Энергия фотона - импульс в материи

Е знак равно час ν и п знак равно час ν / с в вакууме. Если фотон входит в воду, его частота ν не меняется. Каковы его энергия и импульс: час ν и час ν / с ? Поскольку часть ее энергии и импульса передана воде, она должна быть меньше.

Если показатель преломления воды н , энергия и импульс равны час ν / н и час ν / с / н ?

Ответы (3)

Это нетривиальная проблема, которая также связана с тем, как вы определяете фотон в среде - как взаимодействующую частицу и рассматривая возбуждение среды отдельно, или как "одетую частицу", включая взаимодействие.

Со страницы Википедии о противоречии Авраама и Минковского :

Споры Абрахама-Минковского - это физические дебаты об электромагнитном импульсе в диэлектрических средах.

[...]

  • Версия Минковского:
    п знак равно н час ν с
  • Версия Авраама:
    п знак равно час ν н с

[...]

Исследование 2010 года показало, что оба уравнения верны, причем версия Абрахама является кинетическим импульсом, а версия Минковского - каноническим импульсом, и утверждает, что объясняет противоречивые экспериментальные результаты, используя эту интерпретацию.

Посмотрите также (Google Scholar?) на «электромагнитный импульс в среде» или «электромагнитную энергию в среде», поскольку по существу это связано с классической проблемой.

Фотон не передает часть своей энергии воде. Либо усваивается, либо нет. Энергия всегда Е знак равно час ν .

Фотон также не передает части своего импульса воде. Если он поглощается, он, конечно, передает весь свой импульс электрону.

Если нет, то есть несколько объяснений того, что происходит, и ни одно из них не является особенно поучительным. Одним из них является микроскопическое представление, выдвинутое Марком в комментариях ниже, согласно которому фотон движется в основном в пустом пространстве, время от времени прерываясь заряженной частицей, и поэтому его импульс совсем не меняется.

Это технически наиболее правильно, но, на мой взгляд, бесполезно, если вы смотрите на макроскопические масштабы. В этом случае мы имеем полемику Абрахама-Минковского о том, выше или ниже импульс фотона в среде. Стив Барнетт утверждает, что разрешил этот спор в статье 2010 года , как упоминалось в статье в Википедии, и я нахожу эту статью легко читаемой и поучительной. Согласно Барнетту, импульс Абрахама, п знак равно час ν / с н , соответствует кинетическому импульсу фотона (это импульс, о котором обычно думают, рассматривая макроскопическое тело в движении); и импульс Минковского, п знак равно н час ν / с , - канонический импульс (который определяется как постоянная Планка, деленная на длину волны де Бройля тела).

Ответ на самом деле заключается в том, что «импульс» фотона в среде не является четко определенным понятием, поэтому вам нужно уточнить, о чем вы говорите.

Работая в основном с плоскими волнами, я предпочитаю говорить п → знак равно ℏ к → (который действительно растет в н в среде), так как это позволяет мне интуитивно объяснить некоторые другие явления в терминах сохранения импульса. Я свободно признаю, что это грубое упрощение, а также не интуитивно понятное в том смысле, что нет хорошего объяснения, почему импульс фотона должен быть выше, есть только неудовлетворительное математическое объяснение, что, поскольку скорость света «эффективно» ниже в воде , импульс «эффективно» выше.

Извините, но я не думаю, что это может быть правильно. Какой механизм может придать дополнительный импульс фотону, распространяющемуся внутри воды? Сам фотон просто видит вакуум с вкраплениями заряженных частиц. Таким образом, он распространяется с энергией час ν и импульс час ν / с во все времена. Однако по мере того, как он распространяется через воду, он будет многократно рассеивать электроны. Преобладающим эффектом является упругое рассеяние, которое просто придает фотону фазовый сдвиг. Если вы усредните эти фазовые сдвиги по многим длинам свободного пробега, вы увидите колебания ЭМ поля с эффективной длиной волны λ / н .
В качестве альтернативы можно фактически квантовать поле внутри диэлектрика, используя формализм макроскопической КЭД . Тогда «элементарные возбуждения ЭМ поля», вероятно , будут иметь импульс выше, чем в свободном пространстве, в раз н (хотя вы должны проверить это, я не эксперт в макроскопической КЭД). Но на самом деле это не фотоны в обычном смысле, а квазичастицы, соответствующие колебаниям как электромагнитного поля, так и связанных электронов в диэлектрической среде.
@MarkMitchison Я знаю, что фотоны, кажется, движутся медленнее в воде, просто из-за усреднения. Однако импульс отдельного фотона равен h-бару, умноженному на волновой вектор, а величина волнового вектора больше в более плотной среде с более низкой скоростью света. Так работает фазовый синхронизм в нелинейной оптике — закон сохранения импульса. Кроме того, механизмы возбуждения поверхностного плазмонного резонанса (такие как конфигурация Кречмана) объясняются разным импульсом фотонов в разных материалах.
Действительно, полемика Абрахама-Минковского разделяется на то, больше или меньше импульс отдельного фотона в диэлектрике, но он, конечно, не остается неизменным!
Я подумал и обсудил это еще немного и пришел к двум выводам:
на самом деле три: 1) п знак равно ℏ к действителен только для фотона в режиме плоской волны, который люди обычно не замечают; 2) заявление о том, что фазовый синхронизм происходит из-за сохранения импульса, неверно, несмотря на то, что это популярно в нелинейной оптике; 3) конечно, вы правы, что фотон путешествует в основном в вакууме, и поэтому п знак равно час ν / с ; но это выражение бесполезно в масштабе макроскопических диэлектрических сред.
ОК, +1 за разъяснения и ссылки. Статья Барнетта действительно одна из самых ясных, которые я когда-либо читал. Ваш последний вопрос — почему канонический импульс плоской волны больше в диэлектрике — тоже, по-видимому, задумывался до появления квантовой механики. Возможно, в то время излишек приписывали микроскопическим дипольным генераторам (в смысле модели Лоренца). Истинное квантовое объяснение должно относиться к точке зрения Барнетта о том, что ЭМ-кванты в диэлектриках — это поляритоны, а не фотоны.

Только что (июнь 2017 г.) было опубликовано новое решение этого противоречия:

«в прозрачной среде каждый фотон сопровождается волной плотности атомной массы . Оптическая сила фотона приводит в движение атомы среды и заставляет их нести 92% общего импульса света в случае кремния». (мой акцент)

https://phys.org/news/2017-06-atomic-mass-photon-momentum-paradox.html

Довольно длинная аннотация самой статьи очень поучительна:

https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.95.063850

Энергия фотона - импульс в материи
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v