Hoe kan het dat de spiegelwet voor zowel fotonen werkt als voor een bal die op de vloer wegstuitert? Dat vraagt een KIJK-lezer zich af.

Ik ken de spiegelwet, mailt Jeroen van Leeuwen: “‘De hoek van inval is gelijk aan de hoek van terugkaatsing’, maar waarom werkt de spiegelwet voor zowel fotonen als voor een bal die op de vloer wegstuitert? Hoe ‘weet’ het foton na interactie met de atomen in de spiegel waar het vandaan kwam en waar het dus heen ‘moet’? Bovendien zal het oppervlak van een spiegel op microscopisch niveau niet volkomen glad zijn. Heeft dat dan ook invloed?”

Lees ook:

• Heeft de maan invloed op mijn gewicht?
• Helpt ventileren tegen droge lucht?

Golfverschijnsel

Die fotonen lijken inderdaad soms op deeltjes, maar we kunnen hun gedrag vaak beter beschrijven als we hun golfkarakter van stal halen. We kennen licht immers vooral als een golfverschijnsel. En dan wordt het antwoord op de eerste vraag eenvoudiger. Onze zeventiende-eeuwse nationale wetenschapsheld Christiaan Huygens heeft al bedacht dat elk punt dat door een lichtgolf geraakt wordt zelf weer lichtgolven gaat uitzenden. Neem nu eens een glad spiegelend oppervlak waar een lichtbundel onder een bepaalde hoek op valt, bijvoorbeeld 60 graden. Dan raakt de onderkant van die bundel het oppervlak eerder dan de bovenkant. Van beide ‘raakpunten’ gaan nieuwe golven uit.

Maar om licht te produceren moeten de golven die vanuit die twee punten teruggekaatst worden in dezelfde fase zijn, ofwel ze moeten gelijke afstanden hebben afgelegd. Als we er een schets van maken, blijkt dat alleen maar te lukken voor de teruggekaatste richting die aan de spiegelwet voldoet. Daar zijn de golven dus precies in fase, en in die richting zien we het licht gaan.

Oneffen spiegel

Maar zoals Jeroen terecht opmerkt: die spiegel is op microscopisch niveau helemaal niet vlak. Er zitten oneffenheden in van minstens één atoom dik. Klopt, maar dan moeten we naar de afmetingen kijken. Een enkel atoom heeft een effectieve diameter van ongeveer 0,4 nanometer. De golflengte van licht is circa 500 nanometer, als we het midden van het spectrum nemen. Dat is dus ruim een factor 1000 groter dan de oneffenheden op de spiegel. Daarmee hebben de oneffenheden geen invloed op dit verhaal, en mogen we de spiegel wel als vlak beschouwen.

Als we een vergelijking met die bal van Jeroens vraag maken: een tennisbal op gravel stuit ook op een oppervlak dat uit kleine deeltjes van pakweg een duizendste van zijn eigen diameter bestaat, en daarvan is die bal absoluut niet onder de indruk.

Deze vraag kon je vinden in KIJK 10/2021.

Ook een vraag voor de rubriek ‘KIJK Antwoordt’? Mail hem naar [email protected]. En in onze nieuwste special geven we antwoord op 197 bijzondere, verrassende en boeiende vragen! Bestel hem eenvoudig en snel via onderstaande knop.

Tekst: Jo Hermans

Beeld: ZJTMATH/SHUTTERSTOCK