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THEMA: Lichtgeschwindigkeit im Medium

Lichtgeschwindigkeit im Medium 13 Feb 2018 13:16 #27846

Hallo alle miteinander,

meine physikalischen Kenntnisse zum Thema „Lichtgeschwindigkeit in Medien“ stoßen im Moment leider an ihre Grenzen. Vielleicht kann mir jemand hier halbwegs verständlich erklären weswegen Licht in Medien eine geringere Ausbreitungsgeschwindigkeit hat als im Vakuum?

Um es nicht allzu kompliziert zu machen, sage ich mal ein Lichtimpuls sei monochromatisch und rast mit c0 durch das Vakuum. Dieser tritt in ein dispersives, optisch isotropes Medium ein – darin passieren irgendwelche Dinge, die das Licht verlangsamen. Beim Austritt aus dem Medium, zurück ins Vakuum beträgt die Geschwindigkeit wieder c0, nur die Intensität sollte geringer sein.

Wenn

c0 = 1 / (sqrt(ε0*μ0))

im Vakuum gilt, dann ändert sich die elektrische und magnetische Feldkonstante jeweils um einen materialabhängigen Faktor, also ist

cMedium = 1 / (sqrt(ε0*μ0*εr*μr)) = c0 / (sqrt(εr*μr))

Damit hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium allein von Permittivität εr und der Permeabilität μr ab?

Ab hier verstehe ich es nicht mehr. Ist es jetzt so, dass das Photon auf ein Atom trifft und die irgendetwas elektromagnetisches miteinander machen, was Zeit kostet z.B. Energieumwandlungen nach Anregung oder Streuung usw.?
Müsste es nicht auch eine gravitative Wechselwirkung geben, wenn ein masseloses Proton dicht an einem Atomkern „vorbeifliegt“?

Die Gruppe um Lene Hau hat in Einstein-Bose Kondensaten das Licht auf 17 m/s verlangsamt und als Zukuntsausblick soll das Licht vollständig angehalten werden. Wie soll das möglich sein? Man müsste εr oder μr gegen Null laufen lassen aber es kann doch eines von beiden tatsächlich den Wert Null annehmen?

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Lichtgeschwindigkeit im Medium 13 Feb 2018 19:05 #27858

MarlenS schrieb: Müsste es nicht auch eine gravitative Wechselwirkung geben, wenn ein masseloses Proton dicht an einem Atomkern „vorbeifliegt“?


Viele interessante Fragen. Ich fange mal mit der leichtesten an. Die Gravitationskraft ist um viele Größenordnungen schwächer als die anderen und im atomaren Bereich daher völlig zu vernachlässigen.

Sie tritt im Größeren in Erscheinung, da die Kernkräfte extrem kurzreichweitig sind und sich elektromagnetische Kräfte ausgleichen.

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Lichtgeschwindigkeit im Medium 15 Feb 2018 10:08 #27957

MarlenS schrieb: Ist es jetzt so, dass das Photon auf ein Atom trifft und die irgendetwas elektromagnetisches miteinander machen, was Zeit kostet z.B. Energieumwandlungen nach Anregung oder Streuung usw.?

Im Prinzip ist es so. Diesen Zeitverlust nutzt man geschickt aus. Hier ein Link dazu.

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Lichtgeschwindigkeit im Medium 17 Feb 2018 09:46 #28032

super cool - Dein Link, Michael D.
Von 2001... warum hört man so wenig davon?

Werd‘ ich geboren wird es wenig kühl.
Bin ich ewig ist ewig für mich jetzt.
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Mein Tod mag Bahnen stören doch sorgt er für Niveau.
Pflanz‘ ich mich fort bin ich nicht attraktiv.
Doch bin ich beides und auch beides nicht.

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Lichtgeschwindigkeit im Medium 27 Apr 2018 12:47 #31740

OMG - je näher ich mich mit dem Thema beschäftigt habe, desto undurchsichtiger und abstrakter wird es. An dieser Stelle werfe ich offiziell das Handtuch vor der Natur des Lichts und beschließe den Physikern einfach zu vertrauen.
Wenigstens habe ich in den letzten Wochen gelernt Differentialgleichungen zu lösen - also war es nicht ganz vergebens.

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Lichtgeschwindigkeit im Medium 28 Apr 2018 12:26 #31801

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MarlenS schrieb: Ab hier verstehe ich es nicht mehr. Ist es jetzt so, dass das Photon auf ein Atom trifft und die irgendetwas elektromagnetisches miteinander machen, was Zeit kostet z.B. Energieumwandlungen nach Anregung oder Streuung usw.?

Die derzeit führende Theorie geht davon aus, dass die LG auch im Medium sich nicht ändert. Der Lichtstrahl des Atoms trifft jedoch auf ein Molekül/Atom des Mediums, wird von diesem absorbiert und auf ein höheres Energieniveau befördert. Danach wird wieder ein Photon emittiert. Absorption und Emission benötigen aber Zeit.
Diese Sichtweise ist populär, aber eben auch umstritten Im englischen WIKI ist es genauer beschrieben:

Die populäre Beschreibung von Licht, das in diesen Experimenten "gestoppt" wird, bezieht sich jedoch nur auf Licht, das in den angeregten Zuständen von Atomen gespeichert wird, und dann zu einer willkürlich späteren Zeit wieder emittiert wird, wenn es durch einen zweiten Laserimpuls stimuliert wird. Während der Zeit, in der es "aufgehört" hatte, war es nicht mehr hell. Diese Art von Verhalten ist im Allgemeinen mikroskopisch für alle transparenten Medien gültig, die die Lichtgeschwindigkeit "verlangsamen"


Diese Zeit wird dem Brechungsindex gleichgesetzt. Dieser ist im Normalfall größer als 1. Bei anderen Materialien ist es möglich, dass der Brechungsindex für einige Frequenzen kleiner als 1 wird; Bei einigen exotischen Materialien ist es sogar möglich, dass der Brechungsindex negativ wird.
Im westlichen hängt es mit einer unterschiedlichen Gruppen- und Phasengeschwindigkeit zusammen und mit dem Übergang von einem Medium in ein anderes.
Denn es ist möglich, dass ein Teilchen schneller durch ein Medium läuft als die Phasengeschwindigkeit von Licht in diesem Medium (aber immer noch langsamer als c ).
Man geht daher von einem Quantenmechanischen Effekt, insbesonders bei Materialien mit Brechungsindex kleiner (oder sogar minus) 1, aus....

MfG
WL01

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