Vitesse de la lumière
Bonjour,
Pourquoi la vitesse de la lumière varie-t-elle en fonction du milieu traversé ? Si ce milieu n'est pas le vide, pourquoi sa vitesse est plus petite que dans le vide ? Est-ce parce que les photons sont absorbés, ré-émis, absorbés, ré-émis, etc, par la matière ? Ou est-ce qu'il y a une autre explication ?
Merci d'avance.
Pourquoi la vitesse de la lumière varie-t-elle en fonction du milieu traversé ? Si ce milieu n'est pas le vide, pourquoi sa vitesse est plus petite que dans le vide ? Est-ce parce que les photons sont absorbés, ré-émis, absorbés, ré-émis, etc, par la matière ? Ou est-ce qu'il y a une autre explication ?
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Réponses
Au niveau des particules et des photons, un photon se propage dans le vide à la vitesse de la lumière. Puis il rencontre un électron dans le matériau : il est absorbé. Et il va faire vibrer cet électron. En supposant que l’énergie absorbée n’est pas égale à l’énergie de résonance, l’électron va émettre un photon de même longueur d’onde. Puis ce photon se propage à la vitesse de la lumière entre deux électrons… et on continue.
On ne peut parler que de données statistiques même pour ce temps : moyenne, écart-type, etc. bref, la loi de probabilité, quoi (pas forcément continue, je rajouterais plus « personnellement »)..
Ce pourrait être une question d’examen à l’ENS.
On doit mesurer la vitesse pour déterminer l’indice $n$ : la vitesse est donc, en moyenne, $c/n$.
On doit choisir un matériau : un diamant avec une distance de $x=3,5$ A entre atomes.
On doit choisir l’énergie des photons : disons une lumière bleue.
Dans ce cas, on a $n=2,5$ à peu près (donnée réelle).
Donc la vitesse est $c/n=0,4 c$.
Donc la fraction de durée perdue est $D=0,6 c$.
Donc la durée lors d’une absorption-émission est $\tau=D x/c$. C’est ici que je passe rapidement… On trouve numériquement $0,6 \times 3,5/ 3=0,7 \times 10^{-19}$ secondes.
Ce temps est court mais il faut le multiplier par le nombre d’atomes sur le trajet moyen.
La durée n’est pas fixe au niveau quantique… mais on s’attend à de faibles écarts.
(NB : mais (vu mon niveau) j'admettrais une réponse du style "ces questions sont difficiles, et plus vous les étudiez, plus vous mesurez combien elles le sont" (réponse que m'avait faite un prof d'économie sur le bien fondé des aides d'état aux entreprises)
@marco. On étudie la collision entre un photon et un électron par la physique de particules relativistes. On a conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement.
L’angle de déviation du photon le long de sa trajectoire est donné par $\Delta \lambda=h/(mc)\times (1-\cos \theta)$ avec des notations évidentes.
Mais certains photons se prennent l’électron en pleine gueule et lui transmettent presque toute leur énergie et rebroussent chemin.
@Area 51 : Tu poses indirectement une question sur la plus petite vitesse de la lumière dans un matériau.
Expérimentalement, dans les années 2000, la plus petite mesure a été d’environ 60 kilomètres par heure. C’est bien sûr un laser à travers un condensat de Bose-Einstein.
Ne reste plus qu’à mesurer expérimentalement…
On peut aussi parler des étoiles à neutrons si denses qu’elles mettent les photons en orbites. On aura du mal à mesurer le temps de parcours pour traverser l’étoile.
@marco.
Considérons un atome dans un milieu de température donnée. Cet atome est par exemple à la surface d’un matériau ou dans un gaz.
Lorsque un des électrons perd un niveau d’énergie et qu’un photon est émis à cette occasion 1. la direction, 2. la phase, et 3. l’énergie du photon, ou encore sa longueur d’onde ou fréquence sont aléatoires mais l’énergie suit une loi bien connue.
Mais on triche : les photons sont bien émis dans des directions aléatoires et seuls les photons émis dans la bonne direction sont amplifiés.