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¿Por qué hace la luz viaja en línea recta a través de un líquido?

Así que yo estaba leyendo un documento en el que afirmaba que, cuando se viaja a través de un material (voy a utilizar un líquido de aquí, tal vez de agua), un fotón en realidad siempre viajando a 300.000 km/s, solo que de vez en cuando 'hit', fue absorbida y re-emitida por las moléculas de agua a lo largo de su camino.

Fue esta la absorción y la re-emisión que hizo la velocidad de un fotón aparecen más lento en general, pero que "en medio de" golpear moléculas tenía la misma 300.000 km/s de velocidad.

Mis preguntas:

  • Es esta una forma correcta de pensar acerca de por qué un fotón se mueve más lentamente a través del agua?

  • Si es así, ¿cómo sería el fotón "saber" para salir de la molécula de agua de la partida en la misma dirección hacia la que se dirigía cuando se absorbe?

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StasK Puntos 19497

Sí, está bien, pero es una explicación que se ha despojado a los huesos, y deja bastante. Aquí está un poco más para ayudar a apuntalar la explicación.

En primer lugar, es importante darse cuenta de que en una fase condensada como un sólido o líquido, la luz no es la interacción con moléculas de aislamiento. La luz es la interacción con todos los de las moléculas. Esto hace una gran diferencia. La luz absorbida y re-emitida por una sola molécula puede ir en (casi) cualquier dirección.

La próxima, recuerda que un fotón es una excitación de un completo campo electromagnético. Es, por desgracia, a menudo no ayuda a pensar de un fotón como una partícula que existe en un lugar determinado en el espacio. Como todas las partículas en la mecánica cuántica, existe una posibilidad de que podría existir en cualquier lugar. Las interacciones individuales, por otro lado, puede ocurrir con una molécula particular en una ubicación en particular.

Es mejor empezar a pensar acerca de su pregunta en el campo de la física clásica y, a continuación, modificar más adelante para incluir la mecánica cuántica. Clásicamente, cuando la luz interactúa con una molécula, los electrones se pone en vibración el movimiento. La energía que el campo le dio a la molécula se quedará con la molécula por un tiempo mientras esta oscilación se produce. La molécula, entonces, es un radiador y puede generar su propia luz. Esa es la clásica imagen de los retrasos sufridos por la luz durante una interacción. Después de esta re-emisión, la luz va a viajar a $c$.

¿Cómo saber para ir directamente? Aquí es donde necesitamos que todas las otras moléculas en el líquido. El incidente de campo tiene un determinado patrón espacial, por ejemplo, un patrón sinusoidal, y excita las moléculas de oscilación patrón que coincide exactamente con. La luz incidente estaba de viaje en una dirección determinada, con una bien definida la fase de frente, y así también lo hace el patrón de oscilación en el líquido. La luz re-emitida a partir de las moléculas que también comparten el mismo patrón, aunque se retrase en el tiempo con respecto a la luz incidente. La re-emiten la luz añade a la parte de la luz incidente que pasa afectado. Pero la fase frentes, y por lo tanto la dirección de la marcha, es paralela a la de la onda incidente. De que se va en la misma dirección.

Los fotones: Casi la misma historia. Recordemos que un fotón es una excitación del campo de luz. En lugar de la excitación de las moléculas en oscilación, la molécula temporalmente absorbe un cuanto de energía desde el campo (los "fotones"), y la molécula es elevado a un estado excitado. La molécula de la vida en este estado por un periodo corto de tiempo, y entonces la energía es devuelta al campo ("emisión de fotones"). Pero el asunto de la fase de frentes y las direcciones aún se mantiene. La energía que se agrega a un campo que se propaga en la dirección original, ligeramente retrasado.

(Otro detalle estamos dejando de lado. La absorción y la re-emisión describo es un proceso muy rápido llamado "virtual transición". Es lo suficientemente rápido que el principio de incertidumbre de $\Delta E \Delta t \leq \hbar/2$ permite la conservación de la energía a ser temporalmente violado. Así que la frecuencia de la luz incidente no tiene que coincidir con una frecuencia de absorción de la molécula en este proceso, y la explicación de las obras para la transparencia de los medios de comunicación.)

Nótese que me refiero a un fotón como una excitación del campo, en lugar de como una partícula. Cuando la interacción entre la luz y algo más, se produce en un lugar determinado, como cuando se golpea con un píxel en particular en una cámara digital, se ve por todo el mundo como una partícula golpear el píxel. Pero de una manera más útil de pensar acerca de esto es que el campo de luz que existe en todas partes, pero la interacción se produce en un lugar determinado.

Espero que ayude!

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Fernando Briano Puntos 3704

Fue esta la absorción y la re-emisión que hizo la velocidad de un fotón aparecen más lento en general, pero que "en medio de" golpear moléculas tenía la misma 300.000 km/s de velocidad.

Es correcto hablar de la luz como la clásica de la onda electromagnética que se refracta a través de un medio transparente ( y pasa directamente a través sólo en incidencia normal ) y la velocidad de la luz entra en el índice de refracción como n=c/v , c la velocidad de la luz y v la velocidad en el medio.

Cualquier onda de luz está integrado por un conjunto de innumerables los fotones de una manera compleja, y es engañoso pensar que uno puede seguir individuales de los fotones y su dispersión. En los medios de comunicación transparente las longitudes de onda son tales que los fotones no pueden perder energía por medio de una transferencia a niveles de energía de la red de átomos o moléculas. En la mayoría de los que puede interactuar con ellos con masa shell fotones, sino de dos fotones de interacción es muy pequeño. Es todo el entramado que interactúa con el conjunto de los fotones de ir a través de y en la generación de la pequeña interacciones cambiar el comportamiento del frente de onda para dar efectivamente menor de las velocidades de la onda clásica. No es útil para hablar de fotones individuales que son mecánica cuántica entidades y que sólo puede ser descrito mediante distribuciones de probabilidad.

Mis preguntas:

Es esta una forma correcta de pensar acerca de por qué un fotón se mueve más lentamente a través del agua?

Como ya he dicho, el individuo fotón es un miembro de un conjunto coherente de innumerables fotones. Uno no puede hablar de individuo fotones comportamiento per se, salvo probabilísticamente

Si es así, ¿cómo sería el fotón "saber" para salir de la molécula de agua de la partida en la misma dirección hacia la que se dirigía cuando se absorbe?

No se absorbe, puede o no interactuar con todo el entramado como un único fotón. El conjunto coherente de fotones interactúa con el transparente sólido para dar el comportamiento macroscópico de la refracción y por lo tanto el colectivo de velocidad. Una analogía es un poco pequeño de madera transportada por una onda en el agua: ¿cómo se sabe a ir directamente? El comportamiento de la luz es el comportamiento colectivo de un conjunto de fotones.

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