Cuando los fotones viajan a través del vidrio, su velocidad se reduce. Cuando salen del vidrio, por ejemplo, al vacío, su velocidad será mayor. ¿Qué les da la energía para acelerar?

Muchos tienen dificultades con causa y efecto. La refracción es el resultado de la luz que pasa a través de materiales de diferente densidad, que exhiben, matemáticamente hablando, diferentes índices de refracción.

No al revés.

La proporción de la velocidad se ve afectada por los índices de refracción, velocidad porque la longitud de onda cambia a medida que la inversa de la proporción de los índices tomados del material al que ingresa la luz, se divide por el índice del material del que proviene la luz. Esto, desde un vacío o aire, con aproximadamente la unidad para cualquier índice, entrando, digamos, BK-7, con un independiente de aproximadamente 1.5, la longitud de onda aumenta en un factor de aproximadamente 1.5. Dado que la energía disminuye a medida que aumenta la longitud de onda (la luz ultravioleta es más energética que la luz visible, que es más energética que la luz infrarroja), la luz en el cristal parece menos energética y, debido a la longitud de onda más larga, la luz se mueve más lentamente, a medida que avanza el ciclo, desde los frentes de onda al frente de onda lleva más tiempo que al frente de onda fuera del cristal.

Si la luz fuera visible, digamos un bonito azul de 430 nm, en el aire, en el cristal, aparecería 1.5×430 nm = 645 nm, que se encuentra entre el rojo anaranjado producido por un láser HeNe a 632 nm y la longitud de onda del puntero láser de diodo rojo sangre de ~ 650 nm, pero solo dentro del cristal! Para que lo veas, deberías estar incrustado en el vidrio, lo que puede ser menos divertido.

En el otro lado del cristal, la ecuación es la misma, pero el orden numérico se invierte cuando dejamos el cristal para el aire, y la longitud de onda vuelve a su estado original (430 nm, en este caso) y su velocidad vuelve al original. valores. Si el vidrio tiene lados planos paralelos, el ángulo y la velocidad serán los mismos, aunque el haz puede estar desplazado, dependiendo del ángulo de incidencia inicial. Si la luz es blanca y los lados de entrada ND de salida son diferentes, la salida tendrá dispersión, porque el índice depende de la longitud de onda. Si los lados son secciones de esfera, el vidrio actúa como un préstamo, todo debido a la ley de Snell y el ángulo de incidencia y la proporción de los senos de entrada y salida.

Pero la energía de la luz no cambia.

Lo que puede cambiar es el poder de la radiación EM, porque las interfaces no tratadas reflejarán la luz, con un promedio de 2 a 4 por ciento, incluso entonces, si se tiene en cuenta toda la luz reflejada, la potencia total permanece constante.

Centrarse en la aceleración es tanto un arenque rojo como un rastro de conejo: si realmente cambiara la velocidad de la luz en lugar del nivel de energía, podría generar luz dentro de un cristal de silicio, y al salir del cristal, iría más rápido que c, que no puede

Lo que hay que entender es que el efecto donde la velocidad de la luz en los materiales es menor es un efecto macroscópico que proviene de la suma de un montón de caminos complicados de fotones individuales en el micro nivel. Es un efecto agregado. Los fotones individuales no se reducen exactamente. Pero la cosa es que en los materiales, los fotones, que generalmente se mueven en una línea recta (est), no siempre tienen una ruta libre. La materia se interpone en el camino. Entonces, algunos fotones pasan directamente, mientras que otros chocan con los átomos y se desvían o absorben / retransmiten. Cuando sumas eso, un montón de fotones que envías a través del material tendrá, en promedio, su tiempo de tránsito multiplicado por un factor de n, el índice de refracción, de lo que sería al pasar a través de la misma distancia en el vacío . Pero en la microescala, en cada uno de los pequeños segmentos de camino entre colisiones con la materia, los fotones viajan a velocidad c.

Estás describiendo una consecuencia de la refracción de la luz; la velocidad de fase de la luz en un medio será la velocidad de la luz en el vacío dividida por el índice de refracción del medio,

[matemáticas] v_p = \ frac {c} {n} [/ matemáticas].

Sin embargo, la energía del fotón no depende de su velocidad de fase. Clásicamente, la energía de una onda EM es proporcional a su amplitud al cuadrado (independiente de la velocidad).

Desde una perspectiva cuántica, la energía del fotón viene dada por [math] E = h \ nu [/ math], donde [math] \ nu [/ math] es la frecuencia del fotón. Si bien la longitud de onda del fotón es proporcional a su velocidad, lo has adivinado, ¡la frecuencia del fotón es independiente de la velocidad! Este resultado se desprende de las condiciones de contorno de las ondas EM.

La energía de un fotón es igual a su frecuencia multiplicada por la constante de Planck. Su frecuencia no cambia a medida que pasa de un medio a otro, por lo tanto, tampoco cambia su energía.

Los fotones viajan a la velocidad de la luz (c) en el vacío. Cuando la luz entra en un medio como el vidrio, el haz de luz (compuesto de fotones) se ralentiza a velocidad de avance (v), la longitud de onda (λ) es más corta pero la frecuencia (υ) sigue siendo la misma. Como la frecuencia permanece constante en el medio, la luz no pierde energía de acuerdo con E = hυ. La velocidad de avance del haz de luz se reduce según el índice de refracción (n) del medio. Para el vidrio de sílex, n = 1.62, donde n en el vacío es la unidad, la velocidad de la luz en el vidrio es n = c / v, o v = c / n. Aquí el índice de refracción se define como la velocidad de la luz en un vacío dividida por la velocidad de la luz en un medio. Esta ecuación se puede ampliar usando (c = λυ), λυ / λ’υ ‘= c / v, (aquí υ = υ’), entonces λ / λ ‘= c / v, o λ / λ’ = n, λ ‘= n / λ. La longitud de onda del haz de luz en el medio es más corta en n / λ. Cuando la luz emerge del medio de vuelta al vacío, el estado de la luz es el mismo que antes de entrar, excepto por una disminución en la intensidad de acuerdo con la Ley de Beer, I = Io [exp] -cz, donde Io = intensidad original, c = coeficiente de atenuación total, donde c = a + b, a = absorción, b = dispersión, z = espesor del medio, 1 / c = una longitud de atenuación. En agua, n = 1.33, se hace difícil ver a otro buzo después de cuatro longitudes de atenuación. En aguas muy claras donde c = 0.1, cuatro longitudes de atenuación son 4 / 0.1 = 40 metros, ver Jerlov.

Esto es un poco más difícil. Básicamente, los fotones toman un camino más largo a través de la interacción con los electrones en el material. Se puede encontrar una explicación razonablemente explícita en el libro de Feynman sobre electrodinámica cuántica, que es bastante accesible.

MC Physics considera que los fotones son partículas de masa. En el vacío viajan sin obstáculos a la velocidad de la luz. A medida que pasan a través del vidrio, su progreso se ve obstaculizado por los átomos en el vidrio, por absorción y reemisión en c y / o por desviación (también conocida como dispersión). Por lo tanto, se toma un camino más largo a través del vidrio. Cuando los fotones existen en la superficie del vidrio, retienen su velocidad sin obstáculos.

-La luz cambia la longitud de onda a medida que pasa de un medio a otro porque cambia la velocidad a medida que ingresa al nuevo medio.

Dado que la aceleración es un cambio de velocidad, y dado que la luz viaja a una velocidad de 0.65 c en el vidrio y luego cambia a la velocidad c en el aire una vez que sale del vidrio, técnicamente se podría decir que la luz se acelera. Pero esto es muy engañoso. El término ” aceleración ” se usa generalmente para describir cómo los objetos con masa cambian de velocidad en respuesta a una fuerza. La luz no cambia de velocidad porque una fuerza la acelera.

Por lo tanto, cambia la velocidad porque está en un medio diferente, esto tiene más sentido si miras la luz como una onda y no como una partícula, para las ondas, la velocidad de propagación está determinada por las propiedades del medio o campo en el que viajan a través (es decir, qué tan bien retrocede el medio) , y no por la cantidad de fuerza que se aplica para acelerar el objeto, no se puede hacer que las ondas vayan más rápido al presionarlas.

Debido a que la luz es una onda, cambia instantáneamente la velocidad en el momento en que abandona el vidrio y entra al aire , no se le ocurre una partícula que de repente se rompe a una velocidad más rápida .

Más bien, es una ola que comienza a agitarse de manera diferente en el momento en que ingresa a un nuevo medio, ya que un cambio instantáneo en la velocidad corresponde a una aceleración infinita , como puede ver, aplicar el concepto de aceleración a las olas no es muy significativo, aunque las velocidades cambios

Entonces podemos decir que la velocidad de la onda de luz cambia tan instantáneamente como lo hace la transición del medio al vacío.

A medida que la luz viaja de un medio menos denso a un medio más denso (como del aire al vidrio), su velocidad disminuye , por lo que aumenta la longitud de onda . Es este cambio el que hace que la luz se doble

Ahora la velocidad de la luz no cambia realmente, porque la velocidad de la luz es una constante fundamental , sin embargo, lleva más tiempo pasar a través de un medio con un índice de refracción más alto, para esta explicación, podemos pensar en la luz como una partícula .

El índice de refracción está determinado por la densidad de un material, que cuando la luz pasa a través de un material de alta densidad (vidrio, por ejemplo), colisiona y se dispersa de las moléculas de vidrio.

Entonces, la luz en realidad no toma un camino recto a través del material, choca de molécula a molécula, en un material denso, hay más partículas en un volumen más pequeño, por lo que se golpea más y termina tomando una distancia más larga para El otro extremo del medio en comparación con un material menos denso.

Pero la velocidad de la luz de molécula a molécula siempre es c, pero nos gusta simplificarla para decir que viaja en la distancia más corta, pero a una velocidad diferente.

A diferencia de la materia “normal”, la energía de un fotón está determinada por su frecuencia, no por su velocidad. Véase, por ejemplo, la relación Planck-Einstein. La frecuencia no cambia cuando el fotón entra / sale del vidrio, por lo que tampoco cambia su energía.

No aceleran Los fotones viajan a la velocidad de la luz. El hecho es que los fotones que salen del otro lado del vidrio no son los mismos que entraron en el vidrio.

Cuando los fotones golpean el vidrio, se dispersan de los átomos en el vidrio, o más bien, son absorbidos por los átomos de vidrio, lo que induce una vibración del átomo, y luego la vibración hace que se emita un nuevo fotón en una dirección aleatoria. Hay un retraso entre cuando se absorbe el fotón y cuando se emite el nuevo.

No se requiere aceleración, porque el fotón no tiene masa.

Pero lo que realmente sucede es que los fotones siempre viajan a la velocidad de la luz. Es la onda de luz que termina propagándose más lentamente, como un conjunto de fotones que tienen interacciones complejas con el vidrio (colisiones, absorción, emisión).

No pienses en ello como ‘acelerando’. Piense en ello como disminuyendo la velocidad cuando pasa a través del cristal. La energía se conserva (almacena) en el campo eléctrico del vidrio, como el material dieléctrico de un condensador. En el vacío no hay material dieléctrico para almacenar la energía, por lo que es lo más rápido que la luz se irá. Lo que lo ralentiza es la reactancia capacitiva del material.

Aunque ya hay buenas respuestas, quizás podría simplemente comparar un fotón solo con el motor de un automóvil. Cuando un automóvil está a toda velocidad, la potencia del motor se utiliza por completo. Pero la potencia no se reduce cuando el automóvil tiene que viajar a través de un gran campo de lodo, su velocidad se reduce pero no su potencia. Entonces, cuando el auto abandona el lodo, su poder le dará la velocidad inicial. Puede comparar la potencia del motor con la frecuencia o impulso del fotón que permanece igual todo el tiempo.

No necesitan energía para acelerar porque nunca desaceleraron, la razón por la cual la luz viaja tan rápido en el vacío es porque no hay partículas que se interpongan en su camino, pero una vez que comenzó a viajar a través del vidrio, de repente hay muchas partículas. para interactuar con Entonces la luz todavía viaja a la velocidad de la luz. Simplemente rebota en un montón de partículas y, dado que viaja en un patrón en zigzag, solo viaja 200,000 km / h hacia adelante y 100,000 km / h hacia arriba y hacia abajo. Si los sumas, los fotones siguen viajando a 300,000 km / ho la velocidad de la luz.

Un fotón se ‘ralentiza’ cuando pasa a través del vidrio (o cualquier otra cosa, si puede hacerlo sin absorción) es simplemente tomar un camino no lineal ‘entre’ (o ‘alrededor’) de los átomos del vidrio … si logra pasar , “reanudará” su antiguo camino recto-c.

Los fotones en realidad no se aceleran.

Aquí lo que sucede es que la velocidad del fotón es de 300000 m / s en el vacío y el fotón es una partícula en onda electromagnética que se absorbe un poco en un medio transparente o, en otras palabras, el fotón se refracta, lo que resulta en una disminución de su velocidad en el vidrio.

Pero cuando está fuera del cristal no tiene ningún obstáculo para reducir su velocidad y nuevamente se mueve a su propia velocidad a la que se mueve en el vacío, es decir, 30000 m / s.