Распространение света в прозрачных средах: поглощение и переизлучение или рассеяние?

На этот вопрос нет однозначно правильного ответа, потому что он не совсем корректно поставлен с точки зрения логического позитивизма: в чем разница между двумя процессами? Невозможно сказать, что произойдет, если вы не испортите промежуточное состояние при измерении.

Если вы имеете в виду это в терминах некоторой квантовой теории поля с заданными полями, взаимодействиями и асимптотическими состояниями, то вы можете спросить, как процессы появляются в описании Фейнмана. Процесс рассеяния в КЭД всегда двухступенчатый, поглощение и излучение представляют собой отдельные пространственно-временные точки. Но испускание может предшествовать поглощению как в координатном времени, так и в собственном времени вдоль мировой линии электрона, поэтому в список возможностей следует включить «испущено, а затем поглощено».

Свет не обязательно должен быть резонансным, чтобы рассеяться на атоме. Величина рассеяния/эмиссии-реабсорбции меньше вдали от резонанса. Световая волна также является длинным когерентным полем, и это поле может приобретать фазовый толчок от испускания-реабсорбции, приводя к тому, что фазовая скорость становится больше скорости света.

Вопрос о том, «как получается, что фазы складываются когерентно», решается двумя вещами: существует большая разница между атомами и длиной волны света. Каждый атом независимо и случайным образом рассеивает свет в виде сферических волн, которые когерентно складываются в исходном направлении только для изменения фазовой скорости на постоянную величину.

Для длинных волн рассеяние от объема идеального кристалла отсутствует, потому что все еще существует дискретная трансляционная инвариантность, что означает, что импульс сохраняется вплоть до больших скачков, а большие скачки дают волны с неправильной частотой для достаточно длинных длин волн. Но есть дискретные добавления импульса, которые разрешены для коротковолнового рентгеновского излучения в атомном кристалле, и если импульс фотона получается другим, но с той же частотой из-за когерентности в другом направлении, это называется дифракцией.

Если вам нужно рассеяние в кристалле, вам нужно рассеивать дефекты, которые имеют большое количество случайных вариаций, в ящике размером с одну длину волны. Точно так же, если вы рассеиваете жидкость, вам нужно, чтобы флуктуации плотности имели смысл на одной длине волны. Для синего света это проще, чем для красного, поэтому прозрачные жидкости рассеивают синий цвет.

Лазерный луч, проходящий через прозрачное стекло, не теряет энергии (или импульса), следовательно, нет причин для того, чтобы он стал некогерентным. Но это не имеет прямого отношения к вопросу о том, есть ли рассеяние или поглощение и запаздывающее излучение.

Трудно связать то, что происходит от фотона к фотону, с тем, что происходит в классическом пределе. Вы знаете, что свет, проходящий через стекло, замедляется, и кажется, что это должно быть связано с задержкой между поглощением и испусканием, и я полагаю, что это, по-видимому, подразумевает, что должна быть задержка между поглощением и испусканием в квантовом анализе света. ситуация.

«Квантовая механика» ограничена ситуациями, когда частицы не создаются и не уничтожаются; это не может включать поглощение и излучение. И это не так просто с большим количеством частиц в одном и том же состоянии (как это происходит в лазере). Более общая «Квантовая теория поля» допускает создание и уничтожение частиц (фотонов), так что это то, что подходит.

Квантовая теория поля, применимая к фотонам, взаимодействующим с электронами (атомами), называется квантовой электродинамикой (КЭД). В этой теории скорость фотонов случайна; им не нужно двигаться со скоростью c. Таким образом, в задаче КЭД возможен задержанный фотон без задержки между поглощением и испусканием (но средняя скорость все равно будет равна c, насколько я знаю).

Кристаллическая (или другая твердая) решетка содержит большое количество атомов. То, может ли фотон быть поглощен, зависит от того, имеет ли кристаллическая решетка доступную вибрацию, соответствующую энергии, импульсу и угловому моменту входящего фотона. Если да, то твердое тело поглотит этот фотон и не будет прозрачным на этой частоте.

Если фотон имеет энергию, несовместимую с кристаллической решеткой, он должен регулировать свою энергию, заимствуя энергию. Это может произойти только на время$\Delta E\;\Delta t \approx \hbar$. Предполагается, что энергии, где$\Delta E$мал, должен иметь меньшую скорость света (больший показатель преломления).