztechnik“. Die Rechnungen werden ohne einen Einstieg in die Vektoranalysis allerdings schwer zu verstehen sein…

mfG,
erdbrink

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6

Hallo,

Mit genügend Rechenaufwand geht vieles :smile:. Das Stichwort,
welches Dich weiterbringen wird heißt neben den
Maxwellgleichungen „komplexer Brechungsindex“. Der beschreibt
Brechung und Absorption.

Das ist allerdings ein sehr gutes Stichwort. Danke.

deren Aufenthaltswahrscheinlichkeiten. Die Leute aus Jena von
der Festkörpertheorie haben sich vor kurzem offensichtlich
'mal an Wasser versucht:
http://www.ifto.uni-jena.de/en/physrev0505.pdf
Ich möchte aber nicht wissen, wieviele Stunden ein Großrechner
daran gerechnet hat… einige viele, wenn ich Kollegen aus dem
Institut glauben schenke und von anderen Projekten auf dieses
schließe.

Das glaube ich aufs Wort.

Ich glaube Dir sogar, daß es keine Hausaufgabe ist. Wenn Du
die Promotion darüber fertig hast, die als Ergebnis ein
Programm hat, welches allgemein brauchbare Resultate liefert
ohne für einzelne, komplexere Moleküle gleich ein
Großrechenzentrum zu benötigen, hätte ich Interesse daran :smile:.

Ne, promovieren ist nicht geplant. Ich bin ja auch kein Physiker. Ich hab nur ein bisschen Grundwissen, gesunden Menschenverstand und keine Angst vor Mathe. Mein Interesse ist rein privat. Ich finde physikalische Fragen eben nur interessanter als das übliche Allgemeinwissen aus Kunst, Sport, Politik usw.

Bei gesteigertem Interesse kann ich empfehlen beispielsweise
dort 'mal nach einer Stelle (oder einem Diplom-Thema) zu
fragen: http://www.ifto.uni-jena.de/en/begin.html

noch ein Diplom? ne danke :wink:
Ehrlich, wenn überhaupt Physik, dann würd mich mehr interessieren, die restlichen Lücken in den fundamentalen Theorien zu schließen. Ich hab nämlich so ein Gefühl, als ob da noch ein Riesenberg Arbeit warten würde. Auch programmiertechnisch fühle ich mich primär nicht zur Numerik hingezogen. Ich hab da für mich privat ein, wie ich finde interessanteres Programmierprojekt, welches ich, wenn ich Muse habe, realisieren möchte, doch am meisten Enthusiasmus stecke ich gerade in einen Sciencefiction-Roman, den ich schreibe. Das macht wirklich Spaß und da hab ich auch wirklich großen Ehrgeiz, dass er gut wird.

Grüße

Walter

7

buchempfehlung
hallo walter,

offensichtlich willst du ja vor nichts zurückschrecken…
wie vorher schon gepostet lassen sich alle deine fragen (im prinzip…) mit den maxwell-gleichungen lösen.
ein standardwerk in diesem umfeld ist jackson: elektrodynamik, da hat es zb. das kapitel: 10 Streuung und Beugung u.v.m. alles schön mathematisch aber auch gut erklärt (fand ich…). womöglich werden deine fragen dort sogar direkt erklärt oder in einer der übungen abgehandelt, zumindest bekommst du das rüstzeug die lösbaren probleme der klass. e-dyn. zu lösen (es hat genügend unlösbare…:wink:.

zum verstehen (weniger zum rechnen…) finde ich zu dem thema (wie zu den meisten grundlagen d. physik bis 1960) die lecture-series von r.p. feynman et al. (in dt.: 'vorlesungen zur physik oder so…engl: lectures on physics, addison wesley [verlag]).

hth,

stefan

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Hallo liebe Physikexperten,

mich würde mal interessieren, wie ich von vornherein sagen
kann,
ob elektromagnetische Strahlung einer bestimmtem Frequenz (
z.B. UV oder Radiowellen oder Mikrowellen oder
Röntgenstrahlen) durch ein Hindernis hindurchkommt oder nicht.

Ich habe z.B. die Vermutung, dass Strahlung der Wellenlänge
Lambda nicht durch ein metallisches bzw. leitfähiges Gitter
hindurchkommt, wenn die Gitterabstände kleiner als Lambda
sind.

Es hängt völlig von der Wellenlänge ab. Sie kommen auch durch, wenn das Gitterraster kleiner als Lambda ist. Sie können sogar durchkommen, wenn es ein gitterloswer, fester Stoff ist und metallisch leitend! Z.B. Licht am TFT-Bildschirm.
Dafür gibts die maxwellschen Gleichungen, die Rückschlüsse darauf geben, wann sich EM-Strahlung wie verhält.

Gruß
Frank

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Hallo Walter,

das ist ein schwieriges Problem. Wohlgemerkt: nicht nur für mich, sondern für die Physiker und Materialwissenschaftler.

Es ist mitnichten so, daß man nur die Maxwell-Gleichungen irgendwie ausrechnen muß, wie hier im Thread weitgehend behauptet wird.

Vielmehr muß zunächst einmal ein Modell des Festkörpers oder der Flüssigkeit, aus der das Hindernis besteht, aufegestellt werden.

Es ist ja ein immenser Unterschied, ob EM-Strahlung durch Metall oder durch Glas hindurchtreten muß.

Im Material finden Streuprozesse statt, die zur Dispersion, also zur wellenlängeabhängigen Störung der Strahlung führen. Diese sind abhängig von der o.g. Frequenz, des Matreials, insb. der Kristallstruktur und Elektronenstruktur und auch der Temperatur.

Kurzum: nein, eine einfache Formel gibt es nicht.

Viele Grüße

Oliver

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