Взаимодействие света с веществом

[iwndr]

Еще со школьного курса физики мы знаем, что ЭМ волна переходящая из одного вещества в другое не меняет свою частоту. Тут хотелось бы вспомнить классическую теорию дисперсии, согласно которой свет падающий на вещество, заставляет электроны вещества колебаться. Те ведут себя подобно осцилляторам и испускают вторичные волны той же частоты (когерентны между собой). С точки зрения классической теории, никаких проблем нет.

Но тут я задумался о квантовом объяснении. Почему все фотоны (ну или хотя бы большинство), взаимодействуя с атомами вещества переизлучаются с той же частотой? Другими словами, как квантовая теория объясняет тот факт, что ЭМ волна не меняет свою частоту при переходе из одного вещества в другое. Ведь возбужденный атом, в принципе может испустить, имея достаточно энергии, несколько фотонов (ступенчатое излучение). Я думал в двух направлениях:
- что-то заставляет вероятность испускания фотона той же частоты преобладать над вероятностью испускания фотона иной частоты
- возможно происходит эффект индуцированного излучения, хотя по этому поводу я ничего не нашел в соответствующей литературе

Благодарю заранее за любые ответы!

[Prikol]

iwndr в сообщении #899960 писал(а):

Почему все фотоны (ну или хотя бы большинство), взаимодействуя с атомами вещества переизлучаются с той же частотой? Другими словами, как квантовая теория объясняет тот факт, что ЭМ волна не меняет свою частоту при переходе из одного вещества в другое. Ведь возбужденный атом, в принципе может испустить, имея достаточно энергии, несколько фотонов (ступенчатое излучение).

Есть два вида взаимодействия фотонов с веществом - упругое и неупругое. Если вы перестанете их путать - все станет на свои места.

При упругом фотон не переизлучается, а рассеивается. Ессно его частота та же самая (томсоновское рассеяние). Фаза меняется - отсюда изменение фазовой скорости и показателя преломления. Есть еще комптоновское рассеяние с изменением частоты, но им нередко можно пренебречь.

При неупругом фотон поглощается. Затем излучается другой фотон, частота которого допускается правилами отбора, есть еще branching ratio. В частности это может быть и та же самая частота.

В простых случаях на низких частотах может преобладать рассеяние, а на высоких поглощение-излучение.

В сложных случаях будут полосы поглощения.

[Arkhipov]

Корректно ли описывать отклик среды различного рода переизлучениями отдельных атомов? В металлах наверняка нет.
С диэлектриками не вполне понимаю механизм, но интуитивно представляется, что атом, находясь, к примеру, в слабо меняющемся электрическом поле в основном состоянии поляризуется в такт этому полю, и (здесь уже совершенно не понимаю) создает вокруг себя квазистатическое поле диполя.

[Prikol]

Arkhipov в сообщении #900042 писал(а):

Корректно ли описывать отклик среды различного рода переизлучениями отдельных атомов?

Такое описание неполное. Надо еще рассеяние добавлять. Эти процессы дадут вклад в действительную и мнимую части $\varepsilon$.

[Arkhipov]

Prikol
Я, в общих чертах, понимаю, что Вы имеете ввиду. Однако, к примеру, в металле - что такое атом? Есть огромное количество почти свободных электронов, занимающих фазовое пространство настолько, что мы применяем статистику Ферми. Спектр практически непрерывный. Здесь уже не рассеяние, а полноценное поглощение возможно. Но поглощают не атомы, а вся железка. Я не специалист, буду благодарен критике.

[Prikol]

Arkhipov в сообщении #900046 писал(а):

Однако, к примеру, в металле - что такое атом?

Атомы находятся в узлах кристаллической решетки, либо просто "на своем месте", если о решетке говорить нельзя.

Arkhipov в сообщении #900046 писал(а):

Есть огромное количество почти свободных электронов,

Внешние электроны как бы обобщены и образуют зону проводимости. Внутренние как бы закреплены за атомом.

Arkhipov в сообщении #900046 писал(а):

Здесь уже не рассеяние, а полноценное поглощение возможно. Но поглощают не атомы, а вся железка.

Все зависит от металла, длины волны фотона и т.д. Для начала полезно взять диаграмму уровней энергии, посмотреть какие зоны, какие процессы возможны и т.д. Множество монографий написано, много моделей предложено. Но полной ясности нет. Феноменология!

Обычно начинают со справочника где для данного металла все промерено, потом выбирают модель, обычно упомянутую в том же справочнике. В справочнике обычно сказано где какая модель лучше работает.

Если речь идет об ЭМ волнах до СВЧ диапазона, то введение скин-слоя часто помогает довольно точно все описать. Если ИК - УФ диапазон - надо лезть в хороший справочник.

[Xey]

iwndr в сообщении #899960 писал(а):

- возможно происходит эффект индуцированного излучения, хотя по этому поводу я ничего не нашел в соответствующей литературе

Цитата:

ЭЙНШТЕЙНА КОЭФФИЦИЕНТЫ - коэф., характеризующие вероятности излучательных квантовых переходов. Введены А. Эйнштейном в 1916 при рассмотрении теории испускания и поглощения излучения атомами и молекулами на основе представления о фотонах; при этом им впервые была высказана идея существования вынужденного испускания. Вероятности спонтанного испускания, поглощения и вынужденного испускания характеризуются соответственно коэф.(индексы указывают нанаправление перехода между верх.и ниж.уровнями энергии). Эйнштейн одновременно дал вывод Планка закона излучения путём рассмотрения термодинамич. равновесия вещества и излучения и получил соотношения между Э. к. (см. Тепловое излучение).

[Arkhipov]

Мне кажется, iwndr спрашивает несколько о другом. Например о прохождении света через стекло.

[iwndr]

Prikol в сообщении #900041 писал(а):

iwndr в сообщении #899960 писал(а):

Почему все фотоны (ну или хотя бы большинство), взаимодействуя с атомами вещества переизлучаются с той же частотой? Другими словами, как квантовая теория объясняет тот факт, что ЭМ волна не меняет свою частоту при переходе из одного вещества в другое. Ведь возбужденный атом, в принципе может испустить, имея достаточно энергии, несколько фотонов (ступенчатое излучение).

Есть два вида взаимодействия фотонов с веществом - упругое и неупругое. Если вы перестанете их путать - все станет на свои места.

При упругом фотон не переизлучается, а рассеивается. Ессно его частота та же самая (томсоновское рассеяние). Фаза меняется - отсюда изменение фазовой скорости и показателя преломления. Есть еще комптоновское рассеяние с изменением частоты, но им нередко можно пренебречь.

При неупругом фотон поглощается. Затем излучается другой фотон, частота которого допускается правилами отбора, есть еще branching ratio. В частности это может быть и та же самая частота.

В простых случаях на низких частотах может преобладать рассеяние, а на высоких поглощение-излучение.

В сложных случаях будут полосы поглощения.

Во-первых, спасибо за ответ. Я понимаю, что есть разные виды взаимодействия и что возможно рассеяние. Я не хотел затрагивать эту тему так-как я не знаю как часто это происходит и почему (большинство) фотонов придерживаются той же траектории (насколько понятие траектории применимо для квантового случая). В любом случае, я их не путаю.

Во-вторых, по-вашему, получается, что согласно квантовой механики свет не обязан сохранять свою частоту, т.к. всегда существует вероятность излучения фотонов другой частоты? Тогда хотелось бы узнать - существует ли какой-нибудь эксперимент в котором "квантовые" свойства света проявляются лучше волновых (имея ввиду прохождение света через вещество)?

Xey в сообщении #900120 писал(а):

iwndr в сообщении #899960 писал(а):

- возможно происходит эффект индуцированного излучения, хотя по этому поводу я ничего не нашел в соответствующей литературе

Цитата:

ЭЙНШТЕЙНА КОЭФФИЦИЕНТЫ - коэф., характеризующие вероятности излучательных квантовых переходов. Введены А. Эйнштейном в 1916 при рассмотрении теории испускания и поглощения излучения атомами и молекулами на основе представления о фотонах; при этом им впервые была высказана идея существования вынужденного испускания. Вероятности спонтанного испускания, поглощения и вынужденного испускания характеризуются соответственно коэф.(индексы указывают нанаправление перехода между верх.и ниж.уровнями энергии). Эйнштейн одновременно дал вывод Планка закона излучения путём рассмотрения термодинамич. равновесия вещества и излучения и получил соотношения между Э. к. (см. Тепловое излучение).

Да, я уже это читал, только этот эффект не всегда сильно проявлен.

Arkhipov в сообщении #900127 писал(а):

Мне кажется, iwndr спрашивает несколько о другом. Например о прохождении света через стекло.

Да, именно.

[Arkhipov]

Может быть это будет полезно:
https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering

[Ms-dos4]

iwndr в сообщении #900158 писал(а):

Тогда хотелось бы узнать - существует ли какой-нибудь эксперимент в котором "квантовые" свойства света проявляются лучше волновых (имея ввиду прохождение света через вещество)?

Что значит квантовые свойства проявляются лучше волновых? Бред какой то. Возможно вы имели ввиду что нибудь типа комбинационного рассеяния света, там частота меняется

[Pphantom]

Ms-dos4 в сообщении #900179 писал(а):

Что значит квантовые свойства проявляются лучше волновых? Бред какой то. Возможно вы имели ввиду что нибудь типа комбинационного рассеяния света, там частота меняется

Наверное, лучше эффект Комптона. Для эффекта Рамана все-таки некая классическая интерпретация имеется.

[Prikol]

iwndr в сообщении #900158 писал(а):

Arkhipov в сообщении #900127 писал(а):

Мне кажется, iwndr спрашивает несколько о другом. Например о прохождении света через стекло.

Да, именно.

В стекле в видимом диапазоне преобладают упругие процессы рассеяния, за счет чего и получается показатель преломления больше единицы. Хотя если взять темное стекло "из под импортного пива", то появится заметное поглощение.

iwndr в сообщении #900158 писал(а):

... почему (большинство) фотонов придерживаются той же траектории

Это коллективный эффект. Фотоны рассеянные вперед имеют правильные фазы и происходит сложение амплитуд.

[iwndr]

Ms-dos4 в сообщении #900179 писал(а):

iwndr в сообщении #900158 писал(а):

Тогда хотелось бы узнать - существует ли какой-нибудь эксперимент в котором "квантовые" свойства света проявляются лучше волновых (имея ввиду прохождение света через вещество)?

Что значит квантовые свойства проявляются лучше волновых? Бред какой то. Возможно вы имели ввиду что нибудь типа комбинационного рассеяния света, там частота меняется

В чем проблема? Почему бред? Речь идет о том, что в классическом представлении частота света не меняется. У Ландсберга по этому поводу написано, что "сила осциллятора" в квантовой теории пропорциональна вероятности перехода атома из одного состояния в другое. В опытах мы наблюдаем сохранение частоты, в то время как согласно квантовой теории вещество может излучать фотоны разной частоты. Опять же, я не спорю, что помимо поглощения и переизлучения есть ещё и рассеяние света. Как заметил Arkhipov можно взять в качестве примера стекло - пучок монохроматического света проникающий в стекло сохраняет свою частоту - при выходе мы получаем пучок такой же частоты. Почему вещество испускает фотоны той же частоты? А что касается рассеяния - почему пучок не "расходится" а продолжает двигаться по прямой (после преломления) - ведь рассеяние достаточно произвольно в направлении?

Prikol в сообщении #900267 писал(а):

iwndr в сообщении #900158 писал(а):

Arkhipov в сообщении #900127 писал(а):

Мне кажется, iwndr спрашивает несколько о другом. Например о прохождении света через стекло.

Да, именно.

В стекле в видимом диапазоне преобладают упругие процессы рассеяния, за счет чего и получается показатель преломления больше единицы.

iwndr в сообщении #900158 писал(а):

... почему (большинство) фотонов придерживаются той же траектории

Это коллективный эффект. Фотоны рассеянные вперед имеют правильные фазы и происходит сложение амплитуд.

Спасибо! Теперь стало понятнее.

[Xey]

Prikol в сообщении #900267 писал(а):

В стекле в видимом диапазоне преобладают упругие процессы рассеяния, за счет чего и получается показатель преломления больше единицы.

Без поглощения и переиспускания фотона атомом, трудно объяснить ход кривой дисперсии вблизи полосы поглощения .

Prikol в сообщении #900267 писал(а):

Фотоны рассеянные вперед имеют правильные фазы и происходит сложение амплитуд.

Фазы и направления, без вынужденного излучения это не объяснить.