Quest-ce quun quantum de lumière?

Il y en a deux sens généralement attachés au mot «quantique» dans la théorie quantique, un familier et un technique.

Comme vous le savez, le rayonnement électromagnétique se comporte de manière caractéristique à la fois des ondes et des particules. Pour les non-spécialistes, il est facile de penser à une particule comme étant une « unité » de londe, et comme « quantique » signifie une unité de quelque chose, le mot a été associé à « particule ». Mais en réalité, le lidée dune particule nest pas définie avec précision. Lorsque les gens parlent dune particule de lumière, le champ électromagnétique associé à ce quils signifient probablement pourrait être décrit comme un paquet dondes, que vous pouvez considérer comme une onde électromagnétique localisée dans une petite région de lespace. Par exemple, quelque chose comme ceci:

Ceci est juste un exemple, bien sûr; les paquets dondes peuvent avoir toutes sortes de formes.

La signification technique plus précise de «quantum» a à voir avec la décomposition de Fourier. Comme vous le savez peut-être, toute fonction peut être décomposée en une somme dondes sinusoïdales (ou dexponentielles complexes),

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

Pour tout moment donné $ k $, lamplitude $ \ tilde f (k) $ représente la contribution de londe sinusoïdale avec cette fréquence à londe globale. Or, classiquement, la valeur de $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ à chaque $ k $ représente une contribution de bonne foi à lénergie de la lumière. Mais lhypothèse qui rend la théorie quantique quantique est que $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ représente plutôt la probabilité quil y ait une contribution à lénergie de la lumière provenant de cette fréquence. La contribution réelle qui peut provenir dune fréquence donnée ne peut être que lune dun ensemble de valeurs spécifiques, qui sont des multiples entiers dune certaine unité $ \ hbar c / k $. « Quantum » est le mot pour cette unité dénergie.

Un quantum de lumière est une particule de lumière qui peut disparaissent, donnant son énergie à un système atomique ou à particules, ou apparaissent, en enlevant de lénergie à une particule ou à un système atomique. Un quantum de lumière de longueur donde $ \ lambda $ est la quantité minimale dénergie qui peut être stockée dans une onde électromagnétique à cette longueur donde, qui est la constante de Planck h fois la fréquence. Le photon nest lié à londe dans aucun béton façon, londe classique est une superposition dun grand nombre de photons qui sont cohérents.

Commentaires

• …. pas forcément un grand nombre de photons, mais certainement un nombre indéterminé de photons, car lamplitude du champ ne se confond pas avec lénergie et / ou le nombre doccupation de mode
• @lurscher: Non , un grand nombre est la déclaration la plus précise.Un petit nombre indéterminé ne fonctionne ‘ t pour produire une quantité de champ définie, tandis quun grand nombre défini de photons peut encore produire un champ dont les fluctuations de phase locales sont minuscule, ce qui signifie que si vous mesurez la phase à un point, la phase à un point éloigné se réduit en une onde cohérente.
• @lurscher: Que signifie $ [\ hat {n}, \ hat {a} ] $ a à voir avec la réponse de Ron Miamon ‘? Je ‘ ne suis pas sûr de comprendre votre affirmation.
• @Antillar: le fait est, quand un photon a-t-il une description de champ? Il dit que la limite a besoin non seulement dun grand nombre, mais dun nombre indéterminé de photons, tout comme la limite de  » position définie  » dans un oscillateur harmonique a besoin dun  » grand niveau dénergie indéterminé « . Cest techniquement vrai, mais je pense quil vaut mieux dire simplement  » grand nombre « , car la phase relative peut toujours être correcte après une mesure, comme après une mesure de position dun grand N HO, la particule oscille. Cest ‘ un problème mineur, et le point principal est inchangé.

Juste une remarque qui pourrait être utile pour comprendre ce quest un photon: les » longueurs donde de la lumière « semblent nêtre quune valeur théorique calculée à laide du modèle de Planck. Ce qui peut vraiment être mesuré dans lexpérience, cest la quantité de mouvement / énergie du photon, pas la longueur donde. Par exemple, la «couleur» du photon est entièrement déterminée par son élan.

Voici quelques éléments qui pourraient vous aider:

Tout a dualité onde-particule (même nous). Cet «effet» nest pas limité à léchelle de particules uniques (échelle microscopique / subatomique) comme les électrons. Selon le principe de correspondance de la mécanique quantique, ces phénomènes quantiques sont cartographiés à léchelle macroscopique (cela peut être vaguement considéré comme léchelle du monde dans lequel nous existons).

Pour vous rapprocher de la réponse à votre question:

La lumière (ou en général le rayonnement EM) se propage dans lespace sous forme donde, mais elle interagit avec la matière en tant que particule que nous appelons photons . Leffet photoélectrique la montré expérimentalement (par accident en fait) et en 1905 Einstein en a fourni la preuve. Louis de Broglie a en fait montré que si les ondes peuvent se comporter comme des particules, alors les particules peuvent se comporter comme des ondes.

Quest-ce quun quantum de lumière?

Je ne dirai rien sur lexplication du paquet dondes car cela a déjà été expliqué en détail dans une autre réponse.

Mais un quantum de lumière est souvent considéré comme une quantité discrète dénergie que le photon de lumière peut avoir. Cest-à-dire que lénergie est quantifiée et nest plus continue. Donc les photons eux-mêmes ont des quanta dénergie.