Hvorfor bevæger lyset sig langsommere i fx glas og vand end i det tomme rum?

Relaterede dokumenter
En sumformel eller to - om interferens

Elektromagnetisme 14 Side 1 af 9 Elektromagnetiske bølger. Bølgeligningen

Elektromagnetisme 14 Side 1 af 10 Elektromagnetiske bølger. Bølgeligningen

Den harmoniske svingning

DIFFERENTIALREGNING Hvorfor er himlen blå?

Interferens og optisk gitter

Fysik 2 - Den Harmoniske Oscillator

Interferens mellem cirkelbølger fra to kilder i fase Betingelse for konstruktiv interferens: PB PA = m λ hvor m er et helt tal og λ er bølgelængden

6 Plasmadiagnostik 6.1 Tætheds- og temperaturmålinger ved Thomsonspredning

Theory Danish (Denmark)

Svingninger. Erik Vestergaard

Løsninger til øvelser i kapitel 1

Interferens og gitterformlen

Løsningsforslag til fysik A eksamenssæt, 23. maj 2008

Bedste rette linje ved mindste kvadraters metode

VUC Vestsjælland Syd, Slagelse Nr. 1 Institution: Projekt Trigonometri

Projektopgave Observationer af stjerneskælv

Bølgeligningen. Indhold. Udbredelseshastighed for bølger i forskellige stoffer 1

Nedenfor er tegnet svingningsmønsteret for to sinus-toner med frekvensen 440 og 443 Hz:

Kræfter og Energi. Nedenstående sammenhæng mellem potentiel energi og kraft er fundamental og anvendes indenfor mange af fysikkens felter.

Arbejdsopgaver i emnet bølger

Elementær Matematik. Trigonometriske Funktioner

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2004

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2005

Harmoniske Svingninger

Analytisk geometri. Et simpelt eksempel på dette er en ret linje. Som bekendt kan en ret linje skrives på formen

Theory Danish (Denmark)

Protoner med magnetfelter i alle mulige retninger.

Antennens udstrålingsmodstand hvad er det for en størrelse?

Teknologi & kommunikation

Grafmanipulation. Frank Nasser. 14. april 2011

Additionsformlerne. Frank Villa. 19. august 2012

En harmonisk bølge tilbagekastes i modfase fra en fast afslutning.

Laboratorieøvelse Kvantefysik

Harmonisk oscillator. Thorbjørn Serritslev Nieslen Erik Warren Tindall

Teknikken er egentlig meget simpel og ganske godt illustreret på animationen shell 4-5.

Dæmpet harmonisk oscillator

Danmarks Tekniske Universitet

GUX. Matematik. A-Niveau. Fredag den 31. maj Kl Prøveform a GUX191 - MAA

Skriftlig eksamen i Statistisk Mekanik den fra 9.00 til Alle hjælpemidler er tilladte. Undtaget er dog net-opkoblede computere.

IMPEDANSBEGREBET - KONDENSATOREN. Faseforskydning mellem I og U Eksempel: R, X og Z I og U P, Q og S. Diagrammer

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2019

Studieretningsopgave

Røntgenspektrum fra anode

1. Vibrationer og bølger

Øvelsesvejledning RG Stående bølge. Individuel rapport. At undersøge bølgens hastighed ved forskellige resonanser.

David Kallestrup, Aarhus School of Engineering, SRP-forløb ved Maskinteknisk retning 1

Vektorer og lineær regression

Fysik 2 - Oscillator. Amalie Christensen 7. januar 2009

Vektorer og lineær regression. Peter Harremoës Niels Brock

Teoretiske Øvelser Mandag den 13. september 2010

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

Theory Danish (Denmark) Ikke-lineær dynamik i elektriske kredsløb (10 point)

Eksamen i fysik 2016

Benjamin Franklin Prøv ikke at gentage forsøget! hvor er den passerede ladning i tiden, og enheden 1A =

Brydningsindeks af vand

Tillæg til partikelfysik (foreløbig)

IMPEDANSBEGREBET - SPOLEN. Faseforskydning mellem I og U Eksempel: R, X og Z I og U P, Q og S. Diagrammer

Den klassiske oscillatormodel

Differentiation af sammensatte funktioner

Faldmaskine. , får vi da sammenhængen mellem registreringen af hullerne : t = 2 r 6 v

Løsninger til udvalgte opgaver i opgavehæftet

Indhold En statistisk beskrivelse... 3 Bølgefunktionen... 4 Eksempel... 4 Opgave Tidsafhængig og tidsuafhængig... 5 Opgave 2...

U = φ. R = ρ l A. Figur 1 Sammenhængen mellem potential, φ og spændingsfald, U: U = φ = φ 1 φ 2.

Kaotisk kuglebevægelse En dynamisk analyse

Afstande, skæringer og vinkler i rummet

Potensfunktioner samt proportional og omvent proportional. for hf Karsten Juul

Enkelt og dobbeltspalte

Afstande, skæringer og vinkler i rummet

Undervisningsbeskrivelse

Opgave 1. (a) Bestem de to kapacitorers kapacitanser C 1 og C 2.

Undervisningsbeskrivelse

Optisk gitter og emissionsspektret

Forelæsning 7a. Ikke-linariteter Multipoler (specielt sekstupoler) Andenordens resonans Tredjeordens resonans Langsom ekstraktion

Introduktion til differentialregning 1. Jens Siegstad og Annegrethe Bak

Dynamik. 1. Kræfter i ligevægt. Overvejelser over kræfter i ligevægt er meget vigtige i den moderne fysik.

Besvarelser til Calculus og Lineær Algebra Globale Forretningssystemer Eksamen - 3. Juni 2014

Newtons love - bevægelsesligninger - øvelser. John V Petersen

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Forelæsning 2 Transverse motion, Lattices

Vektorer i 3D. 1. Grundbegreber. 1. Koordinater. Enhedsvektorerne. Vektor OP. De ortogonale enhedsvektorer kaldes for: Hvis punkt p har koordinaterne:

July 23, FysikA Kvantefysik.notebook

Dopplereffekt. Rødforskydning. Erik Vestergaard

1. Kræfter. 2. Gravitationskræfter

Teoretiske Øvelser Mandag den 28. september 2009

Danmarks Tekniske Universitet

MODUL 1-2: ELEKTROMAGNETISK STRÅLING

Den ideelle operationsforstærker.

GrundlÄggende variabelsammenhänge

Trekants- beregning for hf

ELEKTRISKE KREDSLØB (DC)

Elektrokemisk potential, membranpotential og. Donnanligevægt

Statistisk mekanik 10 Side 1 af 7 Sortlegemestråling og paramagnetisme. Sortlegemestråling

Fysik A - B Aarhus Tech. Niels Junge. Bølgelærer

MÅLING AF MELLEMATOMARE AFSTANDE I FASTE STOFFER

KONDENSATORER (DC) Princip og kapacitans Serie og parallel kobling Op- og afladning

Undersøgelse af lyskilder

Vi begynder med at repetere noget af det tidligere gennemgåede som vi skal bruge.

π er irrationel Frank Nasser 10. december 2011

Trigonometri. Matematik A niveau

Transkript:

Hvorfor bevæger lyset sig langsommere i fx glas og vand end i det tomme rum? - om fysikken bag til brydningsindekset Artiklen er udarbejdet/oversat ud fra især ref. 1 - fra borgeleo.dk Det korte svar: det indkommende elektromagnetiske kildefelt tvinger elektronerne i stoffets atomer i svingninger, og de aelererede elektroner udsender en stråling, der interfererer med det indkommende kildefelt. Dette resulterende felts fasehastighed i stoffet bliver hermed mindre end lysets fart i det tomme rum - her forudsat at brydnings-indekset n er større end 1. Når frekvensen af det ydre kildefelt nærmer sig (nedefra) til en resonansfrekvens for materialet, vil brydningsindekset vokse i takt med, at de atomare elektroners amplituder vokser. Herved forøges svarfeltet fra stoffet, og fasehastigheden falder yderligere. Strålingsbidraget fra de enkelte kilder (indkommende kildefelt og aelererede elektroner) bevæger sig med lysets fart i det tomme rum. Det mere detaljerede svar: Vi regner på et simpelt eksempel, hvor et ydre kildefelt der kommer ind langs z-aksen bringer atomernes elektroner i svingninger i en tynd skive i x-y-planen. Ladningernes aeleration bevirker, at de udsender stråling - som svingende elektroner i en antenne. Vi beregner det samlede felt fra alle disse aelererede ladninger på den anden side af skiven, og ser på interferensen med det oprindelige kildefelt. Det induerede felt er faseforskudt 90 i forhold til det ydre kildefelt. Herved bliver fasehastigheden for det resulterende felt lavere end lysets fart i det tomme rum i det tilfælde, hvor brydningsindekset er større end 1. Afstanden mellem atomerne antages så stor, at den udsendte aelerationsstråling ikke påvirker de øvrige atomer. Kildefeltet beskriver vi ved formlen E s (t, z) = E 0 os [ω (t z )] (1) Her er E 0 kildefeltets amplitude, ω er feltets vinkelfrekvens, hvor ω = 2π f med f som feltets frekvens. Kildefeltet ruller ind i retning af z-aksen med lysets fart. Holder vi nemlig fasen ω (t z ) konstant, må Δt Δz = 0, hvoraf v z = Δz =. Vi ser altså, at feltets fasehastighed er. Δt Dette felt tvinger atomernes elektroner i svingninger med samme frekvens som kildefeltet. En elektrisk ladning, der aelereres, udsender i stor afstand fra ladningen stråling efter formlen E x (t) = q ax(t r ) 4πε 0 2 r (2) 1

Her er a x (t r ) aelerationen vinkelret på sigtelinjen, til tidspunktet t r, hvor vi har trukket den tid, feltet har brugt for at nå distanen r, fra tiden t. Det er altså aelerationen en gang i fortiden der skaber feltet i nutiden. Det er summen af alle disse induerede felter, der ved interferens med kildefeltet giver et felt, der har en fasehastighed /n, hvor n brydningsindekset ved kildefeltets frekvens. Her ser vi dog bort fra, at de induerede felter også vil påvirke atomerne - i hvert fald i tætte materialer. Så vores forsimplede beskrivelse gælder i første omgang gasarter, hvor der er langt mellem atomerne. Ikke desto mindre giver dette forklaringen på den lavere fasehastighed, som vi skal se. Alle felterne - både kildefeltet og de induerede felter - udbredes med lysets fart i det tomme rum også inde i materialet. Vi vil først se på, hvordan en ændret fart for det resulterende felt viser sig som en faseændring i forho ld til kildefeltets fase - og senere se på, hvordan denne faseændring kan udtrykkes ved atomare parametre. På figur 1 nedenfor ses kildefeltet rulle ind fra venstre for den tynde skive, og efter skiven vil i punktet P det samlede felt være kildefeltet plus feltet fra alle de aelererede ladninger/elektroner. Det samlede felt i punktet P vil være faseforskudt i forhold til hvad kildefeltet ville være uden skivens tilstedeværelse. Hvis kildefeltet passerer materialet med lysets fart, vil passagetiden være z. Hvis derimod feltets fart kun er, n vil passagetiden være z = z n. /n Figur 1: Kildefeltet aelererer alle ladninger op/ned. Ladningerne udsender derfor stråling. Vi vil finde det samlede felt i punktet P. Altså vil den ekstra tid for passagen af skiven med bredden z være t = z z z n = (n 1) forsinkelse (3) For at beskrive det resulterende felt i punktet P, trækker vi tiden t fra t i formel (1): 2

Herved får vi det resulterende felt på højre side af skiven: E res (t,z) = E 0 os [ω (t t z )] (4) som vi omskriver på følgende måde: E res (t,z) = E 0 os[ω (t z ) ω t] Vi anvender nu følgende approksimation, der gælder, til første orden i h: os(fase + h) os(fase) + os (fase) h = os(fase) sin(fase) h Anvendt på feltet ovenfor, fås E res (t,z) = E 0 os[ω (t z ) ω t] E 0 os[ω (t z )] E 0 sin [ω (t z )] ( ω t) = E s + E 0 sin [ω (t z )] ω t idet vi forudsætter, at ω t er et lille tal. Indsætter vi nu udtrykket (2) i stedet for t, finder vi endelig udtrykket E res (t,z) E s + E 0 sin [ω (t z z )] ω (n 1) Feltet fra alle ladningerne er det sidste led i denne formel, forudsat at beskrivelsen af ladningerne virkning på kildefeltet blot er en faseforskydning af kildefeltet (vi har her set bort fra evt. absorption). Vi har så: hvor E res (t,z) = E s + E alle atomer E alle atomer E 0 sin [ω (t z z )] ω (n 1) (5) Udnytter vi formlen sin(x) = os (x π ), er det resulterende felt altså: 2 E res (t,z) E 0 os[ω (t z )] + E 0 os[ω (t z ) π z ] ω (n 1) 2 3

og vi ser heraf, at det induerede felt er faseforskudt 90 i forhold til det ydre kildefelt. Dette vises på figur 2, hvor radius i irklen er amplituden E 0 på det ydre kildefelt. De fysiske felter er projektionerne af vektorerne på 1. aksen. Det bemærkes (igen), at det induerede felt skal være svagt i forhold til kildefeltet, sådan at det resulterende felt har samme amplitude som det ydre kildefelt (til 1. orden), under forudsætning af, at der ikke er absorption eller forstærkning af strålingen. Det elektriske felt E res er blot faseforskudt i forhold til kildefeltet E S. Figur 2: faseforskydningen f = ω (n 1) z af det elektriske felt efter passagen af skiven med tykkelsen z Vi vil herefter prøve at beregne E alle atomer i punktet P direkte ud fra formel (2), idet vi adderer bidragene fra alle atomer. Vi forudsætter, at alle atomers bevægelse er i fase og med samme amplitude, styret af det ydre kildefelt. Vi antager, at alle atomerne udfører harmoniske svingninger omkring en ligevægtsposition i fase med det ydre kildefelt, alle med samme amplitude x 0. Derfor kan vi skrive: x(t) = x 0 os(ω t) Vinkelfrekvensen ω er som nævnt styret af det ydre kildefelt. Heraf finder vi: og v x (t) = dx dt = x 0 ω sin (ω t) a x (t) = dv x dt = x 0 ω 2 os(ω t) For at finde det induerede elektriske felt i punktet P, skal vi bruge aelerationens komposant vinkelret på linjen QP. 4

E P (t) = q ax(t r ) 4πε 0 2 r Her er q den elektriske ladning for den aelererede ladning, ε 0 er vakuumpermittiviteten. Vi har dog her udeladt en osinusfaktor, der skal projiere aelerationen ind på en normal til sigtelinjen mellem Q og P. Indsætter vi så a x (t r ) fra aelerationsudtrykket ovenfor, fås E P (t) = q x0 ω2 os[ω(t r )] 4πε 0 2 r Vi skal nu addere felterne fra alle atomerne i hele skiven. Det bemærkes, at osinus-leddet vil skifte fortegn mange gange for voksende værdier af r - fordi det er feltet fra fjernere atomer, og feltet i punktet P til tiden t stammer altså fra atomer i alle mulige forskellige faser af aelerationen bagud i tiden. Detaljerne i udledningen af det samlede felt fra atomerne vil ikke blive gennemgået her, men resultatet er E P,alle atomer (t) = η q 2ε 0 x 0 ω sin [ω (t z )] Her er η antallet af ladninger pr. arealenhed af skiven. Dette felt er (også af symmetrigrunde) parallel med x-aksen, se figur 1. Det er måske ikke så mærkeligt at vi får sinus når vi integrerer osinus! Hvis vi indfører størrelsen N som er antallet af ladninger pr. volumenenhed, så er η = N z Dette indføres i udtrykket for feltet ovenfor: E alle atomer (t) = N z q x 2ε 0 ω sin [ω (t z )] (6) 0 Vi mangler nu bare sammenhængen mellem x 0 og kildefeltets E 0 inden vi kan opstille et udtryk for brydningsindekset, der indgår i ligning (5). Vi ser nøjere på ladningernes bevægelse under påvirkning af den elastiske kraft proportional med afstanden til ligevægtsstedet: F elastisk = m ω 02 x 5

Her er ω 0 egen(vinkel)frekvensen for den harmoniske svingning, se nedenfor. Hvis dette er den eneste kraft, får vi bevægelsesligningen m x (t) = m ω 02 x, og løsningen er x(t) = x 0 os (ω 0 t) Altså en harmonisk svingning med vinkelfrekvensen ω 0 med amplituden x 0 som ikke er fastlagt af bevægelsesligningen. Når ladningen også er påvirket af et ydre elektrisk felt E S, ændres bevægelsesligningen til Indføres heri, at m x (t) + m ω 02 x(t) = q E S (t) E S (t) = E 0 os (ω t) bliver bevægelsesligningen m x (t) + m ω 02 x(t) = q E 0 os (ω t) Løsningerne til denne ligning er x(t) = x 0 os (ω t) Altså en harmonisk svingning med det påtrykte felts frekvens. Indføres denne i bevægelsesligningen, finder vi Derfor bliver: Og vi får så endelig: m [ ω 2 x 0 os(ω t)] + m ω 02 x 0 os(ω t) = q E 0 os (ω t) m ω 2 x 0 + m ω 02 x 0 = q E 0 x 0 = q E 0 m (ω 0 2 ω 2 ) Vi indsætter dette resultat i ligning (6): E P,alle atomer (t) = N z q 2ε 0 q E 0 m (ω 0 2 ω 2 ) ω sin [ω (t z )] Dette udtryk er af præis den form, vi gerne ville have ifølge ligning (5), som vi gentager her: 6

E P,alle atomer E 0 sin [ω (t z z )] ω (n 1) Identifieres de to udtryk, følger at eller n 1 = N q q 2ε 0 m (ω 2 0 ω 2 ) n = 1 + N q 2 2ε 0 m (ω 0 2 ω 2 ) (7) Her er det udtryk, vi gerne ville finde, nemlig brydningsindekset udtrykt ved kildefeltets (vinkel-)frekvens ω, tætheden af ladninger i stoffet samt nogle atom/elektron egenskaber. Vi kan konkludere, at både kildefeltet og de felter, de atomare elektroner genererer, bevæger sig i stoffet med lysets fart i det tomme rum, nemlig. Interferensen mellem dem skaber et felt, der har en lavere fasehastighed end (her forudsat, at n > 1, dvs ω < ω 0 ifølge (7)). I virkelige atomer er der mere end en resonansfrekvens, idet der jo almindeligvis er flere exiterede tilstande i et atom. Derfor skal formel (7) erstattes med følgende formel: q2 f k (ω k 2 ω 2 ) n = 1 + N 2ε k (8) 0 m Her er ω k resonans(vinkel-)frekvensen for den k te exiterede tilstand, og f k er den såkaldte osillatorstyrke - som fortæller, hvor stærkt atomets k te exiterede tilstand deltager i svingningen. Figur 3: brydningsindekset minus 1 som funktion af vinkelfrekvensen. Resonansvinkelfrekvenserne er ω 1, ω 2 og ω 3. 7

Hvis vi i formel (7) indfører bølgelængden (i det tomme rum) i stedet for vinkelfrekvensen via relationen ω = 2π f = 2π λ Herved omformes (7) til n 1 = N q 2 = N q 2 2ε 0 m (ω 2 0 ω 2 1 ) 2ε 0 m 4π 2 2 ( λ2 1 0 λ 2) Den elektriske ladning q antager vi er elektronens ladning, og massen m sætter vi til elektronens masse. Herved kan konstanten q 2 2ε 0 m 4π q 2 2ε 0 m 4π 2 2 = 4,485 10 16 m Herved forenkles udtrykket for n 1 til n 1 = N 4,485 10 16 m 2 2 udregnes, og resultatet er 1 λ2 1 0 λ 2 Antager vi yderligere standardbetingelserne temperatur: 0 C tryk: 101325 Pa for gassen, kan det via ædelgasligningen vises, at N = 2,687 10 25 /m 3. Herved finder vi Eksempel: argon n 1 = 1,205 1010 m 2 1 λ2 1 0 λ 2 (9) Som nævnt ovenfor er der som regel flere resonansfrekvenser for et bestemt atom. Derfor vil formel (9) som regel indeholde et led for hver resonansfrekvens. Begrænser vi os til det synlige lys, vil der ofte kun være nødvendigt at medtage de resonanser, der har energier tættest på dette bølgelængdeområde. n 1 = 2,50141 10 3 91,012 λ 5,00283 10 3 5,22343 10 2 + + 2 87,892 λ 2 214,02 λ 2 I denne formel er bølgelængden målt i enheden mikrometer (1μm = 10 6 m). Se ref. 3. Formlen er gældende i bølgelængdeområdet 0,1404 til 0,5677 mikrometer. Øvelse: hvilke bølgelængder svarer til resonansovergangene ifølge denne formel? Beregn de tilsvarende overgangsenergier. Sammenlign fx med NIST-databasen, ref. 2 8

I tættere materialer kan vi ikke undgå at tage hensyn til atomernes indbyrdes vekselvirkning, da de induerede felter fra andre atomer påvirker feltet på det enkelte atoms plads. Det vil dog føre for vidt at behandle dette emne her. Kilder: 1) Feynman letures, volume I, især kapitel 28 og 31 1970, Addison-Wesley Publishing Company samt internetkilder. 2) NIST--databasen: https://physis.nist.gov/physrefdata/asd/lines_form.html 3) Data for brydningsforhold for gasser, se fx https://refrativeindex.info/?shelf=main&book=he&page=mansfield 9