Преломление света

Цитата: СОВ от 23.03.2019 10:45:50Вопрос: какого рода взаимодействие происходит между светом и прозрачной средой?

Цитата: СОВ от 23.03.2019 10:45:50

 

Фотон поглощается, и через небольшое время излучается с той же самой энергией в том же самом направлении. Суммарное время задержек добавляется к времени, необходимому для прохождения данного расстояния в среде, и воспринимается как уменьшение эффективной скорости света.

• +0.07 / 4

Цитата: Senya от 23.03.2019 11:27:20Фотон поглощается, и через небольшое время излучается с той же самой энергией в том же самом направлении. Суммарное время задержек добавляется к времени, необходимому для прохождения данного расстояния в среде, и воспринимается как уменьшение эффективной скорости света.

Цитата: Senya от 23.03.2019 11:27:20

 

Небольшое время - это сколько? Принято считать (так в учебниках про возбужденные состояния атомов написано), что атом находится в возбужденном состоянии порядка единиц наносекунд. Например:
 
В университетском курсе квантовой механики расчет таких процессов начинают с простейшего классического примера — возбужденного состояния атома водорода, в котором электрон находится на p-орбитали (состояние 2P). Такой электрон может легко излучить фотон и спуститься в основное состояние (1S) — никаких особых препятствий для этого нет. Время жизни такого возбужденного состояния как раз составляет τ (2P → 1S) ≈ 1,6 нс.
 
Какое расстояние пройдет свет (300 000 000 м/с) за 1,6 с^-9? Полметра. Если свет, проходя прозрачный материал толщиной 0.5 м, поглотится/переизлучится всего один раз, его скорость замедлится в 2 раза. Если же свет поглотится/переизлучится один раз за каждый миллиметр, то его скорость замедлится в 500 раз. Но есть все основания полагать, что свет взаимодействует с атомами намного чаще - если не с каждым атомом на своем пути, то не реже, чем с каждым десятым (не помню, где встречалась подобная оценка, давно об этом читал). Напоминаю, что расстояния между атомами - порядка единиц ангстрема, т.е. десятые доли нанометра. То есть свет должен поглощаться/переизлучаться не реже, чем каждые 5 нм - 10⁸ раз за пресловутые полметра. 
 
Итак - Вы уверены, что поглощение и переизлучение фотонов атомами способно объяснить уменьшение скорости света в веществе (прозрачном)?
 
Далее, Вы уверены, что поглощенный свет обязан переизлучаться всегда с точно той же длиной волны/частотой? Спектр поглощения говорит о противоположном - свободно проходят через вещество только фотоны с такой длиной волны, которые в нем не поглощаются.

• +0.04 / 3

Цитата: Yuri Rus от 24.03.2019 02:08:52Небольшое время - это сколько? Принято считать (так в учебниках про возбужденные состояния атомов написано), что атом находится в возбужденном состоянии порядка единиц наносекунд. Например:
 
В университетском курсе квантовой механики расчет таких процессов начинают с простейшего классического примера — возбужденного состояния атома водорода, в котором электрон находится на p-орбитали (состояние 2P). Такой электрон может легко излучить фотон и спуститься в основное состояние (1S) — никаких особых препятствий для этого нет. Время жизни такого возбужденного состояния как раз составляет τ (2P → 1S) ≈ 1,6 нс.
 
Какое расстояние пройдет свет (300 000 000 м/с) за 1,6 с^-9? Полметра. Если свет, проходя прозрачный материал толщиной 0.5 м, поглотится/переизлучится всего один раз, его скорость замедлится в 2 раза. Если же свет поглотится/переизлучится один раз за каждый миллиметр, то его скорость замедлится в 500 раз. Но есть все основания полагать, что свет взаимодействует с атомами намного чаще - если не с каждым атомом на своем пути, то не реже, чем с каждым десятым (не помню, где встречалась подобная оценка, давно об этом читал). Напоминаю, что расстояния между атомами - порядка единиц ангстрема, т.е. десятые доли нанометра. То есть свет должен поглощаться/переизлучаться не реже, чем каждые 5 нм - 10⁸ раз за пресловутые полметра. 
 
Итак - Вы уверены, что поглощение и переизлучение фотонов атомами способно объяснить уменьшение скорости света в веществе (прозрачном)?
 
Далее, Вы уверены, что поглощенный свет обязан переизлучаться всегда с точно той же длиной волны/частотой? Спектр поглощения говорит о противоположном - свободно проходят через вещество только фотоны с такой длиной волны, которые в нем не поглощаются.

Цитата: Yuri Rus от 24.03.2019 02:08:52

 

Водород тут не показателен ни разу, т.к. его электронная оболочка прямо скажем уникальна. Время жизни возбужденных состояний может меняться от пикосекунд в разных кремневидных образзцах до миллисекунд в лазерных средах. 
С другой стороны, не каждый электрон может схавать квант и потом его вернуть не сильно похудевшим (среду договорились считать прозрачной) — если есть подходящие переходы, то чтоб не было покраснения переход должен быть чуток ниже энергии кванта. А, вот, с учетом флуктуаций электронных состояний энергии оказывается достаточно, и вперде.. так, вот, эти флуктуации могут сильно снизить сечение поглощения и, соответственно, число таких актов.
Некогда умные книжки листать, а сам сейчас не вспомню как оно там по-человечески описывается..

• +0.03 / 1

Цитата: rommel.lst от 24.03.2019 13:42:09Водород тут не показателен ни разу, т.к. его электронная оболочка прямо скажем уникальна. Время жизни возбужденных состояний может меняться от пикосекунд в разных кремневидных образзцах до миллисекунд в лазерных средах. 
С другой стороны, не каждый электрон может схавать квант и потом его вернуть не сильно похудевшим (среду договорились считать прозрачной) — если есть подходящие переходы, то чтоб не было пораснения переход должен быть чуток ниже энергии кванта. А, вот, с учетом флуктуаций электронных состояний энергии оказывается достаточно, и вперде.. так, вот, эти флуктуации могут сильно снизить сечение поглощения и, соответственно, число таких актов.
Некогда умные книжки листать, а сам сейчас не вспомню как оно там по-человечески описывается..

Цитата: rommel.lst от 24.03.2019 13:42:09

 

 
Пусть пикосекунда. Пусть даже фемтосекунда. Все равно это слишком долго. За 1 пкс свет проходит 0.3 мм (миллион атомов), за 1 фс - 0.3 µм (тысяча атомов). Это слишком много.
 
Нужно "время задержки" на взаимодействие с 1 атомом порядка аттосекунд - 10^-18 с. Может поглощение-переизлучение это обеспечить? Не думаю.

• +0.03 / 1

Цитата: Yuri Rus от 24.03.2019 14:19:27Пусть пикосекунда. Пусть даже фемтосекунда. Все равно это слишком долго. За 1 пкс свет проходит 0.3 мм (миллион атомов), за 1 фс - 0.3 µм (тысяча атомов). Это слишком много.
 
Нужно "время задержки" на взаимодействие с 1 атомом порядка аттосекунд - 10^-18 с. Может поглощение-переизлучение это обеспечить? Не думаю.

Цитата: Yuri Rus от 24.03.2019 14:19:27

 

Не каждый атом может поглотить с переизлучением конкретный квант. Я же написал выше - для обеспечения прозрачности (т.е. энергия/ч-та поглощенного равна энергии переизлученного) нужно выполнить условие того, чтоб часть энергии кванта не пошла в тепло. Иначе среда начнет жрать кванты, избирательно фильтруя проходящий свет. Далеко не каждый атом в нужный момент может обеспечить поглощение, потому и вероятность поглощения резко ниже тривиальной цифры полученной из плотности частиц в слое.

• +0.00 / 0

Цитата: rommel.lst от 24.03.2019 15:28:24Не каждый атом может поглотить с переизлучением конкретный квант. Я же написал выше - для обеспечения прозрачности (т.е. энергия/ч-та поглощенного равна энергии переизлученного) нужно выполнить условие того, чтоб часть энергии кванта не пошла в тепло. Иначе среда начнет жрать кванты, избирательно фильтруя проходящий свет. Далеко не каждый атом в нужный момент может обеспечить поглощение, потому и вероятность поглощения резко ниже тривиальной цифры полученной из плотности частиц в слое.

Цитата: rommel.lst от 24.03.2019 15:28:24

 

 
Цифру назовите. Фотоны, распространяющиеся в жидкости или тв. теле, поглощаются одним из миллиона атомов? Одним из миллиарда? Из тысячи? Из десяти?

• +0.00 / 0

Цитата: Yuri Rus от 24.03.2019 15:41:24Цифру назовите. Фотоны, распространяющиеся в жидкости или тв. теле, поглощаются одним из миллиона атомов? Одним из миллиарда? Из тысячи? Из десяти?

Цитата: Yuri Rus от 24.03.2019 15:41:24

 

Чтоб цифру получить книжки листайте, а не меня пытайте.

У непрозрачного тела слой в котором падающие кванты поглощаются - это микроны-десятки-микрон. Тот же скин-слой в проводниках, например. И там как раз рулят ваши умозаключения о том, что частиц много и схавают они все практически мигом.. но там в полосе поглощения как раз у электронов много переходов с энергией, чуть меньшей энергии кванта.

• +0.02 / 1

Цитата: rommel.lst от 24.03.2019 15:54:18Чтоб цифру получить книжки листайте, а не меня пытайте.

У непрозрачного тела слой в котором падающие кванты поглощаются - это микроны-десятки-микрон. Тот же скин-слой в проводниках, например. И там как раз рулят ваши умозаключения о том, что частиц много и схавают они все практически мигом.. но там в полосе поглощения как раз у электронов много переходов с энергией, чуть меньшей энергии кванта.

Цитата: rommel.lst от 24.03.2019 15:54:18

 

 
Понятно. Что и ожидалось, собстно. В книжках всегда и везде замедление света в веществе, что с позиции поглощения-переизлучения, что с волновой позиции (атомы, до которых доходит фронт волны, сами становятся источниками волн), описываются сугубо качественно, без малейшей количественной оценки. См., например, Фейнмана.
 
Простейшие же попытки количественного подхода показывают, что это не работает. На много порядков разница.

• +0.03 / 1

Цитата: Yuri Rus от 24.03.2019 16:28:34Понятно. Что и ожидалось, собстно. В книжках всегда и везде замедление света в веществе, что с позиции поглощения-переизлучения, что с волновой позиции (атомы, до которых доходит фронт волны, сами становятся источниками волн), описываются сугубо качественно, без малейшей количественной оценки. См., например, Фейнмана.
 
Простейшие же попытки количественного подхода показывают, что это не работает. На много порядков разница.

Цитата: Yuri Rus от 24.03.2019 16:28:34

 

товремя  кое вы привели это внеротяность спонтанного излусения....вероятность индуцированного процесса в N раз больше чем спонтанного, где N -число квантов в данном состоянии . В луче этих квантов в одном состоянии как собак нерезанных...скажем 10^10 и на 10 порядков скорашаяется время переиздучения...да ттам вам камерады правильно ббратили внимание , что среда прохрачная потому и прозрачная, что слабо взаимодействует с падающим светом оптисеского  диапазона - то есть малы вероятности возбуждения из основного состояния типичного рассевающего кластера в возбужденное ...(коли речь зашла о воде - то надо рассматривать не атомы водорода, а кластеры жидкой воды) 

• +0.00 / 0

Цитата: Yuri Rus от 24.03.2019 02:08:52Небольшое время - это сколько? Принято считать (так в учебниках про возбужденные состояния атомов написано), что атом находится в возбужденном состоянии порядка единиц наносекунд. Например:
 
В университетском курсе квантовой механики расчет таких процессов начинают с простейшего классического примера — возбужденного состояния атома водорода, в котором электрон находится на p-орбитали (состояние 2P). Такой электрон может легко излучить фотон и спуститься в основное состояние (1S) — никаких особых препятствий для этого нет. Время жизни такого возбужденного состояния как раз составляет τ (2P → 1S) ≈ 1,6 нс.
 
Какое расстояние пройдет свет (300 000 000 м/с) за 1,6 с^-9? Полметра. Если свет, проходя прозрачный материал толщиной 0.5 м, поглотится/переизлучится всего один раз, его скорость замедлится в 2 раза. Если же свет поглотится/переизлучится один раз за каждый миллиметр, то его скорость замедлится в 500 раз. Но есть все основания полагать, что свет взаимодействует с атомами намного чаще - если не с каждым атомом на своем пути, то не реже, чем с каждым десятым (не помню, где встречалась подобная оценка, давно об этом читал). Напоминаю, что расстояния между атомами - порядка единиц ангстрема, т.е. десятые доли нанометра. То есть свет должен поглощаться/переизлучаться не реже, чем каждые 5 нм - 10⁸ раз за пресловутые полметра. 
 
Итак - Вы уверены, что поглощение и переизлучение фотонов атомами способно объяснить уменьшение скорости света в веществе (прозрачном)?
 
Далее, Вы уверены, что поглощенный свет обязан переизлучаться всегда с точно той же длиной волны/частотой? Спектр поглощения говорит о противоположном - свободно проходят через вещество только фотоны с такой длиной волны, которые в нем не поглощаются.

Цитата: Yuri Rus от 24.03.2019 02:08:52

 

Почему вы так решили? Излучение ведь может быть индуцированным, скажем поглотился фотон, следующий фотон может вызвать излучение и это может быть через промежуток времени сильно менее жизни возбуждённого состояния.

• -0.01 / 1

Цитата: Yuri__1964 от 26.03.2019 03:02:15Почему вы так решили? Излучение ведь может быть индуцированным, скажем поглотился фотон, следующий фотон может вызвать излучение и это может быть через промежуток времени сильно менее жизни возбуждённого состояния.

Цитата: Yuri__1964 от 26.03.2019 03:02:15

 

Допустим. Тогда скорость света в прозрачной среде должна зависеть от интенсивности света: чем больше интенсивность света, тем выше скорость света в среде. Для света очень низкой интенсивности, скорость света в среде должна быть крайне низкой. 
 
Ничего подобного не наблюдается. Напротив, даже единичные фотоны ведут себя так же, как и фотоны света высокой интенсивности. И вообще, квантовая механика утверждает, что волновое поведение фотонов (как и электронов, протонов) не зависит от интенсивности потока частиц. Так, например, даже единичные фотоны обладают волновыми свойствами, в частности, одновременно проходят через две щели, образуя интерференционную картинку.

• +0.03 / 1

Цитата: Yuri Rus от 26.03.2019 07:25:30Допустим. Тогда скорость света в прозрачной среде должна зависеть от интенсивности света: чем больше интенсивность света, тем выше скорость света в среде. Для света очень низкой интенсивности, скорость света в среде должна быть крайне низкой. 

Цитата: Yuri Rus от 26.03.2019 07:25:30

 

Не должен...Все наши устройства ,с коими мы работаем работаю в линейном режиме...

Цитата
 
Ничего подобного не наблюдается. Напротив, даже единичные фотоны ведут себя так же, как и фотоны света высокой интенсивности. И вообще, квантовая механика утверждает, что волновое поведение фотонов (как и электронов, протонов) не зависит от интенсивности потока частиц.

Одно из двух либо вы фантазируете относительно утверждений КМ либо приводите источник цитаты

Цитата
Так, например, даже единичные фотоны обладают волновыми свойствами, в частности, одновременно проходят через две щели, образуя интерференционную картинку.

И шо с того...

• +0.00 / 0

Цитата: СОВ от 23.03.2019 10:45:50Тут вот вдруг понял, что не понимаю, почему в прозрачных средах изменяется скорость света: ведь прозрачная среда означает, что свет на поглощается, но некие изменения в световой волне вроде бы однозначно показывают, что какое-то взаимодействие все таки есть. Насколько мне известно электромагнитное излучение взаимодействует с веществом только в виде фотонов. Вопрос: какого рода взаимодействие происходит между светом и прозрачной средой?

Цитата: СОВ от 23.03.2019 10:45:50

 

Сеня все объяснил с квантовой т.з. - там действительно квант поглащается атомом, в который он случайно "попадает", возбуждает его и потом возбужденный атом переизлучает квант, возвращаясь в основное состояние. В возбужденном состоянии он сидит некоторое время (для каждого атома время жизни возбужденного состояния свое), соответственно, и задержка у каждого вещества будет какая-то своя. Пока квант пройдет слой вещества, он несколько раз пройдет этот цикл.. В итоге, есть какая-то задержка прохождения слоя относительно времени прохождения вакуумного слоя такой же толщины.

С т.з. волновой теории, волна, заходящая в вещество приводит к смещению имеющихся внутри зарядов, которые имеют свою инерцию. Эти колебания зарядов распространяются по слою вещества, пока на выходе наружу последний слой зарядов не сгенерит перепад эл поля, формирующий выходящую волну.. У зарядов есть своя подвижность, и, соответственно, возникает задержка относительно слоя без зарядов..

• +0.09 / 4

Цитата: rommel.lst от 23.03.2019 11:55:15Сеня все объяснил с квантовой т.з. - там действительно квант поглащается атомом, в который он случайно "попадает", возбуждает его и потом возбужденный атом переизлучает квант, возвращаясь в основное состояние. В возбужденном состоянии он сидит некоторое время (для каждого атома время жизни возбужденного состояния свое), соответственно, и задержка у каждого вещества будет какая-то своя. Пока квант пройдет слой вещества, он несколько раз пройдет этот цикл.. В итоге, есть какая-то задержка прохождения слоя относительно времени прохождения вакуумного слоя такой же толщины.

С т.з. волновой теории, волна, заходящая в вещество приводит к смещению имеющихся внутри зарядов, которые имеют свою инерцию. Эти колебания зарядов распространяются по слою вещества, пока на выходе наружу последний слой зарядов не сгенерит перепад эл поля, формирующий выходящую волну.. У зарядов есть своя подвижность, и, соответственно, возникает задержка относительно слоя без зарядов..

Цитата: rommel.lst от 23.03.2019 11:55:15

 

 
В моем ответе Сене, я постарался при помощи простейших математических упражнений показать, почему "с квантовой т.з." (поглощение-переизлучение фотонов атомами) объяснить замедление света в веществе вряд ли возможно. Точнее, свет должен замедляться на 8-9 порядков сильнее, чем это происходит на самом деле.
 
Вас не затруднит проделать подобное (привести простейшие цифры) для Вашего варианта "с т.з. волновой теории"? Нужны не сугубо качественные рассуждения, а простейшие цифры, чтобы оценить порядок величин. 
 
Подозреваю, что подставив цифры, мы увидим, что теория замедления света в веществе, основанная на инерции зарядов, их подвижности, тоже предсказывает, что свет должен замедляться на несколько порядков сильнее, чем это имеет место быть.

• +0.03 / 1