Czym dokładnie jest kwant światła?

Są dwa znaczenia zwykle przypisywane słowu „kwant” w teorii kwantów, jedno potoczne, drugie techniczne.

Jak wiadomo, promieniowanie elektromagnetyczne zachowuje się w sposób charakterystyczny zarówno dla fal, jak i cząstek. Dla nie-specjalistów łatwo jest pomyśleć o cząstce jako o „jednostce” fali, a ponieważ „kwant” oznacza jednostkę czegoś, słowo to zostało skojarzone z „cząstką”. Ale w rzeczywistości idea cząstki nie jest precyzyjnie zdefiniowana. Kiedy ludzie mówią o cząstce światła, pole EM związane z tym, co prawdopodobnie mają na myśli, można opisać jako pakiet fal, o którym można myśleć jako o fali elektromagnetycznej zlokalizowanej w jakimś małym obszarze w przestrzeni. Na przykład coś takiego:

To jest oczywiście tylko przykład; Pakiety falowe mogą mieć różne kształty.

Bardziej precyzyjne, techniczne znaczenie słowa „kwant” ma związek z rozkładem Fouriera. Jak być może wiesz, każdą funkcję można rozłożyć na sumę fal sinusoidalnych (lub złożonych wykładniczych),

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

Dla dowolnego pędu $ k $, amplituda $ \ tilde f (k) $ reprezentuje udział fali sinusoidalnej o tej częstotliwości w całej fali. Otóż, klasycznie wartość $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ na każdym $ k $ reprezentuje prawdziwy wkład w energię światła. Ale założenie, które czyni teorię kwantową kwantową, jest takie, że $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ zamiast tego reprezentuje prawdopodobieństwo , że istnieje udział w energii światła pochodzącego z tej częstotliwości. Rzeczywisty wkład, który może pochodzić z dowolnej częstotliwości, może być tylko jedną ze zbioru określonych wartości, które są całkowitymi wielokrotnościami pewnej jednostki $ \ hbar c / k $. „Kwant” to słowo określające tę jednostkę energii.

Kwant światła to cząstka światła, która może znikają, przekazując swoją energię układowi atomowemu lub cząsteczkowemu, lub pojawiają się, odbierając energię cząstce lub układowi atomowemu. Kwant światła o długości fali $ \ lambda $ to minimalna ilość energii, która może być zmagazynowana w fali elektromagnetycznej o tej długości fali, czyli stała Plancka h razy częstotliwość. Foton nie jest powiązany z falą w żadnym betonie sposób klasyczna fala to superpozycja dużej liczby spójnych fotonów.

Komentarze

• …. niekoniecznie a duża liczba fotonów, ale zdecydowanie nieokreślona liczba fotonów, ponieważ amplituda pola nie jest zbieżna z energią i / lub liczbą zajętości trybu
• @lurscher: Nie , duża liczba jest bardziej precyzyjnym stwierdzeniem.Nieokreślona mała liczba nie ' nie prowadzi do wytworzenia określonej wielkości pola, podczas gdy duża określona liczba fotonów może nadal wytwarzać pole, którego lokalne fluktuacje fazy są kruchy, co oznacza, że jeśli zmierzysz fazę w jednym punkcie, faza w odległym punkcie zapadnie się w stałą falę.
• @lurscher: Co robi $ [\ hat {n}, \ hat {a} ] $ ma coś wspólnego z odpowiedzią Rona Miamona '? I ' Nie jestem pewien, czy rozumiem twoje stwierdzenie.
• @Antillar: chodzi o to, kiedy foton ma opis pola? Mówi, że limit wymaga nie tylko dużej liczby, ale nieokreślonej liczby fotonów, podobnie jak granica ” określonej pozycji ” w oscylatorze harmonicznym potrzebuje ” dużego, nieokreślonego poziomu energii „. Technicznie jest to prawda, ale myślę, że lepiej jest po prostu powiedzieć ” duża liczba „, ponieważ faza względna może być nadal w porządku po pomiar, podobnie jak po pomiarze położenia dużego N HO, cząstka oscyluje. Jest to ' drobny problem, a główny punkt pozostaje niezmieniony.

Oto kilka rzeczy, które mogą pomóc:

Wszystko ma dualizm korpuskularno-falowy (nawet my). Ten „efekt” nie ogranicza się do skali pojedynczych cząstek (skali mikroskopowej / subatomowej), takich jak elektrony. Zgodnie z zasadą zgodności w mechanice kwantowej te zjawiska kwantowe odwzorowują się w skali makroskopowej (można to swobodnie traktować jako skalę świata, w którym istniejemy).

Coraz bliżej odpowiedzi na twoje pytanie:

Światło (lub ogólnie promieniowanie EM) rozchodzi się w przestrzeni jako fala, ale oddziałuje z materią jako cząstka , którą nazywamy fotony . Efekt fotoelektryczny wykazał to eksperymentalnie (faktycznie przez przypadek), aw 1905 roku Einstein dostarczył tego dowodu. Louis de Broglie faktycznie pokazał, że jeśli fale mogą zachowywać się jak cząsteczki, to cząstki mogą zachowywać się jak fale.

Czym dokładnie jest kwant światła?

Nie powiem nic o wyjaśnieniu pakietu fal, ponieważ zostało to już szczegółowo wyjaśnione w innej odpowiedzi.

Ale kwant światła jest często uważany za dyskretną ilość energii, jaką może mieć foton światła. Oznacza to, że energia jest kwantowana i nie jest już ciągła. Więc fotony same mają kwanty energii.