Jeg prøver i øjeblikket at lære nogle grundlæggende kvantemekanikker, og jeg er lidt forvirret. Wikipedia definerer et foton som et kvante af lys, som det yderligere forklarer som en slags bølgepakke .
Hvad er nøjagtigt et kvantum af lys?
Mere præcist, menes et kvante af lys at være bare et bestemt antal bølgelængder af lys (noget som “1 kvante = en enkelt periode med en sinusbølge” måske?), eller er konceptet helt uafhængig af bølgelængder? Med andre ord, hvor meget koster et enkelt kvantum?
Kommentarer
- Nej. Det ‘ er tæt knyttet til begrebet usikkerhed, og hvordan det ‘ er repræsenteret i bølger. Tjek dette spørgsmål: physics.stackexchange.com/q/18062/5223
- Også et fremragende sted at begynde at pakke hovedet rundt dette er for at studere eksperiment med dobbelt spalte .
- @Dejan: ok, men det accepterede svar giver en beskrivelse af en foton som en bølgepakke med E- og B-felter, som er groft forkert og vil vildlede andre. En enkelt foton er rent kvantemekanisk og er beskrevet af en kvanteoverlejring af E- og B-felter, som under ingen omstændigheder har nogen bestemt klassisk analog. Dette er forskelligt fra f.eks. Et enkelt pion, hvor bølgefunktionen formelt kan beskrives ved en løsning på den klassiske pionfeltligning af bevægelse, fordi pionen kan være ikke-relativ.
- Mulig duplikat af Hvad er nøjagtigt en foton?
- @peterh Gyder du mig? Du stemte for at lade det være åbent det nyere spørgsmål som en duplikat af denne og nu ‘ igen stemmer lukke denne som en kopi af den nyere?
Svar
Der er to betydninger, der normalt er knyttet til ordet “kvante” i kvanteteori, en dagligdags og en teknisk.
Som du ved, opfører elektromagnetisk stråling sig på måder, der er karakteristiske for både bølger og partikler. For ikke-specialister er det let at tænke på en partikel som en “enhed” af bølgen, og da “kvante” betyder en enhed af noget, er ordet blevet forbundet med “partikel.” Men i virkeligheden er ideen om en partikel er ikke præcist defineret. Når folk taler om en lyspartikel, kan EM-feltet, der er knyttet til det, de sandsynligvis mener, beskrives som en bølgepakke, som du kan tænke på som en elektromagnetisk bølge, der er lokaliseret til en lille region i rummet. For eksempel noget som dette:
Dette er selvfølgelig bare et eksempel; bølgepakker kan have alle mulige former.
Den mere præcise, tekniske betydning af “kvante” har at gøre med Fourier-nedbrydning. Som du måske ved, kan enhver funktion nedbrydes til en sum af sinusbølger (eller komplekse eksponentielle),
$$ f (x) \ propto \ int e ^ {ikx} \ tilde f (k) \ mathrm {d} k $$
For et givet moment $ k $ repræsenterer amplituden $ \ tilde f (k) $ sinusbølgens bidrag med denne frekvens til den samlede bølge. Nu repræsenterer værdien af $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ for hver $ k $ et bona fide bidrag til lysets energi. Men antagelsen, der gør kvanteteori til kvante, er, at $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ i stedet repræsenterer sandsynligheden for, at der er et bidrag til lysets energi, der kommer fra denne frekvens. Det faktiske bidrag, der kan komme fra en given frekvens, kan kun være et af et sæt specifikke værdier, som er heltalsmultipler af en eller anden enhed $ \ hbar c / k $. “Kvante” er ordet for den energienhed.
Svar
Et kvante af lys er en lyspartikel, som kan forsvinder, giver sin energi til et atom- eller partikelsystem eller ser ud og tager energi væk fra en partikel eller et atomsystem. Et lyskvantum med bølgelængde $ \ lambda $ er den mindste mængde energi, der kan lagres i en elektromagnetisk bølge ved denne bølgelængde, hvilket er Plancks konstant h gange frekvensen. Fotonen er ikke relateret til bølgen i nogen beton måde, den klassiske bølge er en superposition af et stort antal fotoner, der er sammenhængende.
Kommentarer
- …. ikke nødvendigvis en stort antal fotoner, men bestemt et ubestemt antal fotoner, da feltamplitude ikke konmuterer med energi og / eller tilstandsbesættelsesnummer
- @lurscher: Nej , et stort antal er den mere præcise udsagn.Et ubestemt lille antal fungerer ikke ‘ for at producere en bestemt feltmængde, mens et stort bestemt antal fotoner stadig kan producere et felt, hvis lokale fasesvingninger er lille, hvilket betyder at hvis du måler fasen på et punkt, kollapser fasen på et fjernt punkt til en jævn bølge.
- @lurscher: Hvad betyder $ [\ hat {n}, \ hat {a} ] $ har det at gøre med Ron Miamon ‘ s svar? Jeg ‘ er ikke sikker på, at jeg forstår dit udsagn.
- @Antillar: pointen er, hvornår har en foton en feltbeskrivelse? Han siger, at grænsen ikke kun behøver et stort antal, men et ubestemt antal fotoner, ligesom grænsen for ” bestemt position ” i en harmonisk oscillator har brug for et ” stort ubestemt energiniveau “. Dette er teknisk korrekt, men jeg synes, det er bedre bare at sige ” stort antal “, fordi den relative fase stadig kan være ok efter en måling, ligesom efter en positionsmåling af et stort NHO, svinger partiklen. Det ‘ er et mindre problem, og hovedpunktet er uændret.
Svar
Bare en bemærkning, der kan være nyttigt at forstå, hvad foton er:” lysets bølgelængder “synes kun at være en teoretisk værdi beregnet ved hjælp af Planck-modellen. Hvad der virkelig kan måles i eksperimentet er fotonets momentum / energi, ikke bølgelængden. F.eks. Bestemmes fotonens “farve” fuldt ud af dens momentum.
Svar
Her er nogle ting, der kan hjælpe:
Alt har bølge-partikel dualitet (endda os). Denne “effekt” er ikke begrænset til skalaen af enkeltpartikler (mikroskopisk / subatomær skala) som elektroner. Ved korrespondanceprincippet i kvantemekanik kortlægges disse kvantefænomener på den makroskopiske skala (dette kan løst betragtes som skalaen for den verden, vi eksisterer i).
Kom tættere på at besvare dit spørgsmål: p>
Lys (eller generelt EM-stråling) spredes gennem rummet som en bølge, men det interagerer med stof som en partikel som vi kalder fotoner . Den fotoelektriske effekt viste dette eksperimentelt (faktisk ved et uheld) og i 1905 fremlagde Einstein beviset. Louis de Broglie viste faktisk, at hvis bølger kan opføre sig som partikler, kan partikler opføre sig som bølger.
Hvad er nøjagtigt et kvantum af lys?
Jeg vil ikke sige noget om wavepacket-forklaringen, da dette allerede er blevet forklaret detaljeret i et andet svar.
Men et lyskvantum betragtes ofte som en diskret mængde energi, som lysfotonet kan have. Det vil sige, at energien er kvantificeret og ikke længere kontinuerlig. Så fotonerne selv har energikvanta.