Atualmente, estou tentando aprender um pouco de mecânica quântica básica e estou um pouco confuso. A Wikipedia define um fóton como um quantum de luz, que explica como uma espécie de pacote de onda .
O que exatamente é um quantum de luz?
Mais precisamente, um quantum de luz deve ser apenas um certo número de comprimentos de onda de luz (algo como “1 quantum = um único período de uma onda senoidal” talvez?) ou é o conceito completamente sem relação com os comprimentos de onda? Em outras palavras, quanto é um único quantum?
Comentários
- Não. Ele ‘ está intimamente ligado ao conceito de incerteza e como esse ‘ é representado em ondas. Confira esta pergunta: physics.stackexchange.com/q/18062/5223
- Além disso, um excelente lugar para começar a se envolver isto é para estudar o experimento de fenda dupla .
- @Dejan: ok, mas a resposta aceita fornece uma descrição de um fóton como um pacote de ondas de campos E e B, que é totalmente incorreta e irá enganar os outros. Um único fóton é puramente mecânico quântico e é descrito por uma superposição quântica de campos E e B que não tem um análogo clássico definido em nenhuma circunstância. Isso é diferente de, digamos, um único píon, em que a função de onda pode ser formalmente descrita por uma solução para a equação de movimento do campo píon clássico, porque o píon pode ser não relativístico.
- Possível duplicata de O que exatamente é um fóton?
- @peterh Você está brincando comigo? Você votou para deixar em aberto a pergunta mais recente como uma duplicata desta e agora você ‘ está votando fechar este como uma duplicata do mais recente?
Resposta
Existem dois significados geralmente atribuídos à palavra “quantum” na teoria quântica, um coloquial e um técnico.
Como você sabe, a radiação eletromagnética se comporta de maneiras características tanto de ondas quanto de partículas. Para não especialistas, é fácil pensar em uma partícula como sendo uma “unidade” da onda, e como “quântico” significa uma unidade de algo, a palavra foi associada a “partícula”. Mas, na realidade, o idéia de uma partícula não é precisamente definida. Quando as pessoas falam sobre uma partícula de luz, o campo EM associado ao que elas provavelmente significam pode ser descrito como um pacote de ondas, que você pode imaginar como uma onda eletromagnética localizada em alguma pequena região do espaço. Por exemplo, algo assim:
Este é apenas um exemplo, é claro; pacotes de ondas podem ter todos os tipos de formatos.
O significado mais preciso e técnico de “quântico” tem a ver com a decomposição de Fourier. Como você deve saber, qualquer função pode ser decomposta em uma soma de ondas senoidais (ou exponenciais complexas),
$$ f (x) \ propto \ int e ^ {ikx} \ tilde f (k) \ mathrm {d} k $$
Para qualquer momento $ k $, a amplitude $ \ til f (k) $ representa a contribuição da onda senoidal com aquela frequência para a onda geral. Agora, classicamente o valor de $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ em cada $ k $ representa uma contribuição genuína para a energia da luz. Mas a suposição que torna a teoria quântica quântica é que $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ em vez disso representa a probabilidade de que há uma contribuição para a energia da luz proveniente dessa frequência. A contribuição real que pode vir de qualquer frequência dada pode ser apenas uma de um conjunto de valores específicos, que são múltiplos inteiros de alguma unidade $ \ hbar c / k $. “Quantum” é a palavra para essa unidade de energia.
Resposta
Um quantum de luz é uma partícula de luz que pode desaparecer, dando sua energia a um sistema atômico ou de partículas, ou aparecer, tirando energia de uma partícula ou sistema atômico. Um quantum de luz de comprimento de onda $ \ lambda $ é a quantidade mínima de energia que pode ser armazenada em uma onda eletromagnética naquele comprimento de onda, que é a constante de Planck h vezes a frequência. O fóton não está relacionado à onda em nenhum concreto forma, a onda clássica é uma superposição de um grande número de fótons que são coerentes.
Comentários
- …. não necessariamente um grande número de fótons, mas definitivamente um número indeterminado de fótons, uma vez que a amplitude do campo não conmuta com o número de ocupação de energia e / ou modo
- @lurscher: Não , um grande número é a declaração mais precisa.Um pequeno número indeterminado não ‘ t funciona para produzir uma quantidade de campo definida, enquanto um grande número definido de fótons ainda pode produzir um campo cujas flutuações de fase locais são minúsculo, o que significa que se você medir a fase em um ponto, a fase em um ponto distante se reduz a uma onda consistente.
- @lurscher: O que $ [\ hat {n}, \ hat {a} ] $ tem a ver com a resposta de Ron Miamon ‘? Eu ‘ Não tenho certeza se entendi sua afirmação.
- @Antillar: a questão é, quando um fóton tem uma descrição de campo? Ele está dizendo que o limite não precisa apenas de um grande número, mas de um número indeterminado de fótons, assim como o limite da ” posição definida ” em um oscilador harmônico precisa de um ” nível de energia indeterminado grande “. Isso é tecnicamente verdade, mas acho que é melhor apenas dizer ” grande número “, porque a fase relativa ainda pode estar ok depois uma medição, como após uma medição de posição de um grande N HO, a partícula oscila. É ‘ um problema menor, e o ponto principal não foi alterado.
Resposta
Apenas uma observação que pode ser útil para entender o que é fóton: os” comprimentos de onda da luz “parecem ser apenas um valor teórico calculado com a ajuda do modelo de Planck. O que realmente pode ser medido no experimento é o momento / energia do fóton, não o comprimento de onda. Por exemplo, a “cor” do fóton é totalmente determinada por seu momento.
Resposta
Aqui estão algumas coisas que podem ajudar:
Tudo tem dualidade onda-partícula (até nós). Este “efeito” não se limita à escala de partículas individuais (escala microscópica / subatômica) como os elétrons. Pelo princípio da correspondência na mecânica quântica, esses fenômenos quânticos são mapeados na escala macroscópica (pode ser vagamente pensada como a escala do mundo em que existimos).
Chegando mais perto de responder à sua pergunta:
A luz (ou em geral a radiação EM) se propaga através do espaço como uma onda, mas interage com a matéria como uma partícula que chamamos de fótons . O efeito fotoelétrico mostrou isso experimentalmente (na verdade por acidente) e em 1905 Einstein forneceu a prova. Louis de Broglie na verdade mostrou que se as ondas podem se comportar como partículas, então as partículas podem se comportar como ondas.
O que exatamente é um quantum de luz?
Não direi nada sobre a explicação do pacote de ondas, pois isso já foi explicado em detalhes em outra resposta.
Mas um quantum de luz é geralmente considerado como uma quantidade discreta de energia que o fóton de luz pode ter. Isso quer dizer que a energia é quantizada e não mais contínua. Portanto, os fótons eles próprios têm quanta de energia.