Ik probeer momenteel wat basiskwantummechanica te leren en ik ben een beetje in de war. Wikipedia definieert een foton als een kwantum van licht, dat verder wordt uitgelegd als een soort golfpakket .
Wat is precies een kwantum van licht?
Preciezer gezegd, is een lichtkwantum bedoeld als een bepaald aantal golflengten van licht (zoiets als “1 kwantum = een enkele periode van een sinusgolf” misschien?), of is het concept totaal geen verband met golflengten? Met andere woorden, hoeveel is een enkel kwantum?
Reacties
- Nee. Het ‘ s hangt nauw samen met het concept van onzekerheid, en hoe dat ‘ wordt weergegeven in golven. Bekijk deze vraag eens: physics.stackexchange.com/q/18062/5223
- Ook een uitstekende plek om je hoofd rond te draaien dit is om het experiment met dubbele spleet te bestuderen.
- @Dejan: ok, maar het geaccepteerde antwoord geeft een beschrijving van een foton als een golfpakket van E- en B-velden, die schromelijk onjuist is en anderen zal misleiden. Een enkel foton is puur kwantummechanisch en wordt beschreven door een kwantumsuperpositie van E- en B-velden die onder geen enkele omstandigheid een duidelijk klassiek analoog heeft. Dit is anders dan bijvoorbeeld een enkele pion, waar de golffunctie formeel kan worden beschreven door een oplossing voor de klassieke pion-veld-bewegingsvergelijking, omdat de pion niet-relativistisch kan zijn.
- Mogelijk duplicaat van Wat is een foton precies?
- @peterh Hou je me voor de gek? U heeft gestemd om de nieuwere vraag open te laten als een duplicaat van deze en nu ‘ stemt opnieuw om deze te sluiten als een duplicaat van de nieuwere?
Antwoord
Er zijn twee betekenissen die in de kwantumtheorie gewoonlijk aan het woord “kwantum” worden gehecht, een informele en een technische.
Zoals u weet, gedraagt elektromagnetische straling zich op een manier die kenmerkend is voor zowel golven als deeltjes. Voor niet-specialisten is het gemakkelijk om een deeltje te zien als een “eenheid” van de golf, en aangezien “kwantum” een eenheid van iets betekent, is het woord in verband gebracht met “deeltje”. Maar in werkelijkheid is het idee van een deeltje is niet precies gedefinieerd. Wanneer mensen praten over een deeltje licht, zou het EM-veld dat geassocieerd is met wat ze waarschijnlijk bedoelen, beschreven kunnen worden als een golfpakket, dat je kunt zien als een elektromagnetische golf die gelokaliseerd is in een klein gebied in de ruimte. Bijvoorbeeld zoiets als dit:
Dit is natuurlijk slechts een voorbeeld; wave-pakketten kunnen allerlei vormen aannemen.
De meer precieze, technische betekenis van “kwantum” heeft te maken met Fourier-decompositie. Zoals u wellicht weet, kan elke functie worden ontleed in een som van sinusgolven (of complexe exponentiële waarden),
$$ f (x) \ propto \ int e ^ {ikx} \ tilde f (k) \ mathrm {d} k $$
Voor elk gegeven momentum $ k $ vertegenwoordigt de amplitude $ \ tilde f (k) $ de bijdrage van de sinusgolf met die frequentie aan de totale golf. Klassiek vertegenwoordigt de waarde van $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ bij elke $ k $ een bonafide bijdrage aan de energie van het licht. Maar de aanname die de kwantumtheorie kwantum maakt, is dat $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ in plaats daarvan de waarschijnlijkheid vertegenwoordigt dat er een bijdrage is aan de energie van het licht afkomstig van die frequentie. De werkelijke bijdrage die van een bepaalde frequentie kan komen, kan slechts een van een reeks specifieke waarden zijn, die gehele veelvouden zijn van een eenheid $ \ hbar c / k $. “Quantum” is het woord voor die eenheid van energie.
Answer
Een quantum van licht is een deeltje licht dat kan verdwijnen, zijn energie geven aan een atomair of deeltjessysteem, of verschijnen, energie wegnemen van een deeltje of atomair systeem. Een lichtquantum met golflengte $ \ lambda $ is de minimale hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen in een elektromagnetische golf bij die golflengte, wat de constante h maal de frequentie van Planck is. Het foton is niet gerelateerd aan de golf in enig beton de klassieke golf is een superpositie van een groot aantal fotonen die coherent zijn.
Opmerkingen
- …. niet per se een groot aantal fotonen, maar zeker een onbepaald aantal fotonen, aangezien veldamplitude niet samengaat met energie en / of modusbezettingsgetal
- @lurscher: Nee , een groot aantal is de meer precieze bewering.Een onbepaald klein aantal werkt niet ‘ om een bepaalde veldhoeveelheid te produceren, terwijl een groot bepaald aantal fotonen nog steeds een veld kan produceren waarvan de lokale fasefluctuaties zijn klein, wat betekent dat als je de fase op een bepaald punt meet, de fase op een ver punt instort tot een consistente golf.
- @lurscher: Wat doet $ [\ hat {n}, \ hat {a} ] $ te maken hebben met het antwoord van Ron Miamon ‘? Ik ‘ ben niet zeker of ik je bewering begrijp.
- @Antillar: het punt is, wanneer heeft een foton een veldbeschrijving? Hij zegt dat de limiet niet alleen een groot aantal nodig heeft, maar een onbepaald aantal fotonen, net als de limiet van ” definitieve positie ” in een Harmonische Oscillator heeft een ” groot onbepaald energieniveau ” nodig. Dit is technisch waar, maar ik denk dat het beter is om ” groot aantal ” te zeggen, omdat de relatieve fase daarna nog steeds goed kan zijn een meting, zoals na een positiemeting van een grote N HO, oscilleert het deeltje. Het ‘ is een klein probleem, en het belangrijkste punt is ongewijzigd.
Antwoord
Gewoon een opmerking die nuttig zou kunnen zijn om te begrijpen wat foton is: de” golflengten van licht “lijken slechts een theoretische waarde te zijn, berekend met behulp van het Planck-model. Wat echt kan worden gemeten in het experiment, is het momentum / de energie van foton, niet de golflengte. De “kleur” van het foton wordt bijvoorbeeld volledig bepaald door zijn momentum.
Antwoord
Hier zijn enkele dingen die kunnen helpen:
Alles heeft dualiteit van golven en deeltjes (zelfs wij). Dit “effect” is niet beperkt tot de schaal van enkele deeltjes (microscopisch / subatomair) zoals elektronen. Door het correspondentieprincipe in de kwantummechanica worden deze kwantumfenomenen in kaart gebracht op de macroscopische schaal (dit kan losjes gezien worden als de schaal van de wereld waarin we bestaan).
Dichterbij het beantwoorden van uw vraag:
Licht (of in het algemeen EM-straling) plant zich voort door de ruimte als een golf, maar interageert met materie als een deeltje dat we noemen fotonen . Het foto-elektrische effect toonde dit experimenteel aan (toevallig zelfs) en in 1905 leverde Einstein het bewijs. Louis de Broglie heeft in feite aangetoond dat als golven zich als deeltjes kunnen gedragen, deeltjes zich ook als golven kunnen gedragen.
Wat is precies een lichtquantum?
Ik zal niets zeggen over de wavepacket-uitleg aangezien dit al in detail is uitgelegd in een ander antwoord.
Maar een kwantum van licht wordt vaak gezien als een discrete hoeveelheid energie die het foton van licht kan hebben. Dat wil zeggen dat de energie gekwantiseerd is en niet langer continu. Dus de fotonen hebben zelf energiekwanta.