Die atomistische Deutung der Reflexion und Brechung.

Es gibt mehrere mögliche Erklärungen, nachdem der Atomaufbau nicht vollständig geklärt ist. Eine davon, die auch an den heutigen Stand der Erkenntnis anknüpft (ich nehme von den heutigen Verlegenheitsmodellen - "Elektronen = stehende Wellen, kreisende Elektronen müssen strahlen usw." - Abstand und bleibe beim Bohrschen Atommodell), würde so aussehen: Angenommen, kreisen die Elektronen um den Kern, können verschiedene Bahnformen annehmen und die Photonen sind in den Elektronen enthalten (sogar Bestandteile?).
Zuerst der Atomaufbau: Mit kreisförmigen Bahnen ist jede Theorie anwendbar. Was wäre aber möglich bei l = n-1 (einfachheitshalber benenne ich l = 0 = kreisförmige Bahn; l = n = der Strich durch den Kern, besser wäre es als Austritt aus dem Atom), die engste mögliche elliptische (Kepler?) Bahn? Es ist schon bekannt, dass das Elektron dann extrem unterschiedliche Geschwindigkeiten annimmt. Im engsten Bahnbereich um den Kern erreicht es sogar relativistische Geschwindigkeiten und nach Einstein entsprechend eine enorme Masse, wenn auch nicht unendlich, die bei weitem sogar die Masse des Kerns übersteigen würde - die Katastrophe wäre unausweichlich. Deswegen wurden auch die neuen Atommodelle entwickelt, um nur die SRT zu retten. Sollten die Masse und das Feld unverändert bleiben, bei Feldstärke des Kerns = r ^-2, würde dann das Elektron auf den Kern stürzen, bzw. dann nur enge kreisförmige Bahnen beschreiben (stürzen kann es sowieso nicht, da in Kernnähe die Abstoßungskraft überwiegt - was auch leicht zu erklären ist). Die Feldstärke des Kerns, da er sich nicht bewegt (grob angenommen) und nicht weiß, wo sich welche Elektronen aufhalten, ist konstant. Um die Stabilität des Atoms zu erklären reicht es nicht, nur die Anziehungskraft des Kerns und die Zentrifugalkraft des Elektrons in Betracht zu ziehen. Man muss annehmen, dass mit wachsender Geschwindigkeit des Elektrons, entweder die Masse und mit ihr auch die Wechselwirkung mit dem Kernfeld, oder die Feldwirkung des Elektrons, die für die Wechselwirkung zuständig ist, abnehmen. Die Stabilität des Atoms kann man nur mit dem, sich ständig ändernden, Zusammenspiel von Geschwindigkeit und Masse bzw. Feldwechselwirkung erklären. Die Elektronenbahnen in einem isolierten Atom können verschiedene stabile Formen annehmen. Gebunden in Molekülen und größeren Formationen streben sie aber an, unter Einwirkung der benachbarten Atome, das kleinste Volumen anzunehmen, also die kreisförmigen Bahnen. Ein kreisendes Elektron kann nur in dem Bereich seiner Bahn ein Photon empfangen, wo die Geschwindigkeitsdifferenz am niedrigsten ist (größte Feldwirkung). Das Elektron bekommt so eine höhere Masse (die Massenverhältnisse werden später verdeutlicht) und Energie und seine Bahn wird verändert, es springt (es pendelt sich ein) in die nächstmögliche stabile elliptische Bahn (Absorption). Das Atom ist angeregt, aber "quasi-stabil" (stabil ist nur die kreisförmige Bahn, alle elliptischen sind quasi-stabil). Sollte aber das Elektron, bevor es sich in einer stabilen Bahn befindet, noch ein Photon (oder mehr) empfangen (höhere Frequenz = dicht aufeinander folgende Photonen in einem Strahl), wird es entweder gleich in die übernächste Bahn springen und dort bleiben (Absorption), oder in zwei (oder mehr) Stufen je ein Photon ausstrahlen (Wellenlängenverdoppelung - Fluoreszenz), oder es wird aus dem Atom herausgeschleudert (Ionisation, Photoeffekt). Daher kommt die Abhängigkeit zwischen hoher Frequenz und schnellen Elektronen und die Annahme, dass die Energie des einzelnen Photons auch in der Frequenz zu suchen ist. Es muss nicht unbedingt nur ein bestimmtes Elektron zwei oder mehr Photonen in der instabilen Phase empfangen, es reicht auch, wenn ein anderes aus der gleichen oder sogar anderen Schale auch ein Photon empfängt - die benachbarten Elektronen und auch Schalen wirken aufeinander.
Keiner hat irgendwelche Eigenschaften eines einzelnen Photons messen können. Es wird immer ein Strahl gemessen und rechnerisch einem Photon zugeschrieben (s. auch unten). Das Erreichen der l = n-1 Bahn bedeutet, dass ein Photon an dem Elektron im Kernnähe eine Vrel (Bahngeschwindigkeit + Spin des Elektrons) = c ( Emissionsgeschwindigkeit) erreicht, die Bindungskraft gegenüber dem Kern werd gleich null, die Bindungskraft gegenüber dem Elektron wird kleiner als die Zentrifugalkraft und es wird tangential herausgeschleudert (Emission ). Der Spin des Kerns spielt offensichtlich kaum eine Rolle. Das Elektron verliert an Masse und Energie und springt in die l = n-2 Bahn. Allgemein kann man sagen - ein Photon wird nur bei Erreichen der Vrel = c, unabhängig von der Ursache, emittiert.
Anders bei der Bremsstrahlung - dabei kommt aber wieder das gleiche heraus, ausschlaggebend ist hier die Bindungskraft (Feldgeschwindigkeit) und in Gegensatz zu der normalen Emission, wo nur ein Photon pro Umkreisung ausgestrahlt wird, werden mehrere Photonen fast gleichzeitig, auch aus dem Kern, abgerissen. Ein Photon kann auch mit niedriger Geschwindigkeit in benachbarten Schalen und auch Atomen, unter Einwirkung der benachbarten Kräfte (Felder) überspringen (wird abgerissen) = thermische Kontaktwirkung, thermische Leitfähigkeit. In Wirklichkeit besteht der Begriff Wärme nicht in molekularen Schwingungen, das ist nur eine sekundäre Erscheinung, sondern in der Bahnform (auch wenn es sich um die erweiterte Bahnform der Valenzelektronen und sogar freien Elektronen handelt). Je elliptischer eine Bahn ist, desto energiereicher ist sie. Das Elektron strebt immer die stabilste (energieärmste) Bahnform anzunehmen, also die Kreisförmigste. Ständig werden Photonen von den energiereicheren an die energieärmeren abgegeben bis es Gleichgewicht  herrscht (Absorption = Emission) = thermisches Gleichgewicht. Erst bei 0°K sind alle Bahnen (vielleicht mit Ausnahme der äußersten Schicht des Materials) kreisförmig - entsprechend bei stabilen Molekülen die niedrigste mögliche Bahn der Valenzelektronen.
Jetzt zur Reflexion: Bei jeder Temperatur sind die Bahnen der Elektronen an der Körperoberfläche, bedingt durch die einseitig fehlende Bindungskraft, am elliptischsten. Es ist aber fraglich, welche Richtung (nach Achslänge) die Ellipse hat. Überwiegt die Anziehungs- oder die Abstoßungskraft  der benachbarten innen liegenden Atome? Die Ellipsen sind ziemlich senkrecht zu einer glatten Oberfläche angeordnet. Ein eintreffendes Photon wird in dem Bereich der Bahn, wo die kleinste Geschwindigkeitsdifferenz ist (s. oben), empfangen. In dem Bereich, wo die Differenz = ca. c ist, gibt es kaum Wirkung und wo > c ist - Abstoßung. So werden die Photonen nur von Elektronen, die nach Richtung der Bahnen am nahesten zur Richtung der Photonen stehen, empfangen. So können Photonen bis in eine Tiefe von einigen Atomlagen durchdringen, bis sie aufgenommen werden. Auch von der Frequenz her muss das reflektierende Material (Atome) die passenden Schalen (Bahnen) haben. Die elliptischen Bahnen sind ziemlich elastisch, besonders in der Kernweite. Ein Photon, das empfangen wird, verändert die Bahn des Elektrons nach Form, Spin und Präzession. Reicht aber seine Energie nicht, um das Elektron in die nächste quasi-stabile Bahn zu bringen, bzw. sich dort unter der Einwirkung der benachbarten Atome zu halten, versucht das Elektron die ursprüngliche Lage einzunehmen. Dazu muss es ein Photon ausstrahlen. Die Emissionsbedingung ist genau dort erfüllt, wo Präzession und Spin die gleichen Beträge annehmen wie vor dem Empfang. Genauso auch die Ellipse, nur sie ist links und rechts symmetrisch und so wird das Photon unter Beibehaltung seiner Flugrichtung und Einfallswinkel = Ausfallwinkel emittiert (ein- und ausgestrahltes Photon müssen nicht identisch sein). Je nach dem, wo die Reflexion stattfindet - an der Oberfläche des optisch dichteren oder dünneren Materials - die Ellipsen nach Achslage, nach außen oder nach innen gerichtet - kommt es zu Phasenverschiebungen. Das ist dort der Fall, wo das Photon mit c ankommt. Sollte aber seine Geschwindigkeit > c sein, wird es mit c, aber mit verändertem Ausfallwinkel emittiert. Die restliche Energie wird in einer instabilen Bahn gespeichert, addiert sich und bei Erreichen der Emissions- / Absorptionsbedingung  (Ausstrahlung / Wärme) stabilisiert sich wieder. Genau entgegengesetzt ist der Sachverhalt bei einer Geschwindigkeit < c - dann werden die Photonen auch unter verändertem Winkel (entgegengesetzt als bei > c) und verringerter Anzahl emittiert.
Das experimentell nachzuvollziehen, ist auch sehr einfach. Es ist wieder eine Lichtquelle (Vorsicht mit Laser, nur einen sehr schwachen verwenden) an einem linearen Vibrator, ein reflektierendes Material (auch Spiegel) und eine Projektionsfläche notwendig. Der Lichtstrahl muss parallel sein - bei jeder Lage des Vibrators darf nur ein sich nicht bewegender Punkt auf der Projektionsfläche zu sehen sein. Keine Optik darf sich zwischen dem Vibrator und dem Spiegel befinden, der Spiegel muss sich ganz nah an der Quelle befinden. Versetzt man den Vibrator in Bewegung, wird dann der Punkt in eine Linie übergehen.
Die Lichtdurchlässigkeit erklärt man analog zur Reflexion. In diesem Fall schafft aber das einfallende Photon das Elektron in die nächste stabile Bahn zu bringen = Absorption. Es ist sogar möglich, dass die Bahn nach Achsrichtung umkippt. Die neue Bahnform und das resultierende Feld aber drücken die daneben  liegende Bahn (Bahnen, Atomfelder) usw., bis der Stoß die Atome an der Austrittsfläche erreicht. Die letzte Bahn wird durch den Stoß so verändert, dass sie die Emissionsbedingung erfüllt (erzwungene Emission).
Der Mechanismus der Lichtdurchlässigkeit (Lichtleitfähigkeit) ist identisch mit dem Mechanismus der Elektroleitfähigkeit, Schallausbreitung und der mechanischen Impulsübertragung - also wellenartig. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt von der Elastizität der übertragenden Elektronenbahnen, Schalen und Felder - je elastischer desto langsamer. Also, nicht das Photon läuft durch das Medium, sondern die Feldänderung, die es hervorgerufen hat. Es laufen auch die Photonen nach, aber mit weit niedrigerer Geschwindigkeit (das, durch erzwungene Emission, fehlende Photon in dem Atom muss ja nachgereicht werden - z.B. wie Loch - Übertragung - s. Halbleiter). Es ist durchaus vorstellbar, dass bei einigen Stoffen, z.B. Wasser, mehrfache Absorption/Emission stattfindet und zwischen Netzebenen die Übertragung wiederum durch Photonen realisier wird = Strahl-Welle-Strahl-Welle-Strahl....  Der Unterschied zu den verwandten Übertragungsmechanismen - der Strahl bleibt gebunden, verläuft sich nicht radial - besteht darin, dass nur ein Photon ( ein Quant) übertragen wird. Alle seitlichen Stöße sind kleiner (< als ein Quant) als in der Hauptrichtung, schaffen nicht den Sprung in eine andere Bahn, werden elastisch zurückgegeben, und so kann sich das Licht nicht in eine andere Richtung ausbreiten. Dass es in Kristallen anders als in amorphen Stoffen zugeht, versteht sich von selbst und braucht hier nicht untersucht zu werden.
Die Brechung ist nach den bisherigen Erklärungen auch leicht zu verstehen. Bei der Absorption an der Oberfläche wird die Elektronenbahn je nach Einfallswinkel, Elastizität der Bahn und benachbarter Felder und dem Massenverhältnis zwischen Photon und Elektron, unter einem bestimmten Winkel zu dem Einfallswinkel sich umformen. Diese resultierende Richtung der Bahn (Ellipse-Ausdehnung) wird weiter geleitet. Genau das Umgekehrte passiert beim Austritt. Die ursprünglich senkrecht zur Oberfläche gerichtete Ellipse bekommt durch den Übertragungsstoß die neue Richtung. Diese Bahn steht unter den gleichen Bedingungen wie die absorbierende, nur die Richtung der Achslängen ist entgegengesetzt. Die Emissionsbedingung wird automatisch dort erfüllt, wo der Ausfallwinkel = Einfallswinkel ist. Das wäre der Fall, wo die Ein- und Austrittsflächen parallel sind. Wenn die Austrittsfläche aber unter einem Winkel zur Eintrittsfläche steht, dann findet die Stoßwelle eine anders gerichtete Ellipse vor. Die Emissionsbedingung wird entsprechend unter anderem Winkel erreicht (Prismen). Es ist kein Wunder, dass der Brechwinkel proportional zum Verhältnis der Geschwindigkeiten ist. Beide, Brechwinkel und Geschwindigkeit im Medium hängen von der Elastizität der Bahnen ab. Die Elastizität ist vom Stoffaufbau und von der Temperatur abhängig. Nur, wie sieht es aus, wenn der Lichtstrahl senkrecht zur Oberfläche des Mediums eintrifft? Es sind immer noch zwei unterschiedliche Geschwindigkeiten da, aber kein Brechwinkel. Es ist also nicht richtig, den Brechwinkel mit der Geschwindigkeitsdifferenz zu erklären. Obwohl, genau betrachtet, ein senkrechter Strahl auch einen kleinen ungeordneten Brechwinkel aufweisen müsste - das heißt, die Eintrittsfläche müsste kleiner als die Austrittsfläche sein. Auch die Eigenresonanz der Elektronenbahnen (Schalen) spielt eine große Rolle - je nach Frequenz des eintreffenden Lichtstrahls werden unterschiedliche Bahnen betroffen, was zu verschiedenen Brechwinkeln und Ausbreitungsgeschwindigkeiten führt.

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