Jag försöker för närvarande lära mig lite grundläggande kvantmekanik och jag är lite förvirrad. Wikipedia definierar en foton som ett kvant av ljus, vilket den förklarar vidare som någon form av ett vågpaket .
Vad är exakt ett kvantitet av ljus?
Mer exakt, är en kvantitet av ljus tänkt att vara bara ett visst antal våglängder av ljus (något som ”1 kvant = en enda period av en sinusvåg” kanske?), eller är konceptet helt orelaterade till våglängder? Med andra ord, hur mycket kostar ett enda kvantum?
Kommentarer
- Nej. Det ’ är nära kopplat till begreppet osäkerhet och hur det ’ representeras i vågor. Kolla in den här frågan: physics.stackexchange.com/q/18062/5223
- Dessutom är det ett utmärkt ställe att börja linda huvudet på det här är för att studera dubbel-slits experiment .
- @Dejan: ok, men det accepterade svaret ger en beskrivning av en foton som ett vågpaket med E- och B-fält, vilket är helt felaktigt och kommer att vilseleda andra. En enskild foton är rent kvantmekanisk och beskrivs av en kvantöverlagring av E- och B-fält som inte har någon bestämd klassisk analog under några omständigheter. Detta skiljer sig från, säg, en enda pion, där vågfunktionen formellt kan beskrivas av en lösning på den klassiska pionfältets ekvation av rörelse, eftersom pionen kan vara icke-relativistisk.
- Möjlig duplikat av Vad är egentligen en foton?
- @peterh Skämtar du med mig? Du röstade för att lämna öppen den nyare frågan som en duplikat av denna och nu ’ om röstar att stänga den här som en duplikat av den nyare?
Svar
Det finns två betydelser som vanligtvis är knutna till ordet ”kvant” i kvantteorin, en vardaglig och en teknisk.
Som ni vet, beter sig elektromagnetisk strålning på sätt som är karakteristiska för både vågor och partiklar. För icke-specialister är det lätt att tänka på en partikel som en ”enhet” för vågen, och eftersom ”kvant” betyder en enhet av något har ordet blivit associerat med ”partikel.” Men i verkligheten har idén om en partikel är inte exakt definierad. När människor pratar om en ljuspartikel kan EM-fältet som är associerat med vad de förmodligen menar beskrivas som ett vågpaket, som man kan tänka sig som en elektromagnetisk våg som är lokaliserad till någon liten region i rymden. Till exempel något så här:
Detta är naturligtvis bara ett exempel; vågpaket kan ha alla möjliga former.
Den mer exakta, tekniska betydelsen av ”kvant” har att göra med Fourier-sönderdelning. Som du kanske vet kan vilken funktion som helst sönderdelas i en summa av sinusvågor (eller komplexa exponentials),
$$ f (x) \ propto \ int e ^ {ikx} \ tilde f (k) \ mathrm {d} k $$
För varje momentum $ k $ representerar amplituden $ \ tilde f (k) $ sinusvågens bidrag med den frekvensen till den totala vågen. Klassiskt representerar nu värdet på $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ vid varje $ k $ ett bona fide-bidrag till ljusets energi. Men antagandet som gör kvantteori kvant är att $ [\ tilde f (k)] ^ 2 $ istället representerar sannolikheten att det finns ett bidrag till ljusets energi som kommer från den frekvensen. Det faktiska bidraget som kan komma från vilken frekvens som helst kan bara vara en av en uppsättning specifika värden, som är heltalsmultiplar av någon enhet $ \ hbar c / k $. ”Kvant” är ordet för den energienheten.
Svar
Ett ljuskvantum är en ljuspartikel som kan försvinner, ger sin energi till ett atom- eller partikelsystem, eller dyker upp, tar energi bort från ett partikel eller atomsystem. Ett ljuskvantum med våglängden $ \ lambda $ är den minsta mängd energi som kan lagras i en elektromagnetisk våg vid den våglängden, vilket är Plancks konstanta h gånger frekvensen. Fotonen är inte relaterad till vågen i någon betong sätt, den klassiska vågen är en superposition av ett stort antal fotoner som är sammanhängande.
Kommentarer
- …. inte nödvändigtvis en stort antal fotoner, men definitivt ett obestämt antal fotoner, eftersom fältamplituden inte beräknas med energi och / eller läge ockupationsnummer
- @lurscher: Nej , ett stort antal är det mer exakta uttalandet.Ett obestämt litet antal fungerar inte ’ för att producera en bestämd fältmängd, medan ett stort bestämt antal fotoner fortfarande kan producera ett fält vars lokala fasfluktuationer är liten, vilket innebär att om du mäter fasen vid en punkt kollapsar fasen vid en avlägsen punkt till en konsekvent våg.
- @lurscher: Vad gör $ [\ hat {n}, \ hat {a} ] $ har det att göra med Ron Miamon ’ svar? Jag ’ är inte säker på att jag förstår ditt uttalande.
- @Antillar: poängen är, när har en foton en fältbeskrivning? Han säger att gränsen inte bara behöver ett stort antal utan ett obestämt antal fotoner, precis som gränsen för ” bestämd position ” i en harmonisk oscillator behöver en ” stor obestämd energinivå ”. Detta är tekniskt sant, men jag tycker att det är bättre att bara säga ” stort antal ”, eftersom den relativa fasen fortfarande kan vara ok efter en mätning, som efter en positionsmätning av en stor NHO, svänger partikeln. Det ’ är ett mindre problem och huvudpunkten är oförändrad.
Svar
Bara en kommentar som kan vara till hjälp för att förstå vad foton är:” ljusets våglängder ”verkar bara vara ett teoretiskt värde beräknat med hjälp av Planck-modellen. Vad som verkligen kan mätas i experimentet är fotons momentum / energi, inte våglängden. Till exempel bestäms fotonens ”färg” helt av dess momentum.
Svar
Här är några saker som kan hjälpa:
Allt har vågpartikel dualitet (även oss). Denna ”effekt” är inte begränsad till skalan av enskilda partiklar (mikroskopisk / subatomär skala) som elektroner. Genom korrespondensprincipen i kvantmekanik kartläggs dessa kvantfenomen på den makroskopiska skalan (detta kan löst betraktas som skalan för den värld som vi finns i.).
Kommer närmare att svara på din fråga:
Ljus (eller i allmänhet EM-strålning) sprids genom rymden som en våg, men det interagerar med materien som en partikel som vi kallar fotoner . Den fotoelektriska effekten visade detta experimentellt (faktiskt av en slump) och 1905 gav Einstein beviset. Louis de Broglie visade faktiskt att om vågor kan bete sig som partiklar kan partiklar fungera som vågor.
Vad är exakt ett kvantitet av ljus?
Jag kommer inte att säga något om wavepacket-förklaringen eftersom detta redan har förklarats i detalj i ett annat svar.
Men ett ljuskvantum betraktas ofta som en diskret mängd energi som ljusfoton kan ha. Det vill säga energin är kvantiserad och inte längre kontinuerlig. Så fotonerna själva har energikvantiteter.