Ce este mai exact o cuantă de lumină?

Există două semnificații atașate de obicei cuvântului „cuantic” în teoria cuantică, una colocvială și una tehnică.

După cum știți, radiația electromagnetică se comportă în moduri caracteristice atât ale undelor, cât și ale particulelor. Pentru nespecialiști, este ușor să se gândească la o particulă ca fiind o „unitate” a undei și, din moment ce „cuantica” înseamnă o unitate a ceva, cuvântul s-a asociat cu „particula”. Dar, în realitate, ideea unei particule nu este definită cu exactitate. Când oamenii vorbesc despre o particulă de lumină, câmpul EM asociat cu ceea ce înseamnă probabil ar putea fi descris ca un pachet de unde, pe care îl puteți gândi ca o undă electromagnetică care este localizată într-o regiune mică din spațiu. De exemplu, ceva de genul acesta:

Acesta este doar un exemplu, desigur; pachetele de unde pot avea tot felul de forme.

Înțelesul mai precis, tehnic al „cuanticului” are legătură cu descompunerea Fourier. După cum știți, orice funcție poate fi descompusă într-o sumă de unde sinusoidale (sau exponențiale complexe),

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

Pentru orice moment dat $ k $, amplitudinea $ \ tilde f (k) $ reprezintă contribuția undei sinusoidale cu acea frecvență la unda globală. Acum, clasic valoarea $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ la fiecare $ k $ reprezintă o contribuție de bună-credință la energia luminii. Dar presupunerea care face cuantica teoria cuantică este că $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ reprezintă în schimb probabilitatea că există o contribuție la energia luminii provenind de la această frecvență. Contribuția reală care poate proveni de la o anumită frecvență poate fi doar una dintr-un set de valori specifice, care sunt multipli întregi ai unei unități $ \ hbar c / k $. „Cuantic” este cuvântul pentru acea unitate de energie.

Un cuant de lumină este o particulă de lumină care poate dispar, dându-i energia unui sistem atomic sau de particule, sau apar, luând energie de la o particulă sau un sistem atomic. O cuantă de lumină cu lungimea de undă $ \ lambda $ este cantitatea minimă de energie care poate fi stocată într-o undă electromagnetică la acea lungime de undă, care este constantă de Planck h ori de frecvență. Fotonul nu este legat de unda din niciun beton. într-un fel, unda clasică este o suprapunere a unui număr mare de fotoni care sunt coerenți.

Comentarii

• …. nu este necesar un număr mare de fotoni, dar cu siguranță un număr nedeterminat de fotoni, deoarece amplitudinea câmpului nu conmutează cu numărul de ocupare a energiei și / sau a modului
• @lurscher: Nu , un număr mare este afirmația mai precisă.Un număr mic nedeterminat nu ‘ funcționează pentru a produce o cantitate de câmp definit, în timp ce un număr mare de definit de fotoni poate produce în continuare un câmp ale cărui fluctuații de fază locale sunt minuscul, ceea ce înseamnă că, dacă măsurați faza la un moment dat, faza dintr-un punct îndepărtat se prăbușește la o undă consistentă.
• @lurscher: Ce înseamnă $ [\ hat {n}, \ hat {a} ] $ are legătură cu răspunsul lui Ron Miamon ‘? Nu ‘ nu sunt sigur că vă înțeleg afirmația.
• @Antillar: ideea este când un foton are o descriere a câmpului? El spune că limita nu are nevoie doar de un număr mare, ci de un număr nedeterminat de fotoni, la fel ca limita ” poziția definită ” într-un oscilator armonic are nevoie de un ” nivel mare de energie nedeterminat „. Acest lucru este adevărat din punct de vedere tehnic, dar cred că este mai bine să spunem doar ” număr mare „, deoarece faza relativă poate fi încă ok după o măsurare, ca după măsurarea poziției unui N HO mare, particula oscilează. ‘ este o problemă minoră, iar punctul principal este nealterat.

Doar o remarcă care ar putea fi utilă pentru a înțelege ce este fotonul:„ lungimile de undă ale luminii ”pare a fi doar o valoare teoretică calculată cu ajutorul modelului Planck. Ceea ce poate fi cu adevărat măsurat în experiment este impulsul / energia fotonului, nu lungimea de undă. De exemplu, „culoarea” fotonului este pe deplin determinată de impulsul său.

Iată câteva lucruri care ar putea ajuta:

Totul are dualitatea undă-particulă (chiar și noi). Acest „efect” nu se limitează la scara particulelor individuale (scară microscopică / subatomică) precum electronii. Prin principiul corespondenței în mecanica cuantică, aceste fenomene cuantice se mapează pe scara macroscopică (acest lucru poate fi considerat vag ca scara lumii în care existăm).

Apropierea de a răspunde la întrebarea dvs.:

Lumina (sau în general radiația EM) se propagă prin spațiu ca o undă, dar interacționează cu materia ca o particulă pe care o numim fotoni . Efectul fotoelectric a arătat experimental acest lucru (întâmplător, de fapt) și în 1905 Einstein a furnizat dovada. Louis de Broglie a arătat de fapt că, dacă undele se pot comporta ca particule, atunci particulele se pot comporta ca unde.

Ce este exact o cuantă de lumină?

Nu voi spune nimic din explicația pachetului de unde, deoarece acest lucru a fost deja explicat în detaliu într-un alt răspuns.

Dar o cuantă de lumină este adesea considerată ca o cantitate discretă de energie pe care o poate avea fotonul luminii. Adică energia este cuantificată și nu mai este continuă. Deci fotonii ei înșiși au cante energetice.