¿Cómo cambia la velocidad de la luz en el vidrio?

La respuesta corta es refracción, pero es probable que esté buscando una explicación, no una palabra. Este concepto tiene varios modelos, como la mayoría de las cosas. Debido a que hay un par de ideas erróneas que muchas personas tienen sobre cómo se lleva a cabo este proceso, primero describiré algunas cosas que NO suceden durante la refracción.

La refracción no es:

  1. La luz toma un camino irregular, lo que aumenta el tiempo que lleva pasar por un tipo medio para aumentar la longitud del viaje. Si este fuera el caso, veríamos la luz dispersarse en muchas direcciones. Todo lo que tenemos que hacer para ver que este no es el caso es hacer brillar un láser a través de un cristal.
  2. La luz es absorbida y reemitida por los electrones. Este proceso se llama dispersión y cambiaría la frecuencia y la dirección. La razón por la cual la luz se mueve a través de un medio es porque cosas como esta no suceden. Cuando la luz no tiene suficiente energía para excitar un electrón al siguiente nivel de energía, nunca se absorbe en absoluto .

Ahora que hemos aclarado eso, podemos pasar a lo que podría ser la refracción. Tenemos varios modelos de trabajo, y el clásico se ve extrañamente similar a uno de los cuánticos …

  1. La explicación clásica es que un haz de luz (tenga en cuenta la diferencia de los cuantos / fotones individuales) que viaja a través de un medio hace que los átomos cercanos oscilen (pero no absorban la luz) en respuesta. Los átomos emiten luz en respuesta, en la misma dirección. La luz pierde energía para estos átomos a medida que es liberada por ellos. Por lo tanto, todo el haz de luz se ralentiza.
  2. Una de las explicaciones cuánticas es que la luz (ahora los fotones), cuando están en un medio, tienen una superposición completa de estados (que es infinitamente grande) autointerferentes a una velocidad mayor de lo normal. Cuando el fotón sale del medio, la función de onda colapsa y la luz se aleja más de lo que hubiera estado sin el medio. Tenga en cuenta que incluso cuando la función de onda se mantiene, la luz aún se ralentiza, es decir, no tiene que esperar para salir del medio para que realmente se ralentice.
  3. Otra explicación cuántica es el polaritón. Un polaritón, una superposición teórica en la que la luz es una parte de las partículas por las que se mueve y tampoco lo es, lo que le da masa. Al tener masa, esta superposición de estados viaja a una velocidad más lenta que la de la luz.

¡Espero que esto te ayude a comprender qué no es la refracción y qué podría ser!

Indirectamente, podemos decir que se debe a la refracción, que es una aplicación importante de las ondas. Refracción significa flexión (en cierto ángulo) y disminución de la velocidad de una onda de luz debido al cambio en el medio. Cuanto más denso es el medio, más disminuye su velocidad. Como el vidrio es un medio más denso que el aire, la velocidad de las ondas de luz disminuye cuando entra al vidrio desde el aire (que es un medio más ligero). Una relación simple que podemos deducir de su expresión derivada por Newton y Laplace es

V = 1 / (densidad del medio) ^ 1/2

La velocidad aparente de la luz en un medio es el resultado de la combinación del campo electromagnético entrante y el campo de reacción. El campo de reacción es causado por el hecho de que, a pesar de ser globalmente neutros, los átomos y las moléculas están hechos de cargas eléctricas opuestas que no se encuentran exactamente en el mismo lugar, por lo que se comportan como un resorte en el medio. Entonces, cuando la onda pasa el dipolo, sacude el resorte, y la liberación de este resorte terminó con cargas eléctricas induce un contracampo. La inercia de la reacción depende de muchos factores, comenzando con la carga y la masa. Una característica diferente significa un retraso diferente en el campo de reacción y, por lo tanto, un resultado diferente de la adición al campo original, por lo tanto, una velocidad aparente diferente.

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