Jeg prøver for øyeblikket å lære meg noen grunnleggende kvantemekanikk, og jeg er litt forvirret. Wikipedia definerer et foton som et kvante av lys, som det videre forklarer som en slags bølgepakke .
Hva er egentlig et kvantum av lys?
Mer presist, er et kvantum av lys ment å være bare et visst antall bølgelengder av lys (noe som «1 kvante = en enkelt periode med en sinusbølge» kanskje?), eller er konseptet helt ubeslektet med bølgelengder? Med andre ord, hvor mye koster et enkelt kvantum?
Kommentarer
- Nei. Det ‘ er nært knyttet til usikkerhetsbegrepet, og hvordan det ‘ representerer i bølger. Ta en titt på dette spørsmålet: physics.stackexchange.com/q/18062/5223
- Også et utmerket sted å begynne å pakke hodet rundt dette er for å studere dobbeltspalt eksperiment .
- @Dejan: ok, men det aksepterte svaret gir en beskrivelse av et foton som en bølgepakke med E- og B-felt, som er grovt feil, og vil villede andre. En enkelt foton er rent kvantemekanisk og er beskrevet av en kvanteoverstilling av E- og B-felt som ikke har noen bestemt klassisk analog under noen omstendigheter. Dette er forskjellig fra for eksempel et enkelt pion, der bølgefunksjonen formelt kan beskrives av en løsning på den klassiske pionfeltets bevegelsesligning, fordi pionen kan være ikke-relativistisk.
- Mulig duplikat av Hva er egentlig et foton?
- @peterh Tuller du meg? Du stemte for å la være åpen det nyere spørsmålet som en duplikat av dette, og nå ‘ temmer igjen for å lukke denne som en duplikat av den nyere?
Svar
Det er to betydninger som vanligvis er knyttet til ordet «kvante» i kvanteteori, en dagligdags og en teknisk.
Som du vet, oppfører elektromagnetisk stråling seg på måter som er karakteristiske for både bølger og partikler. For ikke-spesialister er det lett å tenke på en partikkel som en «enhet» av bølgen, og siden «kvante» betyr en enhet av noe, har ordet blitt assosiert med «partikkel.» Men i virkeligheten er ideen om en partikkel er ikke presist definert. Når folk snakker om en lyspartikkel, kan EM-feltet assosiert med det de sannsynligvis mener beskrives som en bølgepakke, som du kan tenke på som en elektromagnetisk bølge som er lokalisert til en liten region i rommet. For eksempel noe sånt:
Dette er selvfølgelig bare et eksempel; bølgepakker kan ha alle slags former.
Den mer presise, tekniske betydningen av «kvante» har å gjøre med Fourier-nedbrytning. Som du kanskje vet, kan en hvilken som helst funksjon brytes ned i en sum av sinusbølger (eller komplekse eksponensialer),
$$ f (x) \ propto \ int e ^ {ikx} \ tilde f (k) \ mathrm {d} k $$
For et gitt momentum $ k $ representerer amplituden $ \ tilde f (k) $ sinusbølgens bidrag med den frekvensen til den totale bølgen. Nå representerer verdien klassisk $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ for hver $ k $ et bona fide bidrag til lysets energi. Men antagelsen som gjør kvanteteorien til kvante er at $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ i stedet representerer sannsynligheten for at det er et bidrag til energien til lyset som kommer fra den frekvensen. Det faktiske bidraget som kan komme fra en gitt frekvens kan bare være ett av et sett med spesifikke verdier, som er heltallsmultipler av noen enhet $ \ hbar c / k $. «Kvante» er ordet for den energienheten.
Svar
Et kvante av lys er en lyspartikkel som kan forsvinne, gi energien til et atom- eller partikelsystem, eller vises, og ta energi vekk fra et partikkel eller atomsystem. Et lyskvantum med bølgelengde $ \ lambda $ er den minste energimengden som kan lagres i en elektromagnetisk bølge ved den bølgelengden, som er Plancks konstante h ganger frekvensen. Fotonen er ikke relatert til bølgen i noe betong måten, den klassiske bølgen er en overstilling av et stort antall fotoner som er sammenhengende.
Kommentarer
- …. ikke nødvendigvis en stort antall fotoner, men definitivt et ubestemt antall fotoner, siden feltamplituden ikke forenes med energi og / eller modus okkupasjonsnummer
- @lurscher: Nei , et stort antall er den mer presise uttalelsen.Et ubestemt lite tall fungerer ikke ‘ for å produsere en bestemt feltmengde, mens et stort bestemt antall fotoner fremdeles kan produsere et felt hvis lokale fasesvingninger er liten, noe som betyr at hvis du måler fasen på et punkt, kollapser fasen på et fjernt punkt til en jevn bølge.
- @lurscher: Hva gjør $ [\ hat {n}, \ hat {a} ] $ har det å gjøre med Ron Miamon ‘ sitt svar? Jeg ‘ er ikke sikker på at jeg forstår utsagnet ditt.
- @Antillar: poenget er, når har en foton en feltbeskrivelse? Han sier at grensen ikke bare trenger et stort antall, men et ubestemt antall fotoner, akkurat som grensen for » bestemt posisjon » i en harmonisk oscillator trenger et » stort ubestemt energinivå «. Dette stemmer teknisk, men jeg tror det er bedre å bare si » stort antall «, fordi den relative fasen fremdeles kan være ok etter en måling, som etter en posisjonsmåling av en stor NHO, svinger partikkelen. Det ‘ er et mindre problem, og hovedpoenget er uendret.
Svar
Bare en bemerkning som kan være nyttig å forstå hva foton er:» lysets bølgelengder «ser ut til å være bare en teoretisk verdi beregnet ved hjelp av Planck-modellen. Det som virkelig kan måles i eksperimentet er fotonets momentum / energi, ikke bølgelengden. For eksempel er «fargen» på fotonet fullstendig bestemt av momentum.
Svar
Her er noen ting som kan hjelpe:
Alt har bølge-partikkel dualitet (til og med oss). Denne «effekten» er ikke begrenset til skalaen til enkeltpartikler (mikroskopisk / subatomær skala) som elektroner. Ved korrespondanseprinsippet i kvantemekanikken kartlegges disse kvantefenomenene på den makroskopiske skalaen (dette kan løst betraktes som skalaen til verdenen vi eksisterer i).
Kommer nærmere å svare på spørsmålet ditt:
Lys (eller generelt EM-stråling) forplanter seg gjennom rommet som en bølge, men det samhandler med materie som en partikkel som vi kaller fotoner . Den fotoelektriske effekten viste dette eksperimentelt (faktisk ved et uhell) og i 1905 ga Einstein beviset. Louis de Broglie viste faktisk at hvis bølger kan oppføre seg som partikler, kan partikler oppføre seg som bølger.
Hva er egentlig et kvantum av lys?
Jeg vil ikke si noe om wavepacket-forklaringen da dette allerede er blitt forklart i detalj i et annet svar.
Men et kvantum av lys blir ofte tenkt på som en diskret mengde energi som lysfotonen kan ha. Det vil si at energien er kvantifisert og ikke lenger kontinuerlig. selv har energikvanta.