¿Cuál es la velocidad de un fotón dentro de un dieléctrico?

Sabemos que las ondas EM se ralentizan en un dieléctrico. Pero, ¿a qué velocidad viajan los fotones que forman la onda?

¿Siempre viajan a la velocidad C , pero colisionar/ser absorbido y reemitido por las moléculas en el medio hace que la velocidad promedio de los fotones se reduzca?

¿O el campo electromagnético creado por la polarización en el material afecta de alguna manera a los fotones a nivel cuántico para darles masa? Si adquieren masa, ¿las fórmulas mi = ℏ ω y mi = γ metro C 2 ¿trabajar?

Supongo que no es absurdo que un campo electromagnético le dé masa a una partícula (después de todo, existe el famoso campo de Higgs), pero ¿qué tiene de especial el campo eléctrico producido por un dieléctrico polarizado? Por ejemplo, el campo eléctrico de una carga puntual no reduce la velocidad de la luz.

Los fotones se ralentizan debido a las colisiones de la misma manera que es difícil correr por una acera concurrida pero fácil correr por una vacía. Los fotones siempre se mueven a C .
@Qmechanic La respuesta principal a esa pregunta simplemente dice que la velocidad aparente de la luz es menor debido a las nebulosas "interacciones [de los fotones] con los átomos de los materiales". Las "interacciones" pueden ser cualquier cosa. ¿Estamos hablando de colisiones como en el modelo Drude? ¿O los fotones se absorben y luego se vuelven a irradiar? ¿O algo completamente diferente?
@Sandra: ¿También miró las 6 publicaciones vinculadas dentro de esa pregunta?

Respuestas (2)

El fotón en un dieléctrico es una cuasi-partícula, es decir, es un modo colectivo. Muchos átomos (cargas) participan en la creación de tal onda de manera coherente. Entonces esta onda puede propagarse más lentamente que en el vacío.

Me imagino que uno de mis alumnos me hace esta pregunta muy interesante. Así es como trataría de explicárselo a él/ella, sin el uso de matemáticas complejas y conceptos que involucran 'corrientes de detección' y mecanismos de Higgs, etc.

Se sabe que en su mayor parte la materia es espacio vacío (vacío) entre los átomos. Por lo tanto, aunque los fotones pueden estar sujetos a varios 'obstáculos' dentro de cualquier sólido transparente, mientras viajan a través del sólido, de átomo a átomo, lo hacen a la velocidad normal de la luz tal como la conocemos. C = 3 × 10 8 metro s − 1 . Sin embargo, hay procesos (los obstáculos) a los que están sujetos los fotones mientras viajan. Son de origen mecánico cuántico y estos pueden ser:

(i) absorción por un átomo y posterior reemisión por ese átomo

(ii) Dispersión Compton por electrones en el material.

(iii) Efecto fotoeléctrico

(iv) Excitación de modos de vibración en el sólido que implica excitación de fonones, por lo tanto, conversión de energía en calor.

Los procesos que involucran absorción y reemisión son los que propagan el fotón que viaja en el sólido, y estos pueden no cambiar su frecuencia. Sin embargo, estos procesos se caracterizan por su tiempo de excitación y relajación. No están ocurriendo instantáneamente. Por tanto, aunque el fotón viaja a la velocidad normal de la luz cuando es reemitido, se retrasa porque estas transiciones tardan en producirse. Esto da como resultado una velocidad efectiva de la luz dentro del material que se representa macroscópicamente por la constante dieléctrica del material, es decir, podemos escribir ϵ = ϵ 0 ϵ r . Es como si estos procesos cambiaran la permitividad eléctrica del espacio, pero en realidad es un fenómeno colectivo de la materia condensada. Por lo tanto, la frecuencia de la luz no cambia, como cabría esperar. En materiales extremadamente densos, como algunos condensados ​​de bosones, la velocidad efectiva de la luz es tan lenta que puede 'observar' la luz que se difunde a través del material de la misma manera que observa la leche que se difunde en su té (o café), por así decirlo. .

Aquí hay una analogía práctica, que espero que haga que mi estudiante entienda algo sobre los procesos en los materiales y los efectos que estos pueden tener en sus propiedades ópticas:

Ejemplo práctico Imagina dos cadenas de personas, la cadena 1 tiene 1000 personas y la cadena 2 también tiene 1000. Ahora imagina que le das una pelota de tenis (este es el 'fotón') a la primera persona de cada cadena y le indicas que pase la pelota a la siguiente persona y así sucesivamente. Una vez que la pelota sale de cualquier persona en cualquiera de las cadenas, va a la misma velocidad. c. Sin embargo, imagine que las personas de la cadena 2 son más lentas en el pase de la pelota que las personas de la cadena 1 . El resultado será que la bola llegará más lenta al otro extremo de la cadena 2 . Efectivamente, la velocidad de la 'luz' es más lenta en la cadena 2 en comparación con la cadena 1 .

Conclusión: Los fotones viajan a la velocidad de la luz c entre los átomos dentro del material, pero los procesos de propagación (absorción, reemisión, etc.) hacen que parezca que se ralentiza.

Pero por lo que entiendo, una onda EM es una colección de millones de fotones "coherentes", que la gente generalmente explica que significa que todos están "sincronizados" (¿no estoy seguro de que esto sea correcto?). Cuando un fotón es absorbido por un átomo, ¿no sería más tarde reemitido en una dirección aleatoria? Y si todos los fotones se vuelven a emitir en direcciones aleatorias, ¿no rompería esto la coherencia y destruiría la onda EM?
@Sandra No todos los EMW son coherentes. Probablemente estés hablando de luz LÁSER. Coherente significa que todos los componentes en el campo tienen la misma frecuencia y están en la misma fase, como un grupo de personas caminando al paso. Cuando se habla de absorción y reemisión, o cualquier interacción de partículas, el impulso se conserva, por lo que lo más probable es que el fotón se reemita en la dirección inicial sobre todas las direcciones, como en la dispersión de Compton. Pero sí, es posible, por otros mecanismos, tomar otra dirección o convertirse en calor o reflejarse. Así es como la luz se atenúa al atravesar la materia, incluso el vidrio.
La absorción y la emisión dan como resultado la aleatorización de la fase y la dirección; aunque pueden ocurrir en la mayoría de los materiales, no son el proceso responsable de la transmisión de una imagen coherente a través de un material transparente. En su lugar, mire la explicación dada por Richard Feynman en "QED: The Strange Theory of Light and Matter", que se basa en la dispersión coherente hacia adelante.
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