Warum bewegt sich das Licht in dichteren Medien langsamer? [Duplikat]

Wikipedia sagt, dass "im Allgemeinen der Brechungsindex eines Glases mit seiner Dichte zunimmt". Und der Brechungsindex von Wasserdampf ist geringer als der von Eis und sogar geringer als der von flüssigem Wasser. Gibt es dafür eine einfache Erklärung?

Licht ist am schnellsten im Vakuum, dem Medium mit der geringsten Dichte im Universum.
Kerosin ist leichter als Wasser, aber Licht bewegt sich darin schneller.

Antworten (2)

Das einfachste Bild ist, dass sich Licht immer mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt. Aber in einem Material bewegt es sich mit Lichtgeschwindigkeit, bis es auf ein Atom trifft. Es wird dann absorbiert und in die gleiche Richtung wieder emittiert, was nur wenig Zeit in Anspruch nimmt.
Je häufiger dies geschieht, desto langsamer wird die effektive Durchschnittsgeschwindigkeit.
Je dichter das Material, desto mehr Atome sind im Weg.

Tolle Erklärung.
Die Erklärung ist nur scheinbar. In der klassischen EM-Theorie gibt es keine Zeitverzögerung zwischen der Wechselwirkung einer externen EM-Welle mit Ladungen und der Emission einer sekundären EM-Welle, beide treten gleichzeitig auf.
Durch welchen Mechanismus wird das Licht absorbiert? Kein atomarer Elektronenübergang, da die Wiederemission sicherlich die Frequenz und damit die Farbe ändern würde.

Dies ist ein ziemlich subtiles Problem. Die Ladungen im Medium erzeugen sekundäre sphärisch expandierende EM-Wellen, wenn sie von der Primärwelle getroffen werden (externe Kräfte). Es gibt eine immense Anzahl dieser sekundären Wellen. An jedem Punkt des Raums hat jede Sekundärwelle einen leicht unterschiedlichen Wellenvektor. In einem ausreichend dichten Medium addieren sich diese Sekundärwellen so zur Primärwelle, dass die resultierende Welle ein Verhalten aufweist, das gut durch eine einzelne makroskopische Welle derselben Frequenz und (normalerweise) derselben Richtung, aber (für die meisten Frequenzen) mit beschrieben wird eine reduzierte Wellenlänge.

Ein gemeinsames Bild, das durch Erfolge der Dispersionstheorie gestützt wird, ist das der Relation J ( T ) = C E ( T − Δ T ) gilt, wo C , Δ T sind einige mittlere Eigenschaftskonstanten, die von der Frequenz der Welle abhängen, J ist Stromdichte und E ist das gesamte makroskopische elektrische Feld. Mit dieser Annahme implizieren die Maxwell-Gleichungen, dass die resultierende Welle im Medium eine modifizierte (normalerweise kürzere) Wellenlänge und damit eine geringere Geschwindigkeit hat (für ein bestimmtes begrenztes Frequenzintervall kann sie eine längere Wellenlänge und eine höhere Geschwindigkeit haben).

Diese Erklärung kann nicht stimmen. Sie geben an, dass "die resultierende Welle im Medium eine kürzere Wellenlänge und damit eine geringere Geschwindigkeit hat", aber dies ist falsch. Wenn Sie die Wellenlänge (oder die Frequenz, denn Frequenz = c / Wellenlänge) ändern, ändern Sie nur die Energie des Photons / der Lichtwelle (und damit die Farbe), nicht aber die Geschwindigkeit, die feststeht, solange sie gleich bleibt von mittel. Wie @arax feststellt, hängt diese feste Geschwindigkeit jedoch tatsächlich von der Art des Mediums ab und kann kleiner als c werden, aber ich kenne die richtige Erklärung nicht.
@PDiracDelta, die Frage betrifft den Brechungsindex. Der Brechungsindex ist das Verhältnis der Phasengeschwindigkeiten einer Welle in zwei Medien. Da die Frequenz in beiden Medien (lineare Medien) gleich ist und seit v = F λ bedeutet eine Abnahme der Wellenlänge eine Abnahme der Phasengeschwindigkeit v . Die Energie eines Photons oder einer Lichtwelle hat mit dieser Erklärung nichts zu tun.
Ich versuche zu verstehen, was Sie sagen, aber wenn nicht Licht, von welcher Art Welle sprechen Sie dann? AFAIK, ein Licht und eine EM-Welle sind dasselbe. Auch für mich ist Ihre Behauptung, dass die Frequenz gleich bleibt, nicht trivial.
Ich glaube, ich habe hier eine gute Erklärung gefunden: physical.stackexchange.com/a/476/51901 (diese Frage wurde jetzt anscheinend als Duplikat markiert)
Ich spreche von einer EM-Welle in einem materiellen Medium, das ein Modell einer Lichtwelle ist, aber der wichtige Teil dieser Erklärung ist die Beziehung des elektrischen Felds zur Stromdichte, nicht die Energie der Welle oder das Konzept eines Photons.
@JánLalinský Aber wie ist es möglich, dass Sekundärwellen existieren? Verstößt das nicht gegen den Energieerhaltungssatz?
@ado sar Das ist eine gute Frage. Wir wissen, dass Sekundärstrahlung existiert (aus Erfahrung) und wir glauben, dass Energie lokal erhalten bleibt (eine Extrapolation der Definition von Energie, die durch Erfahrung erlaubt ist). Manchmal scheint es, als ob das Vorhandensein einer Sekundärwelle in der Nähe eines beschleunigenden geladenen Objekts bedeutet, dass zusätzliche EM-Energie aus dem Nichts auftaucht (nicht von der Primärwelle). Aber das ist nur Verwirrung über das Konzept der EM-Energie und wie sie Regionen oder Teilchen zugeordnet werden kann.
@adosar EM-Energie kann entweder einem Raumbereich (wie es oft bei Poyntings Ausdrücken geschieht) oder einer Teilmenge (mindestens zwei) geladener Teilchen und einem Raumbereich (wie in Tetrode/Fokker/Frenkel/Feynman- Wheeler-Theorien von Punktteilchen), aber es kann im Allgemeinen keiner gegebenen Komponente des EM-Feldes zugeordnet werden, die den Maxwell-Gleichungen gehorcht (welche sekundäre EM-Welle ist). Wie auch immer die Sekundärwelle aussieht, EM-Energie + Materieenergie wird lokal konserviert.
@JánLalinský Danke für die Antwort. Aber ich verstehe es immer noch nicht. Betrachten wir eine Em-Welle, die mit einer einzelnen Ladung im Raum interagiert. Was mich stört, ist, wenn wir Licht als Photonen behandeln, muss die Gesamtzahl der Photonen, die auf die Ladung treffen, dieselbe sein, die nach der Wechselwirkung mit ihr herauskommt (Energieerhaltung). Aber wenn wir Licht als em-Welle behandeln, dann beginnt das (elektrische) Feld zu oszillieren, wenn es auf die Ladung trifft, und emittiert Strahlung. Aber breitet sich die anfängliche Em-Welle weiter aus wie eine Welle in einem See (z. B. wenn sie auf eine Kugel in der Oberfläche des Sees trifft)?
In der klassischen EM-Theorie gehorcht das EM-Feld linearen Gleichungen, sodass das Nettofeld nur eine Summe aus Primär- und Sekundärfeld ist. Das primäre Feld wird durch das sekundäre Feld nicht verändert, beide tragen zum gesamten EM-Feld bei. Wenn das Primärfeld eine ebene Welle ist, dann setzt es seinen Weg fort, ungestört von der Ladung oder seinem Feld. Das einzige, was die Ladung ändert, ist die erzeugte zusätzliche Feldkomponente.
Warum bewegt sich das Licht in dichteren Medien langsamer? [Duplikat]
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v