¿Qué es exactamente un cuanto de luz?

Hay dos significados usualmente asociados a la palabra «cuántico» en la teoría cuántica, uno coloquial y otro técnico.

Como usted sabe, la radiación electromagnética se comporta de maneras características tanto de ondas como de partículas. Para los no especialistas, es fácil pensar en una partícula como una «unidad» de la onda, y dado que «cuántico» significa una unidad de algo, la palabra se ha asociado con «partícula». Pero en realidad, el La idea de una partícula no está definida con precisión. Cuando la gente habla de una partícula de luz, el campo EM asociado con lo que probablemente significan podría describirse como un paquete de ondas, que se puede considerar como una onda electromagnética localizada en una pequeña región del espacio. Por ejemplo, algo como esto:

Esto es solo un ejemplo, por supuesto; Los paquetes de ondas pueden tener todo tipo de formas.

El significado técnico más preciso de «cuántico» tiene que ver con la descomposición de Fourier. Como sabrá, cualquier función se puede descomponer en una suma de ondas sinusoidales (o exponenciales complejas),

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

Para cualquier momento dado $ k $, la amplitud $ \ tilde f (k) $ representa la contribución de la onda sinusoidal con esa frecuencia a la onda general. Ahora, clásicamente, el valor de $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ en cada $ k $ representa una contribución genuina a la energía de la luz. Pero la suposición que hace que la teoría cuántica sea cuántica es que $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ en cambio representa la probabilidad de que haya una contribución a la energía de la luz proveniente de esa frecuencia. La contribución real que puede provenir de cualquier frecuencia dada solo puede ser uno de un conjunto de valores específicos, que son múltiplos enteros de alguna unidad $ \ hbar c / k $. «Quantum» es la palabra para esa unidad de energía.

Un cuanto de luz es una partícula de luz que puede desaparecer, dando su energía a un sistema atómico o de partículas, o aparecer, quitando energía a una partícula o sistema atómico. Un cuanto de luz de longitud de onda $ \ lambda $ es la cantidad mínima de energía que se puede almacenar en una onda electromagnética a esa longitud de onda, que es la constante de Planck h multiplicada por la frecuencia. El fotón no está relacionado con la onda en ningún concreto De esta manera, la onda clásica es una superposición de una gran cantidad de fotones que son coherentes.

Comentarios

• …. no necesariamente un gran número de fotones, pero definitivamente un número indeterminado de fotones, ya que la amplitud del campo no conmuta con la energía y / o el número de ocupación del modo
• @lurscher: No , un gran número es la declaración más precisa.Un pequeño número indeterminado no ‘ t funciona para producir una cantidad de campo definida, mientras que un gran número definido de fotones todavía puede producir un campo cuyas fluctuaciones de fase local son diminuto, lo que significa que si mide la fase en un punto, la fase en un punto distante colapsa en una onda constante.
• @lurscher: ¿Qué significa $ [\ hat {n}, \ hat {a} ] $ tiene que ver con la respuesta de Ron Miamon ‘? Yo ‘ no estoy seguro de haber entendido su declaración.
• @Antillar: el punto es, ¿cuándo un fotón tiene una descripción de campo? Está diciendo que el límite no solo necesita un gran número, sino un número indeterminado de fotones, al igual que el límite de » posición definida » en un oscilador armónico necesita un » gran nivel de energía indeterminado «. Esto es técnicamente cierto, pero creo que es mejor decir » gran número «, porque la fase relativa aún puede estar bien después una medición, como después de una medición de posición de un gran N HO, la partícula oscila. Es ‘ un problema menor, y el punto principal no se modifica.

Aquí hay algunas cosas que pueden ayudar:

Todo tiene dualidad onda-partícula (incluso nosotros). Este «efecto» no se limita a la escala de partículas individuales (escala microscópica / subatómica) como los electrones. Por el principio de correspondencia en la mecánica cuántica, estos fenómenos cuánticos se mapean en la escala macroscópica (esto puede pensarse libremente como la escala del mundo en el que existimos).

Acercándonos a responder su pregunta:

La luz (o en general la radiación EM) se propaga a través del espacio como una onda, pero interactúa con la materia como una partícula que llamamos fotones . El efecto fotoeléctrico lo demostró experimentalmente (por accidente, de hecho) y en 1905 Einstein proporcionó la prueba. Louis de Broglie de hecho demostró que si las ondas pueden comportarse como partículas, entonces las partículas pueden comportarse como ondas.

¿Qué es exactamente un cuanto de luz?

No diré nada en la explicación del paquete de ondas ya que esto ya se ha explicado en detalle en otra respuesta.

Pero un cuanto de luz a menudo se piensa como una cantidad discreta de energía que el fotón de luz puede tener. Es decir, la energía está cuantificada y ya no es continua. Así que los fotones ellos mismos tienen cuantos de energía.