Lichtausbreitung in transparenten Medien: Absorption und Reemission oder Streuung?

Auf diese Frage gibt es keine eindeutig richtige Antwort, weil sie im Sinne des logischen Positivismus nicht gut gestellt ist: Was ist der Unterschied zwischen den beiden Prozessen? Es gibt keine Möglichkeit zu sagen, was passiert, wenn Sie den Zwischenzustand nicht mit einer Messung vermasseln.

Wenn Sie dies im Sinne einer Quantenfeldtheorie mit gegebenen Feldern und Wechselwirkungen und asymptotischen Zuständen meinen, dann können Sie fragen, wie die Prozesse in einer Feynman-Beschreibung erscheinen. Der Streuprozess in der QED ist immer zweistufig, die Absorption und Emission sind getrennte Raumzeitpunkte. Aber die Emission kann der Absorption sowohl in Koordinatenzeit als auch in Eigenzeit entlang der Weltlinie des Elektrons vorausgehen, also sollten Sie „emittiert und dann absorbiert“ in die Liste der Möglichkeiten aufnehmen.

Licht muss nicht resonant sein, um an einem Atom zu streuen. Die Menge an Streuung/Emissions-Reabsorption ist außerhalb der Resonanz kleiner. Eine Lichtwelle ist auch ein langes kohärentes Feld, und dieses Feld kann durch die Emissions-Reabsorption einen Phasenstoß erhalten, was dazu führt, dass die Phasengeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit wird.

Die Frage "wie kommt es, dass sich die Phasen kohärent addieren" wird durch zwei Dinge angegangen: Es gibt einen großen Unterschied zwischen den Atomen und der Lichtwellenlänge. Jedes Atom streut das Licht unabhängig und zufällig in sphärische Wellen, die sich kohärent in der ursprünglichen Richtung addieren, nur um die Phasengeschwindigkeit um einen konstanten Betrag zu ändern.

Es gibt keine Streuung von der Masse eines perfekten Kristalls für lange Wellenlängen, da es immer noch eine diskrete Translationsinvarianz gibt, was bedeutet, dass der Impuls bis zu großen Sprüngen erhalten bleibt und die großen Sprünge Wellen mit der falschen Frequenz für ausreichend lange Wellenlängen erzeugen. Aber es gibt diskrete Impulsadditionen, die für einen kurzwelligen Röntgenstrahl in einem Atomkristall zulässig sind, und wenn der Photonenimpuls aufgrund der Kohärenz in einer anderen Richtung unterschiedlich, aber mit der gleichen Frequenz herauskommt, nennt man das Beugung.

Wenn Sie in einem Kristall streuen möchten, müssen Sie Defekte mit einer guten Menge an zufälliger Variation in einem Feld von der Größe einer Wellenlänge streuen. Wenn Sie eine Flüssigkeit streuen, müssen Dichteschwankungen in ähnlicher Weise in einer Wellenlänge aussagekräftig sein. Dies ist für blaues Licht einfacher als für rotes Licht, daher streuen transparente Flüssigkeiten Blau.

Ein Laserstrahl, der durch transparentes Glas geht, verliert keine Energie (oder Impuls), folglich gibt es keinen Grund dafür, dass er inkohärent wird. Dies hängt aber nicht direkt mit der Frage zusammen, ob es sich um Streuung oder Absorption und verzögerte Emission handelt.

Es ist schwierig, das, was auf einer Photon-für-Photon-Basis passiert, mit dem in Beziehung zu setzen, was in der klassischen Grenze passiert. Sie wissen, dass Licht, das durch Glas wandert, verlangsamt wird, und es scheint, dass dies auf eine Verzögerung zwischen Absorption und Emission zurückzuführen sein muss, und ich nehme an, dass dies zu implizieren scheint, dass es bei der Quantenanalyse eine Verzögerung zwischen Absorption und Emission geben muss die Situation.

Die "Quantenmechanik" ist auf Situationen beschränkt, in denen die Teilchen weder erzeugt noch zerstört werden; dies kann Absorption und Emission nicht umfassen. Und es ist nicht so einfach mit einer großen Anzahl von Teilchen im gleichen Zustand (wie es bei einem Laser der Fall ist). Die allgemeinere "Quantenfeldtheorie" erlaubt die Erzeugung und Vernichtung von Teilchen (Photonen), also ist dies angemessen.

Die Quantenfeldtheorie, die für Photonen gilt, die mit Elektronen (Atome) wechselwirken, ist die Quantenelektrodynamik (QED). In dieser Theorie ist die Geschwindigkeit von Photonen zufällig; sie müssen nicht mit Geschwindigkeit c fahren. Es ist also möglich, dass ein QED-Problem ein verzögertes Photon ohne Verzögerung zwischen Absorption und Emission hat (aber die Durchschnittsgeschwindigkeit ist meines Wissens nach immer noch c).

Ein Kristallgitter (oder ein anderes festes Gitter) enthält eine große Anzahl von Atomen. Was bestimmt, ob ein Photon absorbiert werden kann oder nicht, ist, ob das Kristallgitter eine verfügbare Schwingung hat, die der Energie, dem Impuls und dem Drehimpuls des einfallenden Photons entspricht. Wenn dies der Fall ist, absorbiert der Festkörper dieses Photon und ist bei dieser Frequenz nicht transparent.

Wenn ein Photon eine Energie hat, die nicht mit dem Kristallgitter kompatibel ist, muss es seine Energie anpassen, indem es Energie borgt. Dies kann nur für eine gewisse Zeit geschehen$\Delta E\;\Delta t \approx \hbar$. Man vermutet, dass Energien wo sind$\Delta E$klein ist, sollte eine langsamere Lichtgeschwindigkeit haben (größerer Brechungsindex).