Каков механизм замедления света/фотонов в прозрачной среде?

Самый простой способ получить точное поведение — представить свет как классическую волну, взаимодействующую с атомами в твердом материале. Пока вы находитесь далеко от любой из резонансных частот соответствующих атомов, эта картина не так уж плоха.

Вы можете думать, что каждый из атомов подобен маленькому диполю, состоящему из некоторого положительного и некоторого отрицательного заряда, который движется вперед и назад нерезонансным световым полем. Будучи набором зарядов, которые ускоряются из-за ведущего поля, эти диполи будут излучать, создавая волны той же частоты, что и ведущее поле, но немного не в фазе с ним (поскольку диполь, возбуждаемый на частоте, отличной от его резонансной частота будет немного не в фазе с управляющим полем). Полное световое поле в материале будет суммой поля движущегося света и поля, создаваемого колеблющимися диполями. Если вы немного разберетесь в математике, вы обнаружите, что это дает вам луч в том же направлении, что и первоначальный луч — волны, идущие в стороны, будут в основном деструктивно интерферировать друг с другом — с той же частотой, но с небольшой задержкой по сравнению с движущим полем. Эта задержка регистрируется как замедление скорости волны, проходящей через среду. Точная величина задержки зависит от особенностей материала, таких как точные резонансные частоты рассматриваемых атомов.

Пока вы не находитесь слишком близко к одной из резонансных частот, это дает вам действительно хорошее приближение эффекта (и «слишком близко» здесь — довольно узкий диапазон). Это работает достаточно хорошо, чтобы большинство людей, которые имеют дело с этими вещами, придерживались такой картины, а не говорили в терминах фотонов. Основная идея обращения с атомами как с маленькими диполями, между прочим, является вариантом «принципа Гюйгенса», который представляет собой общий метод для размышлений о том, как ведут себя волны.

Вот хорошее объяснение.

Думая о свете как о волне, вы можете видеть, что когда волна проходит через среду, ее длина волны немного возмущается (так же, как вы ожидаете изменения, когда волна возникает в воде и проходит через препятствие). . Следовательно, учитывая отношение$\lambda = v/f$, очевидно, что скорость должна измениться.

Фотоны взаимодействуют с веществом все время, когда проходят через среду. Только определенные частоты резонируют с электронными (или ротовибронными) уровнями в молекулах и вызывают возбуждение (таким образом, например, возникают цвета), но по большей части они представляют собой просто электромагнитные возмущения, которые все еще имеют эффект. Это взаимодействие замедляет распространение фотона вниз.