Cosè esattamente un quanto di luce?

Ce ne sono due significati solitamente attribuiti alla parola “quanto” nella teoria quantistica, uno colloquiale e uno tecnico.

Come sapete, la radiazione elettromagnetica si comporta in modi caratteristici sia delle onde che delle particelle. Per i non specialisti, è facile pensare a una particella come a una “unità” dellonda, e poiché “quanto” significa ununità di qualcosa, la parola è stata associata a “particella”. Ma in realtà, il lidea di una particella non è definita con precisione. Quando le persone parlano di una particella di luce, il campo EM associato a ciò che probabilmente significano potrebbe essere descritto come un pacchetto donda, che puoi pensare come unonda elettromagnetica localizzata in una piccola regione nello spazio. Ad esempio, qualcosa del genere:

Questo è solo un esempio, ovviamente; i pacchetti donda possono avere tutti i tipi di forme.

Il significato più preciso e tecnico di “quantum” ha a che fare con la decomposizione di Fourier. Come forse saprai, qualsiasi funzione può essere scomposta in una somma di onde sinusoidali (o esponenziali complessi),

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

Per ogni dato momento $ k $, lampiezza $ \ tilde f (k) $ rappresenta il contributo dellonda sinusoidale con quella frequenza allonda complessiva. Ora, classicamente il valore di $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ per ogni $ k $ rappresenta un contributo in buona fede allenergia della luce. Ma lassunto che rende quantistica la teoria quantistica è che $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ rappresenta invece la probabilità che vi sia un contributo allenergia della luce proveniente da quella frequenza. Il contributo effettivo che può provenire da una data frequenza può essere solo uno di un insieme di valori specifici, che sono multipli interi di qualche unità $ \ hbar c / k $. “Quantum” è la parola per quellunità di energia.

Un quanto di luce è una particella di luce che può scompaiono, dando la sua energia a un sistema atomico o particellare, oppure appaiono, sottraendo energia a un sistema particellare o atomico. Un quanto di luce di lunghezza donda $ \ lambda $ è la quantità minima di energia che può essere immagazzinata in unonda elettromagnetica a quella lunghezza donda, che è la costante di Planck h moltiplicata per la frequenza. Il fotone non è correlato allonda in nessun calcestruzzo modo, londa classica è una sovrapposizione di un gran numero di fotoni che sono coerenti.

Commenti

• …. non necessariamente a grande numero di fotoni, ma sicuramente un numero indeterminato di fotoni, poiché lampiezza del campo non si concilia con lenergia e / o il numero di occupazione della modalità
• @lurscher: No , un numero elevato è laffermazione più precisa.Un piccolo numero indeterminato non ‘ t produce una quantità di campo definita, mentre un numero elevato definito di fotoni può ancora produrre un campo le cui fluttuazioni di fase locali sono tiny, il che significa che se misuri la fase in un punto, la fase in un punto distante collassa in unonda consistente.
• @lurscher: cosa fa $ [\ hat {n}, \ hat {a} ] $ ha a che fare con la risposta di Ron Miamon ‘? ‘ non sono sicuro di aver capito la tua affermazione.
• @Antillar: il punto è, quando un fotone ha una descrizione del campo? Sta dicendo che il limite richiede non solo un numero elevato, ma un numero indeterminato di fotoni, proprio come il limite di ” posizione definita ” in un oscillatore armonico necessita di un ” livello di energia indeterminato grande “. Questo è tecnicamente vero, ma penso sia meglio dire solo ” numero grande “, perché la fase relativa può ancora essere ok dopo una misura, come dopo una misura di posizione di un grande N HO, la particella oscilla. È ‘ un problema minore e il punto principale rimane inalterato.

Solo unosservazione che potrebbe essere utile per capire cosa sia il fotone: le” lunghezze donda della luce “sembrano essere solo un valore teorico calcolato con laiuto del modello di Planck. Ciò che può essere realmente misurato nellesperimento è la quantità di moto / energia del fotone, non la lunghezza donda. Ad esempio, il “colore” del fotone è completamente determinato dalla sua quantità di moto.

Ecco alcune cose che potrebbero aiutare:

Tutto ha dualità onda-particella (anche noi). Questo “effetto” non è limitato alla scala delle singole particelle (scala microscopica / subatomica) come gli elettroni. In base al principio di corrispondenza nella meccanica quantistica, questi fenomeni quantistici vengono mappati su scala macroscopica (questo può essere vagamente pensato come la scala del mondo in cui esistiamo).

Avvicinandosi alla risposta alla tua domanda:

La luce (o in generale la radiazione EM) si propaga nello spazio come unonda, ma interagisce con la materia come una particella che chiamiamo fotoni . Leffetto fotoelettrico lo dimostrò sperimentalmente (in effetti per caso) e nel 1905 Einstein ne fornì la prova. Louis de Broglie ha infatti dimostrato che se le onde possono comportarsi come particelle, le particelle possono comportarsi come onde.

Cosè esattamente un quanto di luce?

Non dirò nulla sulla spiegazione del pacchetto donda poiché è già stato spiegato in dettaglio in unaltra risposta.

Ma un quanto di luce è spesso pensato come una quantità discreta di energia che il fotone di luce può avere. Vale a dire che lenergia è quantizzata e non più continua. Quindi i fotoni essi stessi hanno quanti di energia.