Was genau ist ein Lichtquantum?

Es gibt zwei Bedeutungen, die in der Quantentheorie normalerweise mit dem Wort „Quantum“ verbunden sind, eine umgangssprachliche und eine technische.

Wie Sie wissen, verhält sich elektromagnetische Strahlung auf eine Weise, die sowohl für Wellen als auch für Teilchen charakteristisch ist. Für Laien ist es leicht, sich ein Teilchen als eine „Einheit“ der Welle vorzustellen, und da „Quantum“ eine Einheit von etwas bedeutet, wurde das Wort mit „Teilchen“ assoziiert. Aber in Wirklichkeit ist das Die Idee eines Teilchens ist nicht genau definiert. Wenn Menschen über ein Lichtteilchen sprechen, könnte das EM-Feld, das mit dem verbunden ist, was sie wahrscheinlich meinen, als Wellenpaket beschrieben werden, das Sie sich als elektromagnetische Welle vorstellen können, die in einer kleinen Region im Raum lokalisiert ist. Beispiel:

Dies ist natürlich nur ein Beispiel; Wellenpakete können alle möglichen Formen haben.

Die genauere technische Bedeutung von „Quantum“ hat mit der Fourier-Zerlegung zu tun. Wie Sie vielleicht wissen, kann jede Funktion in eine Summe von Sinuswellen (oder komplexen Exponentialen) zerlegt werden,

$$ f (x) \ propto \ int e ^ {ikx} \ tilde f (k) \ mathrm {d} k $$

Für jeden gegebenen Impuls $ k $ repräsentiert die Amplitude $ \ tilde f (k) $ den Beitrag der Sinuswelle mit dieser Frequenz zur Gesamtwelle. Klassischerweise repräsentiert der Wert von $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ bei jedem $ k $ einen echten Beitrag zur Energie des Lichts. Die Annahme, die die Quantentheorie zum Quantum macht, ist jedoch, dass $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ stattdessen die Wahrscheinlichkeit darstellt, dass es einen Beitrag zur Energie des Lichts gibt, das von dieser Frequenz kommt. Der tatsächliche Beitrag, der von einer bestimmten Frequenz kommen kann, kann nur einer von mehreren spezifischen Werten sein, die ganzzahlige Vielfache einer Einheit $ \ hbar c / k $ sind. „Quantum“ ist das Wort für diese Energieeinheit.

Ein Lichtquant ist ein Lichtteilchen, das es kann verschwinden, seine Energie einem Atom- oder Partikelsystem geben oder erscheinen, einem Partikel oder Atomsystem Energie entziehen. Ein Lichtquantum der Wellenlänge $ \ lambda $ ist die minimale Energiemenge, die in einer elektromagnetischen Welle bei dieser Wellenlänge gespeichert werden kann, die Plancks Konstante h mal der Frequenz ist. Das Photon ist in keinem Beton mit der Welle verbunden Übrigens ist die klassische Welle eine Überlagerung einer großen Anzahl von Photonen, die kohärent sind.

Kommentare

• …. nicht unbedingt ein große Anzahl von Photonen, aber definitiv eine unbestimmte Anzahl von Photonen, da die Feldamplitude nicht mit der Energie- und / oder Modenbelegungszahl
• @lurscher: Nein Eine große Zahl ist die genauere Aussage.Eine unbestimmte kleine Zahl ‚ funktioniert nicht, um eine bestimmte Feldgröße zu erzeugen, während eine große bestimmte Anzahl von Photonen immer noch ein Feld erzeugen kann, dessen lokale Phasenschwankungen sind winzig, was bedeutet, dass, wenn Sie die Phase an einem Punkt messen, die Phase an einem entfernten Punkt zu einer konsistenten Welle zusammenbricht.
• @lurscher: Was bedeutet $ [\ hat {n}, \ hat {a} ] $ haben mit der Antwort von Ron Miamon ‚ zu tun? Ich ‚ bin mir nicht sicher, ob ich Ihre Aussage verstehe.
• @Antillar: Der Punkt ist, wann hat ein Photon eine Feldbeschreibung? Er sagt, dass die Grenze nicht nur eine große Anzahl, sondern eine unbestimmte Anzahl von Photonen benötigt, genau wie die Grenze der “ bestimmten Position “ in einem harmonischen Oszillator benötigt ein “ großes unbestimmtes Energieniveau „. Dies ist technisch wahr, aber ich denke, es ist besser, einfach “ große Zahl “ zu sagen, da die relative Phase danach immer noch in Ordnung sein kann Bei einer Messung schwingt das Teilchen wie nach einer Positionsmessung eines großen N HO. ‚ ist ein kleines Problem, und der Hauptpunkt bleibt unverändert.

Hier sind einige Dinge, die helfen könnten:

Alles hat Welle-Teilchen-Dualität (sogar wir). Dieser „Effekt“ ist nicht auf die Skala einzelner Teilchen (mikroskopische / subatomare Skala) wie Elektronen beschränkt. Durch das Korrespondenzprinzip in der Quantenmechanik werden diese Quantenphänomene auf die makroskopische Skala abgebildet (dies kann lose als die Skala der Welt angesehen werden, in der wir existieren).

Näher an der Beantwortung Ihrer Frage:

Licht (oder allgemein EM-Strahlung) breitet sich als Welle durch den Raum aus, interagiert jedoch mit Materie als Teilchen , das wir nennen Photonen . Der photoelektrische Effekt zeigte dies experimentell (tatsächlich zufällig) und 1905 lieferte Einstein den Beweis. Louis de Broglie hat tatsächlich gezeigt, dass sich Partikel wie Wellen verhalten können, wenn sich Wellen als Partikel verhalten können.

Was genau ist ein Lichtquantum?

Ich werde nichts zur Erklärung des Wellenpakets sagen, da dies bereits ausführlich erklärt wurde in einer anderen Antwort.

Aber ein Lichtquant wird oft als eine diskrete Energiemenge angesehen, die das Photon des Lichts haben kann. Das heißt, die Energie ist quantisiert und nicht mehr kontinuierlich. Also die Photonen selbst haben Energiequanten.