Какова скорость фотона внутри диэлектрика?

Фотон в диэлектрике — квазичастица, т. е. коллективная мода. Многие атомы (заряды) участвуют в создании такой волны когерентным образом. Так что эта волна может распространяться медленнее, чем в вакууме.

Я представляю, что один из моих студентов задает мне этот очень интересный вопрос. Вот как я попытался бы объяснить это ей / ему, без использования сложной математики и понятий, связанных с «экранирующими токами», механизмами Хиггса и т. Д.

Известно, что материя большей частью представляет собой пустое пространство (вакуум) между атомами. Следовательно, хотя фотоны могут сталкиваться с различными «препятствиями» внутри любого прозрачного твердого тела, по мере того как они путешествуют через твердое тело от атома к атому, они делают это с нормальной скоростью света, какой мы ее знаем.$c=3\times 10^8 ms^{-1}$. Однако существуют процессы (препятствия), которым подвергаются фотоны по мере их движения. Они имеют квантово-механическое происхождение и могут быть:

(i) поглощение атомом и последующее переизлучение этим атомом

(ii) Комптоновское рассеяние на электронах в материале.

(iii) Фотоэлектрический эффект

(iv) Возбуждение колебательных мод в твердом теле, что подразумевает фононное возбуждение и, следовательно, преобразование энергии в тепло.

Процессы, включающие поглощение и переизлучение, — это процессы, которые распространяют фотон, путешествующий в твердом теле, и они могут не изменять его частоту. Однако эти процессы характеризуются временем возбуждения и релаксации. Они не происходят мгновенно. Поэтому, хотя фотон движется с нормальной скоростью света, когда он переизлучается, он задерживается, потому что для этих переходов требуется время. Это приводит к эффективной скорости света внутри материала, которая макроскопически представлена ​​​​диэлектрической проницаемостью материала, т. Е. Мы можем написать$\epsilon=\epsilon_0\epsilon_r$. Эти процессы как бы изменяют электрическую проницаемость пространства, но на самом деле это коллективное явление конденсированного состояния. Поэтому частота света не меняется, как можно было бы ожидать. В чрезвычайно плотных материалах, таких как некоторые конденсаты бозонов, эффективная скорость света настолько мала, что вы можете «наблюдать» свет, распространяющийся через материал, подобно тому, как вы наблюдаете, как молоко рассеивается в вашем чае (или кофе), так сказать. .

Вот практическая аналогия, которая, я надеюсь, поможет моему ученику кое-что понять о процессах в материалах и их влиянии на их оптические свойства:

Практический пример Представьте себе две цепочки людей, в цепочке 1 1000 человек, а в цепочке 2 тоже 1000. Теперь представьте, что вы даете один теннисный мяч (это «фотон») первому человеку в каждой цепочке и приказываете ему передать мяч следующий человек и так далее. Как только мяч покидает любого человека в любой цепочке, он движется с одинаковой скоростью c. Однако представьте, что люди в цепочке 2 медленнее передают мяч, чем люди в цепочке 1 . В результате мяч будет медленнее достигать другого конца в цепочке 2 . По сути, скорость «света» в цепочке 2 меньше , чем в цепочке 1 .

Вывод: фотоны движутся со скоростью света c между атомами внутри материала, но процессы распространения (поглощение, переизлучение и т. д.) создают впечатление, будто оно замедляется.