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¿Cómo se $\epsilon$ ¿Se relaciona con el movimiento armónico amortiguado de los electrones?

Me doy cuenta de que la permitividad $\epsilon$ de una sustancia se calcula fácilmente a partir de los ángulos de difracción, pero no me basta con medirla experimentalmente. Deseo comprender su origen dentro de las leyes y ecuaciones de la física. Me doy cuenta de que es un vector, como demuestran la anisotropía de la birrefringencia y $\epsilon$ también depende de la longitud de onda. Leí un poco en el libro de Griffiths Introducción a la electrodinámica p. 400-404:

El movimiento armónico amortiguado de los electrones puede explicar la dependencia de la frecuencia del índice de refracción, y explica por qué $n$ es normalmente una función lentamente creciente de $\omega$ con ocasionales regiones anómalas en las que desciende precipitadamente.

Donde $n$ es el índice de refracción y $n=\frac{c k}{\omega}$ .

He encontrado algunas referencias vagas a este fenómeno en relación con la refracción negativa.

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akhmeteli Puntos 10362

Tal vez desee consultar la ecuación de Lorentz-Lorenz (véase http://en.wikipedia.org/wiki/Lorentz%E2%80%93Lorenz_equation ) y el libro de Born y Wolf, al que se hace referencia allí y que proporciona una derivación de la ecuación. La ecuación tiene una aplicabilidad limitada (ya que no tiene en cuenta la teoría cuántica), pero es un buen primer paso.

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Además de Born&Wolf, puede que te interese el capítulo 11 del volumen 2 de las "Feynman lectures on physics", titulado "inside dielectrics". Se trata de una excelente descripción clásica para principiantes de los mecanismos que subyacen a la polarizabilidad de un material.

En realidad no es el $damped$ movimiento de los electrones que da lugar a la permitividad habitual de valor real. La amortiguación (es decir, la pérdida de energía) engendra la parte imaginaria de la permitividad y conduce a la atenuación de la luz cuando se propaga a través del material. La parte real de la permitividad surge simplemente de la "ralentización" de la luz por el material de la siguiente manera. Un fotón se propaga por el espacio libre y luego es absorbido por uno de los constituyentes del material (átomo o molécula), elevando fugazmente a este último a un estado de mayor energía. Muy poco tiempo después, este constituyente excitado emite un fotón en la misma dirección que el primero. El segundo se propaga, es absorbido por otro constituyente de la materia, y poco después se emite un tercero, de nuevo con exactamente el mismo impulso que el segundo. Esta repetida absorción, retardo y emisión puede modelarse diciendo que el fotón original simplemente corre más lento de lo que lo haría en el espacio libre. Llámame pedante, pero me gusta decir que no es la luz la que se propaga a través de la materia, sino una superposición cuántica de fotones y estados excitados de la materia.

Este proceso es algo parecido a la fluorescencia, pero con dos diferencias cruciales:

  1. Es $extremely$ rápido: el retraso entre la absorción y la reemisión es de femtosegundos como máximo.

  2. El absorbente devuelve $exactly$ a su estado inicial y no gana energía ni momento, por lo que no hay desplazamiento de la longitud de onda ni cambio de dirección entre los fotones absorbidos y reemitidos. En la mayoría de los casos, tampoco hay transferencia de momento angular, lo que significa que la polarización de la luz se mantiene igual - véase el capítulo "Momento angular" en el volumen 3 de las conferencias Feynman para entender la relación entre polarización y momento angular. La excepción al último punto es, por supuesto, en un material birrefringente.

La amortiguación surge cuando el estado excitado está débilmente acoplado a una banda de otros estados, normalmente vibracionales, de la materia. El acoplamiento débil significa que la mayoría de los fotones son absorbidos y reemitidos como se ha descrito anteriormente, pero de vez en cuando el estado excitado se acopla a los estados de vibración y el fotón en cuestión se pierde permanentemente.

La permitividad sin pérdidas (de valor real) en función de la longitud de onda se describe mediante las ecuaciones de Sellmeier. Con pérdidas, éstas se convierten en el modelo Ketteler-Helmholtz. Tengo un par de artículos sobre este tema:

Vance RWC, Ladouceur F. One photon electrodynamics in optical fiber with fluorophore systems. II. One-polariton propagation in matter and fibers from the one-photon correspondence principle. J Opt Soc Am 2007; 24(4): 942-958.

Vance RWC, Ladouceur F. One photon electrodynamics in optical fiber with fluorophore systems. III. One-polariton propagation in fluorophore-driven fibers. J Opt Soc Am 2007; 24(6): 1369-1382.

Otro artículo aparte del mío sobre el modelo completo de Ketteler-Helmholtz es:

G. Dubost y A. Bellossi, "Physical model of the cell membrane in the infrared, visible and ultraviolet spectra", Rev. Sci. Tech. Def. 64, 113-127 (2004).

Lo siento mucho: no he encontrado una descripción en inglés - pero veo que Carlos acaba de dar una buena descripción clásica en su respuesta. También, como aconseja Ben Cromwell, ver physics.stackexchange.com/q/65812/4552

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