Welche Geschwindigkeit hat ein Photon in einem Dielektrikum?

Photon in einem Dielektrikum ist ein Quasiteilchen, dh es ist ein kollektiver Modus. Viele Atome (Ladungen) sind auf kohärente Weise an der Erzeugung einer solchen Welle beteiligt. Diese Welle kann sich also langsamer ausbreiten als im Vakuum.

Ich stelle mir vor, dass einer meiner Schüler mir diese sehr interessante Frage stellt. So würde ich versuchen, es ihr/ihm zu erklären, ohne die Verwendung komplexer Mathematik und Konzepte mit "Abschirmströmen" und Higgs-Mechanismen usw.

Es ist bekannt, dass Materie zum größten Teil leerer Raum (Vakuum) zwischen den Atomen ist. Obwohl Photonen in jedem transparenten Festkörper verschiedenen „Hindernissen“ ausgesetzt sein können, tun sie dies bei ihrer Reise durch den Festkörper von Atom zu Atom mit der normalen Lichtgeschwindigkeit, wie wir sie kennen$c=3\times 10^8 ms^{-1}$. Es gibt jedoch Prozesse (die Hindernisse), denen die Photonen auf ihrer Reise ausgesetzt sind. Sie sind quantenmechanischen Ursprungs und können sein:

(i) Absorption durch ein Atom und anschließende Reemission durch dieses Atom

(ii) Compton-Streuung durch Elektronen im Material.

(iii) Photoelektrischer Effekt

(iv) Anregung von Schwingungsmoden im Festkörper, was Phononenanregung impliziert, also Energieumwandlung in Wärme.

Die Prozesse, die Absorption und Reemission umfassen, sind diejenigen, die das Photon ausbreiten, das sich im Festkörper bewegt, und diese können seine Frequenz nicht ändern. Diese Prozesse sind jedoch durch ihre Anregungs- und Relaxationszeit gekennzeichnet. Sie finden nicht sofort statt. Obwohl sich das Photon bei der erneuten Emission mit normaler Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, wird es daher verzögert, da diese Übergänge einige Zeit in Anspruch nehmen. Daraus ergibt sich eine effektive Lichtgeschwindigkeit im Inneren des Materials, die makroskopisch durch die Dielektrizitätskonstante des Materials repräsentiert wird, dh wir können schreiben$\epsilon=\epsilon_0\epsilon_r$. Es ist, als ob diese Prozesse die elektrische Permittivität des Raums verändern, aber tatsächlich ist es ein kollektives Phänomen der kondensierten Materie. Daher ändert sich die Frequenz des Lichts nicht, wie man erwarten würde. In extrem dichten Materialien wie einigen Bosonkondensaten ist die effektive Lichtgeschwindigkeit so langsam, dass Sie das Licht „beobachten“ können, das durch das Material diffundiert, auf ähnliche Weise wie Sie beobachten, wie die Milch sozusagen in Ihrem Tee (oder Kaffee) diffundiert .

Hier ist eine praktische Analogie, von der ich hoffe, dass sie meinem Schüler etwas über Prozesse in Materialien und die Auswirkungen, die diese auf ihre optischen Eigenschaften haben können, verständlich macht:

Praktisches Beispiel Stellen Sie sich zwei Personenketten vor, Kette 1 hat 1000 Personen und Kette 2 hat ebenfalls 1000. Stellen Sie sich nun vor, Sie geben der ersten Person jeder Kette einen Tennisball (das „Photon“) und weisen sie an, den Ball zuzuspielen die nächste Person und so weiter. Sobald der Ball eine Person in einer der beiden Ketten verlässt, fliegt er mit der gleichen Geschwindigkeit c. Stellen Sie sich jedoch vor, die Personen in Kette 2 sind beim Passen des Balls langsamer als Personen in Kette 1 . Das Ergebnis wird sein, dass die Kugel das andere Ende in Kette 2 langsamer erreicht . Tatsächlich ist die Lichtgeschwindigkeit in Kette 2 im Vergleich zu Kette 1 langsamer .

Schlussfolgerung: Die Photonen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit c zwischen Atomen innerhalb des Materials, aber die Ausbreitungsprozesse (Absorption, Reemission usw.) erwecken den Anschein, als würden sie sich verlangsamen.