Поглощение и отражение света в корпускулярной модели

[Emergency]

Anton_Peplov в сообщении #1547342 писал(а):

Похоже, модели с фотонами-шариками недостаточно хороши даже для того, чтобы хотя бы качественно объяснить отражение и преломление, которое проходят в восьмом классе.

Переизлучением объясняют парниковый эффект, но не зависимость показателя преломления $n=\frac{1}{\varepsilon \mu }$

[Mikhail_K]

lel0lel в сообщении #1546630 писал(а):

Нужно рассматривать модель с упругими многократными рассеяниями той части пучка, которая не поглощается. Скорость "голых" фотонов равна скорости света в вакууме, но за счёт многократных упругих рассеяний эффективно уменьшается.

Можно ли это понимать так, что фотон движется по зигзагу - не прямо, а отклоняясь то в одну, то в другую сторону из-за взаимодействия с атомами? При этом скорость у него всегда равна $c$, случайные отклонения компенсируют друг друга и в среднем фотон движется прямо вперёд, но скорость этого продвижения вперёд снижена из-за этих отклонений то туда, то сюда?
Конечно, я понимаю, что на самом деле там скорее всего не один конкретный зигзаг в качестве траектории, а суперпозиция многих возможных зигзагов.
Таким образом, взаимодействие фотона с атомами не обязательно сопровождается его поглощением, а может сопровождаться ещё таким вот "рассеянием" ("отклонением траектории")?

[lel0lel]

Да, я также понимаю эту модель. Большинство отклонений малы, так как фотон редко на своём пути встречает тяжёлые ядра, с другой стороны отклонений достаточно много и нужно считать их упругими, или бесконечно близкими к упругим, так как фотон фактически взаимодействует с макроскопическим кристаллом. Как объясняют авторы, лучше посмотреть у них. В любом случае это лишь модель и без волновых свойств (или множества траекторий, что почти одно и тоже) явления
дифракции и интерференции на кристалле, по-моему не объяснить. Но хотя бы объясняется замедление света в результате эффективного удлинения траектории. Надо ещё спросить каким образом объясняется дисперсия, то есть для высокочастотных фотонов, траектория должна быть длиннее, чем для низкочастотных. Но этот вопрос уже выводит за рамки механистической модели, как только мы произносим частота.

Не обязательно сталкиваться с узлами решётки, можно фотону лететь мимо и взаимодействовать. Поэтому прямые столкновения должны быть редки. И да, не каждое взаимодействие приводит к электронным возбуждениям атомов, возможно мягкое рассеяние.

[Emergency]

lel0lel в сообщении #1547359 писал(а):

Большинство отклонений малы, так как фотон редко на своём пути встречает тяжёлые ядра

Показатель преломления доходит до 3 и более. То есть скорость света в веществе снижается в три раза. Это очень большие углы. Мало того, если бы они были, то при малых поворотах монокристалла, показатель преломления сильно менялся бы, а свет выходил бы из него вы разные стороны.

[lel0lel]

Да, для сред с высокими показателями преломления малыми углами не обойтись, ведь средний путь должен увеличиться в три раза. Выдерживание первоначального направления тоже становится сложным вопросом, не вижу как на него отвечать без волновых свойств и интерференции. В общем, я привёл эту модель поскольку речь зашла об упрощённых механистических подходах. И она несколько более адекватно описывает замедление света, чем модель с постоянным поглощением и переизлучением фотонов.

[Anton_Peplov]

Перечитывая тему, зацепился за эту мысль.

lel0lel в сообщении #1546630 писал(а):

Anton_Peplov в сообщении #1546619 писал(а):

2) Замедление света в веществе: между атомами свет движется со скоростью $c$, но он теряет время на поглощение и переизлучение атомами. Поэтому средняя скорость света в веществе меньше $c$. Так теряет среднюю скорость электричка, останавливаясь у каждого столба

это слабое место теории, как правило фотоны той же частоты не переизлучаются, если только система не специально подобрана типа лазера или частоты совпадают с линиями поглощения. А так, всевозможных возбуждений очень много: электронные, различные квазивозбуждения (фононы как кристаллические так и многоэлектронные), даже обычные тепловые колебания, но у всего этого свои вероятности. То есть, я хочу сказать, что переизлучения чаще всего идут на других частотах (вплоть до инфракрасных) и они никак не связаны с замедлением скорости света. Даже в тех же лазерах, время переизлучения может быть сильно различным и направление тоже, поэтому, чтобы пучок был направленным используют индуцирующую волну.

Но ведь волновое приближение построено именно на идее, что атом излучает вторичные волны на частоте падающей волны. Световая волна, поглощенная атомом, вызывает колебания тех электронов в атоме, собственные частоты движения которых вокруг ядра совпадают по порядку величины с частотой волны. Это т.н. оптические электроны, обычно - внешние, но не всегда. Систему "оптический электрон + ядро" в этом приближении считают гармоническим осциллятором с затуханием. Затухание это слабое: за период теряется лишь $\sim 10^{-8}$ колебательной энергии атома. Колеблющийся электрон излучает вторичную волну той же частоты. И волновое приближение работает в довольно приличных границах, например, давая работающую формулу для нормальной дисперсии (Ландсберг, Оптика, $\S 154-156$).
Теперь перепишем те же самые утверждения в теории Бора. Собственная частота колебаний атома соответствует энергии перехода с основного уровня на возбуждённый; колеблющийся атом = возбуждённый атом; излучение вторичных волн = испускание фотонов возбужденным атомом. И что, работающая модель вдруг перестала работать? Почему говорить о вторичных волнах той же частоты можно, а о вторичных фотонах той же частоты нельзя?

[Alex-Yu]

Все, что вы хотите объяснить, замечательно объясняется в чисто волновой модели. Без каких-либо квантовых (корпускулярных) свойств. Дались вам эти фотоны, забудьте про фотоны, оставьте только ЭМ поле, классическое.

Вообще придумывание подобных "моделей" -- занятие предосудительное. Не надо заниматься профанацией науки! С целью якобы что-то "объяснить" школьникам. Ничего такие "модели" не объясняют. А только закладывают в головы школьников (и не только школьников) совершенно патологические представления. Очень вредное занятие!!!

[Mikhail_K]

(Оффтоп)

Alex-Yu в сообщении #1572448 писал(а):

Все, что вы хотите объяснить, замечательно объясняется в чисто волновой модели. Без каких-либо квантовых (корпускулярных) свойств. Дались вам эти фотоны, забудьте про фотоны, оставьте только ЭМ поле, классическое.

Вообще придумывание подобных "моделей" -- занятие предосудительное. Не надо заниматься профанацией науки! С целью якобы что-то "объяснить" школьникам. Ничего такие "модели" не объясняют. А только закладывают в головы школьников (и не только школьников) совершенно патологические представления. Очень вредное занятие!!!

Возможно, физики и хотели бы сохранить слово "фотон" внутри своей профессиональной среды. Но это не получилось сделать: данное слово получило широкую известность. Поэтому у публики (школьников и не только школьников) неизбежно будут про фотоны возникать вопросы.

Опять же, возможно, физики уверены, что слушать что-то про фотоны непрофессионалам не стоит и просто вредно. Но если интерес возник, от него так просто не отмахнёшься. Точнее, отмахнуться можно, но тогда не стоит и удивляться, когда публика пойдёт за ответами к лжеучёным. А потом и вообще перестанет советы учёных слушать, даже когда они жизненно необходимы.

Для широкой публики электромагнитное поле не столь интересно, как фотоны. Возможно, в т.ч. потому, что фотоны - это как бы "запретный плод". Так получилось, с этим надо как-то быть.

Чтобы сохранять репутацию науки и образования (с которой у нас не всё хорошо), учёным жизненно важно иметь непрерывную цепочку объяснений от детсадовского до вузовского уровня для самых разных категорий людей, с разными запросами и степенью готовности вникать в объяснения. То есть хотя бы не отталкивать тех, кто сам пришёл задавать вопросы.

Кому-то может показаться, что невозможно рассказать дошкольнику, что такое интеграл. И это действительно так. Но если дошкольник сам где-то увидел это слово и пристаёт с расспросами - ничего не поделаешь, надо придумать, как это объяснить на его уровне.

[warlock66613]

Волновая модель, конечно, не годится как есть. Но правильная квантовая во многом на неё похожа и понимание квантовой модели во многом основано на понимании волновой модели.

Что касается использования "вакуумных" (асимптотических!) фотонов для описания явлений в среде, я вообще не уверен, что это в принципе правильно. По крайней мере, это вряд ли просто. В среде у полей другие кванты, в частности другие фотоны.

[amon]

Mikhail_K в сообщении #1572481 писал(а):

Чтобы сохранять репутацию науки и образования (с которой у нас не всё хорошо), учёным жизненно важно иметь непрерывную цепочку объяснений от детсадовского до вузовского уровня для самых разных категорий людей, с разными запросами и степенью готовности вникать в объяснения.

Свет, который мы видим глазом, не состоит из фотонов в том же смысле, в каком электрон в атоме не имеет координаты. Если Вы поняли что я сказал, попробуйте придумать объяснение этого для школьника.

[Alex-Yu]

Mikhail_K в сообщении #1572481 писал(а):

Поэтому у публики (школьников и не только школьников) неизбежно будут про фотоны возникать вопросы.

Для публики достаточно принципа дополнительности Бора: некоторые свойства квантовых объектов наглядно, классически можно описать ТОЛЬКО с корпускулярной точки зрения, а некоторые (другие) ТОЛЬКО с волновой. Так вот, явления, о которых здесь идет речь, можно описать ТОЛЬКО с волновой точки зрения. А полноценная квантовая физика, где волны и частицы объединяются, это не для публики. Иногда, следуя Халатникову, следует сказать: "а вот это не твоего ума дело". Полноценная квантовая физика как раз из серии "не твоего ума". Нет, ради бога, поучись лет так 20, наберись определенной интеллектуальной культуры, причем физического толка, вот тогда станет твоего ума. Это никому не заказано. Но ТОЛЬКО так.

-- Вс дек 04, 2022 13:16:08 --

Mikhail_K в сообщении #1572481 писал(а):

Так получилось, с этим надо как-то быть.

Я объяснил как с этим быть. В любом случае выдавать за "объяснение" откровенное вранье не надо. Честным надо быть, не врать, это главное. Невозможно объяснить -- вот так и скажи. Никогда вранье не подымало авторитет (науки в данном случае). Во всяком случае надолго.

-- Вс дек 04, 2022 13:19:15 --

Mikhail_K в сообщении #1572481 писал(а):

Кому-то может показаться, что невозможно рассказать дошкольнику, что такое интеграл. И это действительно так. Но если дошкольник сам где-то увидел это слово и пристаёт с расспросами - ничего не поделаешь, надо придумать, как это объяснить на его уровне.

Как раз интеграл можно. Интеграл это вообще очень просто. А вот кванты -- отнюдь.

[Mikhail_K]

amon в сообщении #1572485 писал(а):

Свет, который мы видим глазом, не состоит из фотонов в том же смысле, в каком электрон в атоме не имеет координаты. Если Вы поняли что я сказал, попробуйте придумать объяснение этого для школьника.

Вероятно, Вы имеете в виду, что в видимом свете величина "количество фотонов" является неопределённой так же, как и координата у электрона.

Я думаю, рассказать школьнику о том, что бывает квантовая суперпозиция различных состояний системы (в т.ч. если в этих состояниях у электрона разная координата или фотонов разное число) - вполне возможно. И о том, что это приходится постулировать, "представить себе" суперпозицию затруднительно.

[amon]

Mikhail_K в сообщении #1572513 писал(а):

Вероятно, Вы имеете в виду, что в видимом свете величина "количество фотонов" является неопределённой так же, как и координата у электрона.

Именно так. Поэтому наивная картинка, что видимый свет это много-много фотонов, каждый из которых имеет энергию $h\nu,$ которые по-отдельности как-то там поглощаются, переизлучаются или стукаются об атомы принципиально неверна. А именно такая картинка возникает в голове, как показывает обсуждение в этой теме, если наивно рассуждать об отдельных фотонах. Я согласен с Alex-Yu, пытаться на пальцах без математики что-то рассказывать про квантовую теорию поля - дело безнадежное, от которого скорее вред чем польза.

[Walker_XXI]

(Оффтоп)

Mikhail_K в сообщении #1572481 писал(а):

Чтобы сохранять репутацию науки и образования (с которой у нас не всё хорошо), учёным жизненно важно иметь непрерывную цепочку объяснений

Mikhail_K в сообщении #1572513 писал(а):

И о том, что это приходится постулировать, "представить себе" суперпозицию затруднительно.

Т.е. предложение просто принять на веру утверждение, никак не вытекающее из предыдущих объяснений. И что это, как не разрыв "цепочки объяснений"?

[Mikhail_K]

(Оффтоп)

Walker_XXI в сообщении #1572919 писал(а):

Т.е. предложение просто принять на веру утверждение, никак не вытекающее из предыдущих объяснений. И что это, как не разрыв "цепочки объяснений"?

Под "цепочкой объяснений" я понимал не логическую цепочку из выводов, а набор объяснений для самой разной аудитории. Для знающих вузовский курс физики, для знающих школьный курс и для тех, кто не знает и школьного; для готовых решать задачи, для готовых только разбираться в теории, для готовых лишь почитать популярную книжку и для тех, кто не готов и на это, но имеет вопросы. Для тех, кому достаточно одного готового ответа и для тех, кто будет затем задавать новые вопросы, желая разобраться глубже. Для всех, кто спрашивает - причём для разных аудиторий объяснения должны быть, конечно, разные. Даже не одномерная цепочка, а многомерный набор объяснений должен быть.

Можно отмахнуться от этой задачи, но тогда те, кто спрашивают - сначала перестанут спрашивать, а потом перестанут доверять и тому, что вы говорите сами, по своей инициативе. Ничем хорошим такое исчезновение доверия к науке закончиться не может, а плохим - может.