Haces de fotones de la masa de ganancia cuando viajan a través del cristal?

Question

Por favor me corrija si estoy equivocado, pero creo que los fotones se ralentiza cuando se viaja a través del cristal. ¿Esto quiere decir que la masa de ganancia? De lo contrario, lo que ocurre a mayor energía cinética?

Ahora entiendo que la aparente ralentización se debe a interacciones de electrones, ¿el cristal de la ganancia de peso debido a que la luz viaja a través de él?

Answer 1

El enfoque Fundamental

Marek respuesta se resume en breve como "no". Se basa en la mayoría de los "fundamentales" de los conceptos de la física ... tiene usted partículas cuánticas fundamentales -- los fotones, electrones y algunos otros. Y estas partículas interactúan unos con otros productores de todo el mundo que nos rodea. Las propiedades de las partículas, como su masa, carga, correo.t.c. no cambia lo que haga con ellos. Y, por lo tanto, la masa del fotón es siempre cero.

Este appoach es muy intuitivo y, por supuesto, la respuesta es correcta... Pero uno puede mirar el mismo problema desde otra perspectiva, la obtención de una respuesta diferente:

Quasiparticles enfoque

Esas partículas fundamentales son sólo las excitaciones del vacío; el medio universal para todo lo que nos rodea. Nos gusta hablar de las partículas, debido a que son "gratis" -- están volando libremente en el vacío, rara vez interactúan el uno con el otro.

Ahora, en lugar de vacío, consideramos a los otros "no tan universal" medio -- un vaso. Como todo lo demás, el vidrio está hecho de las mencionadas partículas fundamentales. Resulta que uno no quiere hablar acerca de la fundamental de fotones en el interior de un vaso-siempre interactuando con las cosas en el asunto: se dispersa, consiguió absorbido, consiguió re-emitida correo.t.c. En otras palabras, no es "libre". Es mucho más fácil pensar en un quasiparticle, que es "casi un fotón". Un quasiparticle es una excitación de la vidriosa medio. Y se comporta como es "libre" en el vidrio, es volando libremente en el vaso, rara vez interactúan con otros quasiparticles.

Desde ese punto de vista la respuesta a la pregunta es "sí" -- en el interior del vaso de la quasiparticle llamados "fotones" tiene algo de masa, mientras que en el vacío de la partícula fundamental, llamados "fotones" no.

Este segundo punto de vista, es mucho más elaborado y requiere más esfuerzo para entender, pero creo que es más "flexible" y le permite entender las cosas como renormalization, eficaz campo de las teorías, los quarks y colisionador de la estructura y la QCD, térmico, la teoría de campo, e.t.c. Después de todo, lo que ahora llaman "la fundamental vacío" puede ser solo un "vaso" de algo más fundamental.

Answer 2

Edit: gracias a todos los comentaristas. Antes de que me mezclan tanto la dispersión y la absorción de la luz. Traté de actualizar la respuesta a describir de forma más precisa lo que realmente está pasando ahí abajo.

Nota: yo sólo tendrá en cuenta la interacción con las moléculas del material. Cosas más avanzadas como la interacción con el entramado de cristales o de la interacción con los electrones libres en los metales necesitaría de una discusión por separado.

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Lo que pasa es que cuando fotón entra el asunto tiene una probabilidad distinta de cero para esparcir en los átomos del material. En QED (la electrodinámica cuántica) este proceso se realiza mediante la suma sobre todas las posibles formas en que el fotón puede interactuar con los electrones del material. Forma más sencilla es que el fotón es absorbido por un electrón, lo que aumenta su energía (pero esto no es una excitación de un preciso nivel energético; toda la energía que va a hacer) y después de un rato de electrones emite una diferente de fotones. Como señaló correctamente por Tobias, si hay más de fotones con la misma energía y el impulso cercanos, el fotón emitido tienden a tener las mismas características. Esto es debido a que los fotones son bosones y bosones como para ocupar los mismos estados.

Ahora, todos estos procesos contribuyen a la final de la dispersión de amplitud. Este es un número complejo describe tanto la aparente desaceleración de los fotones en la materia y también la absorción de luz en el asunto. Su valor depende de la manera precisa molécula se ve, lo que los niveles de energía de haces de electrones ocupan y así sucesivamente. En cualquier caso, se puede (al menos en principio) reducir todo lo que la complejidad de un solo átomo en un número que indica el índice de refracción y el coeficiente de absorción. Tenga en cuenta que este número también depende de la energía del fotón entrante, dando la dispersión.

Si queremos encontrar el tiempo real que tendrá fotones (tenga en cuenta que aquí la palabra fotón se utiliza liberalmente como puede ser absorbida y re-emitida) para viajar a través del material, estamos de nuevo animó a sumar sobre todas las posibles trayectorias y esto significa sobre todo la posible scatterings en todos los átomos. Una posible trayectoria es que los fotones no interactúa con nada. Este es un dominante que sería correcto en el vacío. Pero ahora también hay una posibilidad de que los fotones se dispersan en algunos átomos (por lo general sólo uno de ellos, aunque, debido a la dispersión de la probabilidad es pequeña) y se modifique el final de la amplitud. Si no hay absorción, el único efecto será que se va a "tomar el fotón más tiempo para viajar a través de material". Si no es también la absorción de la probabilidad de que los fotones que pasan a través del material inferior.

Por supuesto, la teoría cuántica es sólo probabilística en la naturaleza y lo que esto significa es que si usted deja un montón de fotones ir a través del material, entonces, en general, tomar algunos de dispersión de los átomos. Por lo que puede ser dicho (y es mucha correcta) de que la materia electrones de la "trampa" de la luz entrante, lo que es propagar más lento.

Answer 3

Estimado Dan, esto es realmente una pregunta muy simple. La velocidad de fase o la velocidad de grupo de un fotón puede ser menor. Pero la energía de un solo fotón es siempre $$E=hf$$ donde $h$ es la constante de Planck y $f$ es la frecuencia. Esto es cierto para los quanta en cualquier material - y no sólo para los fotones, de hecho. Es cierto también para los gravitones, electrones, muones, o cualquier otras partículas. Esta relación entre la energía y la frecuencia de la onda asociada con la partícula es totalmente universal - y se sigue del hecho de que la energía (el Hamiltoniano) genera la evolución en el tiempo, es decir, está dada por la frecuencia de todos los periódicos de las funciones de onda.

La frecuencia de un fotón no cambia en cualquier lugar - que todavía debe hacer el mismo número de periodos por segundo, donde se lo mire - imagine que usted emite un paquete que tiene 500 maxima y 500 mínimos de una onda, por lo que el mismo número se ven en todas partes.

Por lo que la energía de cada fotón permanece constante a medida que se mueve a través de cualquier medio ambiente. Por supuesto, cuando es absorbida, da su energía (o parte) a otra partícula.

Answer 4

Me gustaría añadir a Kostya Excelente Respuesta y también de Marek.

Kostya es en realidad describe una superposición cuántica de libre fotones y emocionado asunto estados. A menudo en este escenario, el índice de refracción es descrito como el resultado de las repetidas absorción y re-emisión de la aspiradora fotones por los átomos/moléculas del medio. Esta es una buena primera foto, pero es más exacto para describir la situación como la superposición cuántica que acabamos de mencionar. El llamado quasiparticle es esta superposición, que es la energía eigenstate en la presencia de la mediana, es decir, la energía eigenstate del campo electromagnético, junto a la excitada asunto estados. El eigenstate (quasiparticle) es llamado varias cosas dependiendo de la naturaleza exacta de la interacción: polaritones, plasmones, excitón, y así sucesivamente, pero, en principio, su naturaleza esencial como una superposición cuántica de fotones y se crió asunto estados es exactamente el mismo en cada caso.

Usted puede calcular el resto de la masa de la quasiparticle así. Esta es una forma de expresar la energía que ha "desaparecido" en el medio: se puede mover en el marco en reposo con respecto a la quasiparticle y la perturbación tiene un valor distinto de cero de la energía de $m_0\,c^2$ en este marco, que representa la energía almacenada en el salido de la materia estados de la media.

Vamos a calcular la masa de reposo de la quasiparticle de $E^2=p^2\,c^2 + m_0^2\,c^4$ y $p = \gamma\,m_0\,v$ con $v = c/n$, con, como de costumbre, $\gamma = \frac{1}{\sqrt{1-{v^2}/{c^2}}}$ es el factor de Lorentz. Vamos a hacer esto desde el marco en reposo con respecto a la media (aunque, por supuesto, de $m_0$ es invariante Lorentz, así que podemos hacer un cálculo correspondientes de cualquier fotograma). Por lo tanto:

$$E^2 = p^2\,c^2 + m_0^2\,c^4=m_0^2\,c^4\left(\frac{1}{n^2\,\left(1-\frac{1}{n^2}\right)}+1\right)=m_0^2\,c^4\frac{n^2}{n^2-1}$$

o

$$m_0 = \frac{E}{c^2}\sqrt{1-\frac{1}{n^2}}$$

Para $n=1.5$ (común gafas como vidrios o N-BK7 - portaobjetos de vidrio) en $\lambda = 500\rm\,nm$, obtenemos, a partir de $E=h\,c/\lambda$, $m_0=3.3\times 10^{-36}{\rm kg}$ o acerca de 3.6 millonésimas de un electrón de masa.

Answer 5

El fotón nunca se ralentiza, como la partícula pasa por el medio de vidrio es absorbida por los electrones cercanos. La absorción y la re-emisión de un fotón lleva tiempo, se interpretó como el fotón desaceleración. El fotón es siempre la misma velocidad, y siempre tiene masa cero.