Столкновения фотонов с частицами

[Foros]

Выделено из «Движение фотона»

Всем здравствуйте.
У меня вот тоже имеется много вопросов по этой тематике, но я решил не открывать новую тему с аналогичным названием, а просто продолжить немного заброшенную(надеюсь это не запрещено). Если не составит труда для образованных участников, то окажите квалифицированную помощь любознательному товарищу очень зрелого возраста.
Мне хочется разобраться в вопросе, как сталкиваются фотоны не между собой, а с какими либо мелкими препятствиями и частицами иной природы, нежели фотон. Что конкретно влияет на вероятность столкновения(поглощения) фотона, либо огибания им такого небольшого препятствия или даже возможности беспрепятственного прохождения фотоном сквозь подобные препятствия.? Всё ли понятно науке в этом вопросе? Особенно хотелось бы от Muninа квалифицированный ответ услышать.

Phantom:

Не запрещено, но нежелательно, тем более что предыдущая тема была посвящена, вообще говоря, другим вопросам. Поэтому выделим этот в отдельное производство.

Заодно я удалил неправильное (и фактически ненужное) цитирование.

[Munin]

Foros в сообщении #1007050 писал(а):

Мне хочется разобраться в вопросе, как сталкиваются фотоны не между собой, а с какими либо мелкими препятствиями и частицами иной природы, нежели фотон. Что конкретно влияет на вероятность столкновения(поглощения) фотона, либо огибания им такого небольшого препятствия или даже возможности беспрепятственного прохождения фотоном сквозь подобные препятствия.?

На каком уровне вам хочется с этим разобраться, и каков ваш уровень на данный момент?

Есть классическая электродинамика и оптика. Это где-то 2-3 курс вуза.
Есть квантовая электродинамика. Это курс минимум 4-й.

Foros в сообщении #1007050 писал(а):

Всё ли понятно науке в этом вопросе?

Да, всё. КЭД - завершённая теория, и одна из лучших теорий в физике вообще (вообще лучшая, её предсказания выполняются до 13, кажется, значащих цифр - это отношение 1 микрона к размеру Земли).

[Foros]

Munin в сообщении #1007231 писал(а):

Foros в сообщении #1007050 писал(а):

Что влияет на вероятность столкновения(поглощения) фотона, либо огибания им такого небольшого препятствия или даже возможности беспрепятственного прохождения фотоном сквозь подобные препятствия?

На каком уровне вам хочется с этим разобраться, и каков ваш уровень на данный момент?

Есть классическая электродинамика и оптика. Это где-то 2-3 курс вуза.
Есть квантовая электродинамика. Это курс минимум 4-й.

В ВУЗе учиться приходилось в молодости, но с уклоном на химию. А далее, как можно догадаться, довольно сильно всё "выветрилось" из головы, так что объяснения попроще желательно.
И ещё хочу внести ясность, что в большей мере я хотел выяснить, какие факторы влияют на ту вероятность, с которой фотон, либо огибает небольшое препятствие оказавшееся на его пути, либо всё же прямолинейно "прёт напролом", иногда практически беспрепятственно преодолевая таковые(бывает, что лишь с потерей энергии это ему удаётся или вовсе не удаётся). Что именно влияет на траекторию движения отдельно взятого фотона и на статистику по множеству фотонов в потоке?
Поднятая мною тема называлась "Движение фотона". Вот о движении фотонов я и хотел вести разговор, но модератор немного поторопился и изменил название темы.
Надеюсь теперь стало понятнее, достаточно нам классической электродинамики или всё же к квантовой придётся обращаться, чтобы можно было дать ответы на такие вопросы.

[Munin]

Foros в сообщении #1007279 писал(а):

И ещё хочу внести ясность, что в большей мере я хотел выяснить, какие факторы влияют на ту вероятность, с которой фотон, либо огибает небольшое препятствие оказавшееся на его пути, либо всё же прямолинейно "прёт напролом", иногда практически беспрепятственно преодолевая таковые(бывает, что лишь с потерей энергии это ему удаётся или вовсе не удаётся). Что именно влияет на траекторию движения отдельно взятого фотона и на статистику по множеству фотонов в потоке?

Надо вообще выкинуть из головы эти "огибать" и "переть напролом". Надо запомнить, что фотон - это волна. И вспомнить (попытаться, что было), как ведут себя волны. Законы интерференции, дифракции.

Foros в сообщении #1007279 писал(а):

Поднятая мною тема называлась "Движение фотона". Вот о движении фотонов я и хотел вести разговор, но модератор немного поторопился и изменил название темы.

Движение фотона описывается волновым уравнением (уравнениями Максвелла, например, в пустоте). Если угодно:

$$\Delta\mathbf{A}-\dfrac{1}{c^2}\dfrac{\partial^2\mathbf{A}}{\partial t^2}=\dfrac{\partial^2\mathbf{A}}{\partial x^2}+\dfrac{\partial^2\mathbf{A}}{\partial y^2}+\dfrac{\partial^2\mathbf{A}}{\partial z^2}-\dfrac{1}{c^2}\dfrac{\partial^2\mathbf{A}}{\partial t^2}=0,$$

где $\mathbf{A}$ - векторный потенциал (по сути, это не так важно, точно такое же волновое уравнение накладывается и на электрическое и магнитное поле). Квантовые сложности опущены.

[Foros]

Munin в сообщении #1007299 писал(а):

Надо вообще выкинуть из головы эти "огибать" и "переть напролом". Надо запомнить, что фотон - это волна. И вспомнить (попытаться, что было), как ведут себя волны. Законы интерференции, дифракции.

Согласен, что выражения которые я употребил, в физике не применяются. Но если бы фотоны излучаемые звёздами были просто волны, то все в равной мере без проблем проникали сквозь газопылевые облака, частенько встречающиеся по пути от таких звёзд к Земле. Но ведь фотонам оптического диапазона, проделать такое не удаётся, а вот инфракрасным с лёгкостью. Эта проникающая способность фотонов, видимо определяется не только энергией квантов, но и какими то свойствами частиц в таком облаке и их концентрацией? Какие формулы имеются для таких случаев?

[Munin]

Писал ответ, нашёл у себя ошибку, стёр ответ. Пришёл к выводу, что не знаю ответа. Надо других участников спрашивать.

[Pphantom]

Foros в сообщении #1007440 писал(а):

Эта проникающая способность фотонов, видимо определяется не только энергией квантов, но и какими то свойствами частиц в таком облаке и их концентрацией? Какие формулы имеются для таких случаев?

Боюсь, что тут даже "самые простые формулы" сильно выходят за рамки того, что можно быстро изложить на форуме. Начните с теории Ми (это фамилия), какая-то основная информация о ней легко гуглится.

[GraNiNi]

Foros в сообщении #1007050 писал(а):

Мне хочется разобраться в вопросе, как сталкиваются фотоны не между собой, а с какими либо мелкими препятствиями и частицами иной природы, нежели фотон. Что конкретно влияет на вероятность столкновения(поглощения) фотона, либо огибания им такого небольшого препятствия или даже возможности беспрепятственного прохождения фотоном сквозь подобные препятствия.

Посмотрите материалы по рассеянию света, например здесь:
http://www.femto.com.ua/articles/part_2/3318.html

[Munin]

Это статья Физической Энциклопедии, что хорошо бы указывать.
Хорошая, конечно же.

[Foros]

GraNiNi в сообщении #1007670 писал(а):

Foros в сообщении #1007050 писал(а):

Мне хочется разобраться в вопросе, как сталкиваются фотоны не между собой, а с какими либо мелкими препятствиями и частицами иной природы, нежели фотон. Что конкретно влияет на вероятность столкновения(поглощения) фотона, либо огибания им такого небольшого препятствия или даже возможности беспрепятственного прохождения фотоном сквозь подобные препятствия.

Посмотрите материалы по рассеянию света, например здесь:
http://www.femto.com.ua/articles/part_2/3318.html

Спасибо, ссылку просмотрел, довольно сложно дела обстоят с рассеянием света. Как я понял, необходимым условием рассеяния является поглощение фотона, которое сопровождается затем спонтанным испусканием его же(или уже другого всегда?) в произвольном направлении.
В связи с этим у меня напрашивается вопрос. По каким причинам вещество является прозрачным для фотонов определённого спектра и не рассеивает такой свет? Фотоны совершенно не поглощаются частицами этого вещества? Это им удаётся сделать только из-за свойств частиц, или ещё в силу каких либо собственных качеств у различных квантов?

[Munin]

Foros в сообщении #1007853 писал(а):

Как я понял, необходимым условием рассеяния является поглощение фотона, которое сопровождается затем спонтанным испусканием его же(или уже другого всегда?) в произвольном направлении.

Надо отличать поглощение вообще, само по себе, как поглощающим материалом; и поглощение с переизлучением, как отражающим или преломляющим материалом. Во втором случае промежуточное состояние "виртуальное", и его не всегда имеет смысл выделять вообще. То есть, вместо поглощения фотона, говорят о его отражении, например.

Foros в сообщении #1007853 писал(а):

В связи с этим у меня напрашивается вопрос. По каким причинам вещество является прозрачным для фотонов определённого спектра и не рассеивает такой свет? Фотоны совершенно не поглощаются частицами этого вещества? Это им удаётся сделать только из-за свойств частиц, или ещё в силу каких либо собственных качеств у различных квантов?

Вещество бывает прозрачным по куче разных причин. Для начала:
- вещество может быть прозрачным, как воздух;
- вещество может быть прозрачным, как вода или стекло;
- вещество может быть прозрачным, как для рентгеновских лучей.
Ну и говоря о пыли, пылинки слишком малого размера тоже "прозрачны".

[Foros]

Munin в сообщении #1007862 писал(а):

Foros в сообщении #1007853 писал(а):

В связи с этим у меня напрашивается вопрос. По каким причинам вещество является прозрачным для фотонов определённого спектра и не рассеивает такой свет? Фотоны совершенно не поглощаются частицами этого вещества? Это им удаётся сделать только из-за свойств частиц, или ещё в силу каких либо собственных качеств у различных квантов?

Вещество бывает прозрачным по куче разных причин. Для начала:
- вещество может быть прозрачным, как воздух;
- вещество может быть прозрачным, как вода или стекло;
- вещество может быть прозрачным, как для рентгеновских лучей.
Ну и говоря о пыли, пылинки слишком малого размера тоже "прозрачны".

Вы всё же не указали ни одной причины прозрачности, а лишь перечислили некоторые из веществ, почти прозрачных для фотонов видимого спектра. Для рентгеновских квантов очевидно совсем другая причина прозрачности.
Причина, потому-что не поглощаются кванты, или в чём то другом?

[Munin]

Иногда не поглощаются. Иногда поглощаются, а потом испускаются обратно. Почему не поглощаются - для этого тоже есть разные причины.

[Foros]

Munin в сообщении #1007878 писал(а):

Почему не поглощаются - для этого тоже есть разные причины.

Вот об этом подробнее желательно. Могут ли фотоны избегать столкновений с частицами такого прозрачного для них вещества? Или причины прозрачности всё же в другом.

[Munin]

На квантовом уровне всё просто: частота падающего фотона не совпадает с возбуждёнными уровнями рассеивающей системы. Но это слишком общий ответ, от него до конкретной практики ещё грести и грести. Ах да, может совпадать с уровнем, но сечение процесса всё равно малое - кажется, теория Ми как раз об этом...