Geht Licht tatsächlich durch Glas?

Die kurze Antwort auf den Kern Ihrer Frage,

absorbieren die Partikel, aus denen das Glas besteht, die Wellen und emittieren sie in Vorwärtsrichtung? Oder schaffen es die Lichtwellen, ohne absorbiert zu werden, durch das Glas zu wandern und dann das Glas zu verlassen?

ist, dass beide Prozesse im Spiel sind, obwohl der Begriff „absorbieren“ wichtige Feinheiten beinhaltet. Das durchgelassene Licht wird durch die Interferenz des ursprünglichen Strahls und der Strahlung erzeugt, die durch die im Glas erzeugten Anregungen erzeugt wird, und es ist diese Interferenz, die die zusätzliche Phase erzeugt, die im Brechungsindex des Glases codiert ist und dann zur Phasengeschwindigkeit durchsickert und die Änderung der Wellenlänge.

Um zu sehen, warum das so ist, beginnt man am besten mit der makroskopisch-elektrodynamischen Beschreibung der Glasplatte, bei der das wesentliche Konzept das der Polarisationsdichte des Glases ist $\mathbf P$. Die Elektrodynamik ist eine lineare Theorie und sieht das Problem der Lichtausbreitung durch Glas als eine Überlagerung von zwei verschiedenen Quellen:

• der anfängliche Lichtstrahl, der sowohl an der Glasplatte als auch darüber hinaus vorhanden ist, und
• die Ladungsschwingungen, die der anfängliche Lichtstrahl im Glas anregt, die hauptsächlich (weil sie im Wesentlichen ein Phased Array sind ) in Richtung des anfänglichen Strahls emittieren.
• (Es gibt auch Oberflächenterme, die durch diese Ladungsoszillationen erzeugt werden, die Reflexionen an den Grenzen erzeugen, aber ich werde diese hier ignorieren.)

Das Feld nach der Glasplatte wird durch die Interferenz des Anfangsstrahls und der Strahlung erzeugt, die durch die oszillierenden Ladungen im Inneren des Glases erzeugt wird.

Hier ist jedoch das Wichtigste: Das Glas kann dieses Spiel aus induzierten Schwingungen und dann Emission ausführen, ohne überhaupt Energie zu absorbieren . Im eingeschwungenen Zustand sind die Ladungsschwingungen im Inneren des Glases genau 90° phasenverschoben zu dem elektrischen Feld, das sie antreibt, was bedeutet, dass die von ihnen abgegebene Nettoleistung in gleichen Mengen vom Fahrer eingebracht wird.

Wenn Sie jedoch weiter gehen und über Photonen sprechen wollen, müssen Sie etwas vorsichtiger sein. Wenn Sie sich das Licht als quantisiertes Objekt vorstellen, dann ist es ein quantisiertes Objekt, das an die Materie gekoppelt ist, durch die es sich bewegt: Mit anderen Worten, es ist eine gemeinsame Anregung des EM-Felds und der Ladungsschwingungen, die es erzeugt das Glas.

Im Wesentlichen wird das Photon also kurzzeitig zu einem Polariton , während es sich im Glas befindet – obwohl der Begriff im Allgemeinen für Situationen mit viel stärkerer Kopplung an resonante Energieniveaus reserviert ist, wo es eine beträchtliche Population in diesen angeregten Energieniveaus gibt (oder genauer gesagt , eine beträchtliche Wahrscheinlichkeitsamplitude der Erregung jedes einzelnen Emitters auf diese Energieniveaus) als das, was in einem alltäglichen dispersiven Dielektrikum passiert. In Glas ist die Anregungswahrscheinlichkeit (dh die "Wahrscheinlichkeit, dass das Atom ein Photon absorbiert hat") vernachlässigbar, soweit seine Beiträge zur inneren Energie gehen (daher wird es oft als "virtueller Übergang" bezeichnet).

Trotzdem müssen Sie natürlich immer noch das anfängliche bisschen Energie bereitstellen, um diese kleine Population in die angeregten Zustände zu bringen, und dies wird normalerweise von der Vorderflanke des Impulses genommen, während die monochromatische Situation aufgebaut wird ─ und in der Regel zurück in das Feld, wenn der Puls geht, solange das Medium transparent ist. (Natürlich bis zu einem gewissen Punkt - es gibt einige strenge Einschränkungen , wie dispersiv ein Medium sein kann, ohne Energie zu absorbieren. Es gibt jedoch viele transparente Medien, bei denen die Absorption extrem gering ist und dies vernachlässigt werden kann.)

Wenn eine Lichtwelle auf eine Glasscheibe trifft, absorbieren die Partikel, aus denen das Glas besteht, die Wellen und emittieren sie in Vorwärtsrichtung? Oder schaffen es die Lichtwellen, ohne absorbiert zu werden, durch das Glas zu wandern und dann das Glas zu verlassen?

Diese Antwort ist vom Standpunkt der Nicht-Quanten-EM-Theorie (keine Photonen).

Wenn diese Frage sinnvoll ist, müssen wir davon ausgehen, dass EM-Felder anhand ihrer Quelle unterschieden werden können. Dies mag in der Praxis unmöglich erscheinen, ist jedoch aufgrund der Linearität der Maxwell-Gleichungen eine mathematisch mögliche Annahme.

Dann lässt sich Ihre Frage so umformulieren: Hört das Primärfeld durch die Lichtquelle an der Glasoberfläche auf und ist von da an das Feld im Inneren des Glases das der Glaspartikel?

Die Antwort auf diese Frage ist definitiv nein . Der Hauptgrund ist, dass in der EM-Theorie mit der obigen Annahme der Identifikation des Feldes mit seiner Quelle das primäre Feld nicht durch andere Teilchen blockiert werden kann, die ihm in den Weg gestellt werden. Das Primärfeld in Form einer ausgehenden Welle bewegt sich einfach weiter, als ob überhaupt kein Glas da wäre, bestimmt durch Maxwells Gleichungen aus der Bewegung der Quellteilchen und der üblichen Annahme, dass Felder verzögert sind (oder eine andere Annahme, die die Lösung von herausgreift die Maxwell-Gleichungen im Einklang mit der Bewegung der Quellteilchen).

Andere Partikel wie die im Glas können mit diesem Feld interagieren und so ihre Bewegung ändern. Als Ergebnis dieser Wechselwirkung können sie ihr eigenes EM-Feld aussenden (Sekundärfeld) und somit das gesamte EM-Feld im Glas beeinflussen, das sich aus dem Primär- und dem Sekundärfeld zusammensetzt.

BEARBEITEN

Wenn die anderen Teilchen mit dem Primärfeld interagieren, können sie dann nicht die Energie daraus aufnehmen? Und wenn ja, können sie nicht die gesamte Welle absorbieren, bevor sie das Glas „verlässt“?

Die Partikel können Energie aus der EM-Feldenergie absorbieren, aber dies bedeutet nicht, dass die Primärwelle geändert werden muss (das kann nicht sein, da sie den Maxwell-Gleichungen mit Quelltermen gehorcht, die die Glaspartikel nicht enthalten). In der makroskopischen Theorie wird die Energiefrage wie folgt erklärt. Die EM-Energie in jeder Region ist eine Funktion des gesamten EM-Felds, sie kann nicht als Summe unabhängiger Beiträge aufgrund der oben definierten unabhängigen Felder (durch Verbindung zur Quelle) betrachtet werden. Mathematisch liegt das daran, dass EM-Energie „Wechselwirkungsterme“ enthält, von denen jeder von zwei abhängtFachrichtungen, in unserem Fall gibt es eine übergreifende Benennung für Primär- und Sekundärfach. Wir wissen, dass sich die EM-Energie ändern wird, da die Glaspartikel etwas Energie davon absorbieren. Aber während sie das tun, erzeugen sie ihr Sekundärfeld, das sich mit der Zeit ändert und die EM-Energie ändert. So ändert sich die EM-Energie in der Nähe der Glaspartikel, selbst wenn das Primärfeld so ist, als ob das Glas nicht da wäre. Der Wechsel ins Zweitfeld reicht.

Und wie kann sich die Primärwelle einfach weiterbewegen, als ob überhaupt kein Glas da wäre? Sicherlich interagieren auch die Partikel an der Oberfläche des Glases mit der Welle und absorbieren einen Teil davon?

Die Teilchen interagieren in dem Sinne, dass sie Kraft erfahren. Aber sie verändern die Primärwelle nicht direkt. Dies liegt daran, dass die Primärwelle per Definition den Maxwell-Gleichungen gehorcht, bei denen die Quellenterme (Ladung und Stromdichte) nur die der Lichtquelle sind, es gibt keinen Beitrag aufgrund der Glaspartikel.

Die Glaspartikel verändern das Gesamtfeld über ihr eigenes Feld (Sekundärfeld). Wir beobachten, dass dieses Gesamtfeld in der Amplitude abnimmt (und mit dem Wort „Absorption“ beschrieben wird), wenn sich die Welle in das Glasmedium ausbreitet.

Ein bisschen von beidem. Es ist unmöglich, dass jedes Photon von jedem Glasmolekül absorbiert wird, also passieren einige einfach den leeren Raum zwischen den Molekülen. Aber das Licht, das tatsächlich auf die Glasmoleküle trifft, absorbiert das Photon und gibt es in Vorwärtsrichtung wieder ab. Denken Sie an die Starrheit der atomaren Struktur, die es ihr erlaubt, genau die Energie freizusetzen, die sie erhält, und nicht Teile davon mit kinetisch energiereicheren Elektronen.

Ich glaube, Ihre Verwirrung rührt von der Tatsache her, dass die erste Referenz ein Bild aus der Quantenfeldtheorie (QFT) verwendet, während die zweite ein Bild aus der Quantenmechanik (QM) verwendet.

Bei der QFT darf sich das Elektron für eine „kurze“ Zeit Energie „leihen“. Daher kann es das Photon absorbieren, auch wenn das Glas keinen energetisch adäquaten elektronischen Zustand besitzt – ein adäquater elektronischer Zustand wäre ein Zustand, der die Energieerhaltung erfüllt. Allerdings ist es meines Erachtens nicht wirklich hilfreich, sich diesen QFT-Prozess als echte Absorption des Photons vorzustellen, sondern lediglich als Wechselwirkung zwischen Elektron und Photon. Wenn Sie dies tun, werden die beiden Bilder kohärent: Beide erklären, warum wir einen Brechungsindex erhalten$n$.