Как фотон проходит сквозь стекло?

Это обсуждалось в ответе на связанный вопрос , но я думаю, что он заслуживает отдельного и, надеюсь, более четкого ответа.

Рассмотрим один фотон ( λ = 532 нм), проходя через пластину из идеального стекла с показателем преломления н знак равно 1,5 . Мы знаем, что он не меняет своего направления или других характеристик каким-либо особым образом, и распространение на 1 см через такое стекло эквивалентно 1,5 см вакуума. По-видимому, фотон взаимодействует со стеклом, но какова физическая природа этого взаимодействия?

Давайте не будем рассматривать эффекты высокого порядка, такие как рэлеевское/комбинационное рассеяние.

Я понял, что то, что я сказал в своем последнем комментарии, было не совсем правильным. Так что хорошо, что вы подняли этот вопрос. Я с нетерпением жду ответов.
Я не уверен, что предположение о том, что фотон движется по прямой с меньшей скоростью, верно. Я недостаточно знаю квантовую механику, чтобы дать такой ответ. Однако я мог бы дать совершенно классический ответ. Вот бы обсудить стекло как диэлектрик. Однако это не будет говорить об одном фотоне. Это будет говорить об электромагнитной плоской волне (которая действительно движется по прямой линии с меньшей скоростью). Насколько я понимаю, любой отдельный фотон будет поглощаться и переизлучаться, эффективно путешествуя со скоростью света по непрямому пути.
@Mark: ответ, который дал мой профессор, был на самом деле похож, когда я задал ему этот вопрос несколько месяцев назад. Он сказал, что это было довольно легко объяснить с помощью волновой механики, но объяснение с помощью фотонных взаимодействий было немного сложным. В основном он утверждал, что фотоны поглощаются, а затем испускаются с той же длиной волны, и, возможно, в основном из-за сохранения импульса большинство фотонов продолжают свой первоначальный путь.
Читал, что есть небольшое отставание от атома к атому. Эта задержка должна проявляться как замедление скорости света внутри среды: Но как скорость света остается постоянной внутри среды?

Ответы (1)

На этот вопрос сложно ответить, потому что во многих отношениях нет смысла говорить об определенном пути, по которому следует одиночный фотон. Квантовая механика по своей сути вероятностна, поэтому все, о чем мы можем говорить, — это вероятности различных исходов множества повторяющихся экспериментов с одинаково подготовленными начальными состояниями. Все, что мы можем измерить, это что-то вроде среднего времени прохождения большого количества одиночных фотонов, проходящих через кусок стекла один за другим.

Прохождение света через среду легче объяснить в классическом смысле, когда вы думаете о световом луче как о волне, которая вызывает колебания в атомных диполях, составляющих материал. Затем каждый атом повторно излучает свои собственные волны на той же частоте, но немного не в фазе. Сумма исходной волны и переизлученной волны представляет собой волну, которая немного отстает от приходящей волны, чем и объясняется пониженная скорость. Луч света, входящий в блок материала, имеет тенденцию продолжаться в том же направлении, потому что свет, рассеянный вперед от любого отдельного атома, имеет тенденцию конструктивно интерферировать с рассеянным вперед светом от других атомов в материале, в то время как свет, рассеянный в стороны, в основном интерферирует деструктивно. и отменяется.

Перенося эту картину на квантовый режим, вы бы сказали, что одиночный фотон, попадающий в материал, потенциально будет поглощаться и переизлучаться каждым из атомов, составляющих первый слой материала. Однако, поскольку мы не можем напрямую измерить, какой атом поглощал, мы рассматриваем ситуацию математически как суперпозицию всех возможных исходов, а именно: каждый из атомов поглощает, а затем повторно излучает фотон. Затем, когда мы подойдем к следующему слою материала, нам сначала нужно сложить все волновые функции, соответствующие всем возможным поглощениям и переизлучениям, и когда мы это сделаем, мы обнаружим, что так же, как и в классическом волновом случае, наиболее вероятным результатом будет продолжение движения фотона в том же направлении, в котором он изначально направлялся. Затем мы повторяем процесс для всех атомов во втором и третьем слоях.

В любом заданном слое вероятность того, что какой-либо отдельный атом поглотит его, а затем переизлучит, очень мала, но в типичном твердом теле существует огромное количество атомов, так что шансы таковы, что фотон будет поглощен и переизлучен во время проход через стекло очень хороший. Таким образом, в среднем фотон будет задерживаться по сравнению с фотоном, прошедшим через вакуум равной длины, что приведет к более низкой наблюдаемой скорости передачи.

Конечно, невозможно наблюдать точный путь, пройденный любым фотоном, то есть, от каких именно атомов он рассеялся, и если бы мы попытались сделать такое измерение, то путь фотона изменился бы до такой степени как бы совершенно бесполезно. Таким образом, когда мы говорим о прохождении одиночного фотона через преломляющий материал, мы приписываем фотону скорость, которая является средней скоростью, определенной из многих реализаций эксперимента с одним фотоном, и исходим из этого.

Ваше объяснение прекрасно, но я думаю, что следует еще сильнее подчеркнуть, что замедление — это коллективный эффект, какую бы точку зрения вы ни выбрали, классическую или квантовую. Это означает, в частности, что упрощенное квантовое описание (когда фотон поглощается, а затем повторно излучается любым данным атомом) вводит в заблуждение. Фотон рассеивает все атомы одновременно, с соответствующими фазовыми сдвигами, и именно интерференция всех таких процессов вместе с исходной волной выглядит как замедление. Вы сказали это, но я чувствую, что эта ключевая мысль теряется в середине вашего текста.
Да, это стоит подчеркнуть. Эффект замедления на самом деле возникает из-за распределенной, волнообразной части поведения фотона (или того факта, что фотон является возбуждением расширенной моды электромагнитного поля, если вы хотите выразить это на этом языке), и коллективного эффекта всех возможных путей рассеяния.
В классическом случае наблюдаемый импульс фотона в веществе равен н раз больше, чем в вакууме. Имеет ли это смысл в квантовой теории?
Вопрос о том, каков импульс фотона внутри материала с показателем преломления n, сложен и тонок. Можно привести разумные аргументы, что она должна быть в n раз больше, чем в вакууме, а также что она должна быть в n раз меньше. Также были проведены эксперименты, соответствующие каждому из них. Несколько лет назад была статья, в которой утверждалось, что это можно решить, показав, что каждая из них действительна в определенном режиме, но я не могу найти ее прямо сейчас.
Всего несколько месяцев назад была статья: Stephen M. Barnett, Resolution of the Abraham-Minkowski Dilemma, Phys. Преподобный Летт. 104, 070401 (2010).
Интересно, если рассматривать фотон как квазичастицу, являющуюся элементарным возбуждением среды, не проще ли ответить на этот вопрос? Я имею в виду, что тогда естественно говорить о коллективных модусах. Кстати, в вакууме она остается квазичастицей.
Мне кажется, что использование языка поглощения и повторного рассеяния на отдельных атомах вводит в заблуждение, поскольку оно относится к потенциальной модели КМ. Если бы фотон был поглощен, ему понадобилась бы соответствующая линия, а затем он мог бы повторно излучаться на другой длине волны или в каскаде. По моему мнению, фотон квантово-механически взаимодействует со всем «кристаллом», сложным многовариантным образом, не решаемым аналитически, кроме как приближениями. Взаимодействие принимает дельта (t), что создает замедление.
Если стекло имеет любую толщину, один фотон после некоторого рассеяния будет поглощен с большой вероятностью. Некоторые из них будут переизлучаться. Сделайте его тоньше. Если вы не находитесь достаточно близко к 0 Кельвина, вероятно, у вас все равно будет некоторое тепловое излучение, снизьте температуру до доли градуса Кельвина, и в течение короткого периода времени случайное излучение может стать маловероятным. Разместите детекторы фотонов снаружи и пусть они засекут время. Вы получите PDF времен, таким образом, скорости. Будет ли эта плотность вероятности иметь пик при некоторой средней скорости, связанной с n, или будет иметь большую дисперсию, т. е. фотон будет взаимодействовать с некоторыми или со всеми атомами?
Описание замедления на уровне волны QM EM верное. Хотя на уровне отдельных фотонов поглощение и переизлучение происходят мгновенно. Итак, что может вызвать отставание? Если вы проведете достаточно экспериментов с поглощением/переизлучением, вы увидите, что для поглощения/переизлучения требуется возбужденное состояние электрона/атома, и что СРЕДНЕЕ время жизни возбужденного состояния составляет 10^-8 секунд (то есть для атома H , она будет варьироваться в зависимости от типа атома среды).
Теперь, если вы считаете, что среда (стекло) имеет толщину в миллиарды атомов, отдельные фотоны должны будут поглощаться/переизлучаться с такой величиной, миллиарды раз, и в этом случае СРЕДНЕЕ время жизни возбужденного состояния составляет 10 ^ -8 секунд в сумме составят количество времени, которое заметно замедлит электромагнитную волну в целом, стадо фотонов. Чем плотнее среда, тем больше замедление, и это то, что не обсуждается в объяснении коллективных КМ электромагнитных волн. Но на индивидуальном уровне это объясняется величиной количества поглощения/переизлучения.
А величина числа СРЕДНЕГО времени жизни возбужденного состояния 10^-8сек сложится, и объяснит именно то, что чем плотнее среда, тем больше показатель преломления, и тем больше число поглощений/повторений. выбросы и тем больше замедление на стаде.
Так что есть небольшое отставание от атома к атому. Следовательно, эта небольшая задержка должна проявляться как замедление скорости света ВНУТРИ среды: Но скорость света остается постоянной внутри среды.
Как фотон проходит сквозь стекло?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v