Lo que realmente causa la luz/fotones a aparecer más lenta en los medios de comunicación?

Question

Sé que si podemos resolver la ecuación de Maxwell, vamos a terminar con la velocidad de fase de la luz está relacionada con la permeabilidad y la permitividad del material. Pero esto no es lo que me interesa, quiero ir más profundo que eso. Sabemos que la verdadera velocidad de la luz es en realidad que no cambia, la disminución en la velocidad es sólo aparente. El Material está casi vacía, la luz todavía de viaje con $c$ en el espacio. El raro átomos se moleste a la luz de alguna manera. Así que estoy interesado en cómo los átomos afectan a la luz.

Fotones de absorción-emisión de la teoría de la

Algunos de los libros que he leído explicar de una forma como esta:
En un material, los fotones son absorbidos por los átomos y, a continuación, re-emite un corto tiempo después, luego de recorrer una corta distancia hasta el siguiente átomo y se absorben y emiten de nuevo y así sucesivamente. La rapidez de los átomos en un material puede absorber y re-emitir el fotón y cómo las densas átomos decide la velocidad aparente de la luz en dicho material. De modo que la luz parece más lento ya que tiene un menor "deriva de la velocidad".

La teoría de la interferencia

Pero recientemente me doy cuenta de una explicación alternativa:
Los átomos de responder a la luz mediante la radiación de onda electromagnética. Esta "nueva luz" que interfiere con la "antigua luz" de alguna manera que los resultados en el retraso de la luz (avanzada en fase), esto puede ser fácilmente demostrado por el uso de simple diagrama de fases. En consecuencia eficazmente la luz cubre una fase más pequeño cada segundo, lo que da la impresión de una menor velocidad de fase. Sin embargo, el grupo está cambiando la velocidad en una forma complicada.

Creo que la primera explicación no explica el cambio en la velocidad de fase de la luz. si tenemos en cuenta la luz que se desplaza en una losa de negativa del índice de refracción no dispersivo material, digamos que la luz es perpendicular a la losa. La velocidad de fase de la dirección se voltea, pero la velocidad de grupo de la dirección en la que el material no va a cambiar. Sólo la segunda explicación puede explicar el volteado de la velocidad de fase de dirección. Supongo que la velocidad que obtenemos en la primera explicación es en realidad pertenece a la velocidad de grupo. Tiene sentido para mí que la parte delantera de la mayoría de los fotones de la corriente determina la primera información que la luz ofrece.

Así que la pregunta es Lo que realmente causa la velocidad de fase de la luz que se redujo?

1. "la deriva de la velocidad de los fotones (que no son los mismos que los fotones, que son re-emitida todo el tiempo)
2. diferencia de fase entre absorbe y emite luz
3. algo más

Y también, yo todavía no entiendo muy bien la explicación detallada de la absorción-el proceso de emisión para los pequeños de la luz de longitud de onda (para grandes lambda comparar a los átomos de espaciado, los fotones sean absorbidos por los fonones). La relación de dispersión que sabemos que es continua y también algunos materiales no dispersivo, por lo tanto, el proceso de absorción debe ocurrir en todas las frecuencias para un cierto rango. Así que definitivamente no implica la transición atómica, de lo contrario será cuantificada. Mi conjetura es que el proceso de absorción se presenta suave por el momento dipolar. Lo que hace que el espectro continuo?

EDITAR: enlace para la relación de dispersión: http://refractiveindex.info/?group=CRYSTALS&material=Si

Answer 1

Parece que ya están familiarizados con la explicación clásica pero todavía están curiosos acerca de la versión cuántica de la misma.

2.diferencia de fase entre absorbe y emite luz

Sí, este es esencialmente el orden más bajo de contribución para el cambio de fase en el fotón-electrón de dispersión. Aquí está la descuidado manera de visualizar de forma continua (esto es, básicamente, la clásica de EM de onda de dispersión de punto de vista): usted puede imaginar que la "energía cinética" (-> frecuencia) de los "fotones" aumenta a medida que se acerca a las posibilidades del átomo bien y luego vuelve a su estado normal de frecuencia a la salida del átomo. Esto se traduce en un aumento neto en la fase de ($(n-1)\omega/c$).

1. "la deriva de la velocidad de los fotones ( que no son los mismos que los fotones, que son re-emitida todo el tiempo)

Por la "deriva de la velocidad", se refiere a un pinball, el movimiento en zigzag de los fotones? Esto no va a aportar mucho, ya que requiere más de dispersión (básicamente se trata de un orden superior del proceso).

Y también, yo todavía no entiendo muy bien sobre el detalle de la absorción de las emisiones de proceso.

Sí la absorción todavía se producen en todo el rango de la frecuencia. El hamiltoniano del átomo será modificada por el campo ($- p \cdot E$ donde p es el momento dipolar del átomo y E es el campo eléctrico de los componentes de la luz). Esto nos dará la energía necesaria a nivel de absorber los fotones momentáneamente, que se re-emiten de nuevo por estimulado+emisión espontánea.

edit: una aclaración, el término "nivel de energía" es engañoso, ya que el temporal de 'emocionado' átomo no es una energía real eigenstate.

Consulte el diagrama de aquí: http://en.wikipedia.org/wiki/Raman_scattering

Answer 2

Además de todo lo dicho, me gustaría comentar lo siguiente:

Sabemos que la verdadera velocidad de la luz es en realidad que no cambia, la disminución en la velocidad es sólo aparente. El Material está casi vacía, la luz puede viajar con c en el espacio.

1) la velocidad de La luz no cambia. Es la velocidad de la luz en el vacío y que no.

2) Una respuesta corta a tu pregunta: la Luz es, por así decir, 'grandes' de la inter-atómico espacio. Por lo tanto, no me hable de viajar en el espacio.

Esta situación es similar a la de un humano se ejecuta a través de los arbustos en oposición a la ejecución en un bosque. Porque usted es mayor que el de las ramas de un arbusto, interactuar con los bush en una manera diferente que con los árboles en el bosque.

Puede ser una ilustración con un subwavelength-diámetro de la fibra óptica podría ayudar a ver el problema desde otro lado. Esta fibra es más delgada que la longitud de onda de la luz. Por ejemplo, la mitad de un micrón de diámetro para un 1 um de luz. Como la luz se propaga a través de una fibra (que se puede hacer básicamente con el 100 % de transmisión), el campo de luz no 'encajan' en la fibra, y alrededor de la mitad de la energía que se propaga en realidad fuera de la fibra. Sin embargo, no es el caso que la parte exterior de la luz va más rápido que el interior de la fibra. La onda sigue siendo único, que viaja con la velocidad de

$$ v = \frac{c}{n_\text{fep}}, $$

donde $ n_\text{fep}$ es la efectiva índice de refracción, que es en algún lugar entre el 1 (la aparente índice de refracción para la parte exterior de la onda) y $n_\text{vidrio}$ (para el interior).

Así, la luz es "más grande" que el de la inter-átomo de distancia, y por lo tanto continuamente de " ver " los átomos.

Answer 3

No creo que en general es útil para tratar y analizar estas cosas en términos de fotones, de modo que voy a intentar aclarar un par de cosas acerca de la clásica imagen.

La gran dificultad de la perspectiva matemática es que estás trabajando en un medio continuo, donde la fase de la onda está cambiando continuamente. Esto hace que la visualización mucho más fácil para empezar si nos restringimos a una delgada losa, donde "fino" significa pequeño con respecto a la longitud de onda.

Sabemos que hay una constante dieléctrica que representa la tendencia de los cargos de desplazar a sí mismos en respuesta a un campo externo. Pero ¿qué tan rápido a los cargos responder? Es un cuasi-estático caso, donde la máxima intensidad de campo coincide con la carga máxima de desplazamiento? Creo que nos vamos a encontrar que este es el caso, por ejemplo, cuando la luz viaja a través del cristal.

Tenga en cuenta que en este caso la corriente de desplazamiento es líder en el campo de incidente de 90 grados. Esto tiene sentido: como la frecuencia de la luz se acerca a la frecuencia de resonancia del material, de la fase lag más y más; cuando la diferencia de fase tiende a cero, tiene resonancia de absorción. (EDIT: Para ser más claro, puedo elegir para definir la diferencia de fase, en términos de su campo lejano de la relación con el incidente de campo!) En el caso de la fina de la losa, se puede ver que la onda transmitida es la suma de la onda incidente y una onda generada por la corriente de desplazamiento. Debido a que usted está absorbiendo, la fase en el campo lejano debe ser opuesto de manera que la energía se retira de la onda incidente.

Es instructivo para realizar el balance de energía. Digamos que la corriente de desplazamiento genera una onda igual a 2% de la onda incidente. Entonces la amplitud de la onda reflejada es de 2%, y la onda transmitida es de 98%. Es fácil de calcular (al cuadrado amplitudes) que casi el 4% de la energía que falta. ¿Dónde ir? ¿ Continuamente se acumula la amplitud de la corriente de desplazamiento hasta que las pérdidas resistivas en el material es igual a la potencia extraída de la onda incidente.

Ahora vamos a volver para el caso de que el medio transparente. Toma el mismo valor para la corriente de desplazamiento, a saber, el 2%. La onda reflejada es la misma, pero la onda transmitida es diferente porque ahora usted está agregando phasors que estén a 90 grados uno del otro, por lo que la amplitud de la onda transmitida es, a la primera orden, sin cambios.

Es la fase que esto es confuso. Porque estamos en la cuasi-estático régimen, la fase es líder. En cualquier caso, debe ser líder en comparación con la absorción caso. No queremos un retraso de fase con el fin de frenar la ola? Aquí es donde usted tiene que ser muy cuidadoso. Porque estamos añadiendo un líder de la etapa, los picos de las ondas de producirse antes de lo que...en otras palabras, ellos están muy juntos. De hecho esta es la condición para que una onda de viaje más lento. Es todo muy confuso, que es la razón por la que me llevó el caso de una delgada losa de la matemática sería más simple. Deje que la onda incidente se

sen(kx-wt)

Entonces la onda generada por la losa será

0.02*cos(kx-wt)

Nota la onda coseno conduce la onda sinusoidal de 90 grados. Si usted dibuja estas dos ondas en un gráfico y sumarlas, se puede ver que los picos de la onda sinusoidal se empujó ligeramente a la izquierda. Esto hace que la onda de aparecer un poco de retraso.

La continua caso es más difícil de hacer, matemáticamente, pero usted puede ver que esto debe seguir tratándola como una serie de losas.

Answer 4

Una intuitiva explicación podría ser que el fotón tiene un largo camino que se recorre en un medio?