Частота света в зависимости от частоты колебаний электронов

Я попробую ручное объяснение, которое предполагает, что вы знакомы с идеей электромагнитного поля. Если нет, дайте мне знать, и я отвечу на это в редактировании.

Свет — это рябь электромагнетизма. Когда люди говорят о скорости света, они имеют в виду, как быстро рябь распространяется в пространстве. Частота света — это скорость, с которой колеблются волны.

Большинство источников света производят рябь со смесью частот.

Вы можете (очень условно) думать об интенсивности света как о высоте ряби, поэтому чем интенсивнее свет, тем более выражена рябь.

Эксперименты показали, что для возникновения пульсаций заданной частоты требуется фиксированное минимальное количество энергии. Эта минимальная энергия определяется как hf, где h — крошечное число, известное как постоянная Планка (названная в честь Макса Планка), а f — частота пульсаций.

Вы можете, опять же, очень приблизительно, думать о фотоне как о мельчайшей ряби, которую вы можете создать на заданной частоте. Если вы хотите увеличить интенсивность ряби, вы должны построить ее в единицах фотона. Таким образом, вы можете думать о луче света как о кумулятивном эффекте миллиардов крошечных волн, складывающихся вместе, чтобы произвести больший эффект.

Фотоны (опять же в общих чертах) испускаются заряженными частицами в обстоятельствах, когда частица теряет энергию, которая передается фотонной пульсации. Частота фотона выражается как e/h, где e — энергия, полученная от заряженной частицы (а h — снова постоянная Планка).

Неправильно думать, что заряженная частица «вибрирует», поэтому вы не можете думать, что частота вибрации частицы связана с частотой фотона, хотя это заманчивый образ, который соответствовал бы классическим идеям. об электрических полях.

Действительно, одна из причин, по которой физики поняли, что с классическим электромагнетизмом что-то не так, заключалась в том, что они представляли себе электроны, вращающиеся вокруг атомов, как крошечные планеты, а классический электромагнетизм утверждал, что электроны действительно будут создавать рябь, когда они вращаются. Это означало бы, что электроны будут все время излучать энергию, поэтому вскоре они замедлятся и свернутся в ядро. Ранние идеи квантовой теории заключались в том, что электроны могут существовать только на определенных орбитах, на которых они не создают рябь, и что рябь возникает только тогда, когда электрон «перескакивает» с одной орбиты на более низкую. Энергия, испускаемая одним прыжком, была минимальной, необходимой для возникновения ряби или, другими словами, для создания фотона.

Электроны и фотоны являются квантово-механическими объектами, подчиняющимися квантово-механическим уравнениям.

То, что вы описываете словами, является классическим описанием света, которым управляют классические электродинамические уравнения, уравнения Максвелла.

Ускоряющаяся заряженная частица создает электромагнитную (ЭМ) волну. Электромагнитные волны представляют собой электрические и магнитные поля, распространяющиеся в пустом пространстве со скоростью света c. Заряженная частица, колеблющаяся вокруг положения равновесия, является ускоряющей заряженной частицей. Если его частота колебаний равна f, то он производит электромагнитную волну с частотой f.

Переходя к квантово-механической системе фотонов, классический свет частоты f возникает из миллионов фотонов с энергией = h*f математически сложным образом. Частота связана с энергией. Ускоренный электрон будет излучать фотон по правилам квантовой электродинамики, и будет вероятность генерации этого фотона, математически сложная. Это можно доказать математически, но не маханием руками.

Вам не нужно углубляться в квантовую механику, чтобы понять, что означает «частота света».

Классически свет — это энергия, переносимая электромагнитным (ЭМ) полем. Когда электрон вибрирует, он изменяет электромагнитное поле таким образом, что энергия распространяется. Это поле является векторным полем, то есть для каждой точки пространства ЭМ поле имеет 6 определяющих его значений, 3 для электрического поля и 3 для магнитного поля.

Для простоты думайте пока только об электрическом поле. С каждой точкой пространства связаны 3 числа, определяющие вектор электрического поля в ней. Со временем эти 3 числа меняются, потому что поле является динамическим, поэтому вектор, который представляет, постоянно меняется. В случае монохроматического света это изменение носит периодический характер. С течением времени вектор в любой точке может описывать окружность, эллипс или просто становиться короче, а затем длиннее, как пружина. Это периодическое движение имеет некоторую частоту, и именно это подразумевается под частотой света.

Например, красный свет имеет частоту около$4.3*10^{14}$Гц. Это означает, что если бы вы могли измерить электрический вектор в какой-то точке пространства, вы бы увидели, как он колеблется.$4.3*10^{14}$раз каждую секунду.

Вы ищете осмысленную концептуальную модель, поэтому вам нужно классическое объяснение. В таком случае квантовые объяснения не будут иметь смысла.

У вас есть основные идеи прямо. Разноименные заряды притягиваются, одинаковые отталкиваются. Это силовое поле. Движущийся заряд имеет другую силу, чем заряд без относительного движения — направление и интенсивность силы могут меняться.

Все идет в обоих направлениях, но давайте посмотрим только на одно направление. Когда исходный заряд колеблется, сила, действующая на цель, становится все больше и меньше. Изменение направления и интенсивности силы. Изменение силы, которое соответствует направлению цели, имеет тенденцию просто усредняться, оно становится слабее с квадратом расстояния. Изменение направления силы остается прежним, а боковая ее часть имеет на одну степень свободы меньше, поэтому с расстоянием она падает медленнее.

Таким образом, на больших расстояниях вы получаете небольшую силу, которая колеблется, перемещая цель вбок. Если колебания продолжаются в течение длительного времени, цель, которая предрасположена к колебаниям с той же скоростью, может поглощать все большее количество импульса от крошечной силы до тех пор, пока каким-то образом не изменит свое состояние наблюдаемым образом.

С другой стороны, если он предрасположен к таким вибрациям, небольшой силы из этого конкретного источника может быть достаточно, чтобы подтолкнуть его к краю и изменить состояние. Чем больше сила, тем больше целей, у которых почти достаточно, получит достаточно.

Но когда вибрирует электрон B, электрон A перестает вибрировать... иначе энергия не сохранялась бы.

Нет, это так не работает. Но мне не ясно, как это работает. Исходный заряд посылает свое силовое поле повсюду во всех направлениях, и некоторые его части взаимодействуют с целевыми зарядами, а другие нет. У него нет никакого способа узнать, что произойдет со всей этой силой. Оба заряда могли быть стационарными во времени$t_0$, а затем один из них перемещается, а затем остается неподвижным, когда прибывает сила, и поэтому на них действует сила, которая была создана в$t_0$в разное время и в разных направлениях. Это беспорядок. Может быть, мы могли бы получить математическое доказательство того, что все должно уравновеситься. Может быть, это уравновешивается статистически, в среднем. Может быть, часть энергии остается в силовом поле, и мы постоянно получаем радиацию, уходящую в никуда, и все менее и менее доступную для чего-либо еще. Я не знаю.

Закон сохранения энергии верен по определению. Каждый раз, когда мы обнаруживаем, что закон сохранения энергии нарушается, мы изобретаем место, куда энергия уходит. Например, нейтрино. Наблюдалось исчезновение энергии. Должно быть, его унесла невидимая частица. Наблюдается появление энергии. Должно быть, его доставила невидимая частица. Мы постоянно обнаруживаем нейтрино — всякий раз, когда обнаруживается нарушение сохранения энергии в нужном количестве, это должно быть нейтрино. Нарушение сохранения энергии (и углового момента и т. д.), что ЗНАЧИТ обнаружение нейтрино.

Когда у вас есть система, в которой вы уверены в энергии, вы можете использовать закон сохранения энергии, чтобы разобраться во всем. Кто-то сказал, что у него есть автомобиль, работающий на горящей воде? Сохранение энергии говорит, что это маловероятно. Но когда вы разбираете фундаментальные законы Вселенной, вы не можете сказать: «У частицы А должно быть меньше энергии, потому что у частицы Б больше». Насколько вам известно, вмешаться могли необнаруживаемые частицы C и D.

Когда люди говорят о «частоте» света… это то же самое, что и «частота» вибрирующего электрона, производящего этот свет?

Да. Между прочим, другие заряженные частицы тоже могут вибрировать. Протоны могут. Но с большей массой требуется больше энергии, чтобы заставить их вибрировать так же сильно.

Означает ли один цикл колебания электрона образование одного «фотона»?

Нет. В классическом понимании фотон обладает энергией, необходимой для того, чтобы заставить атом или молекулу заметно изменить свое состояние.

Когда электрон «сталкивается с фотоном» (что бы это ни значило) и начинает «вибрировать» с некоторой частотой, как долго он это делает?

Фотонная теория принципиально отличается от классической электромагнитной теории.

Когда вы начинаете с уравнений Максвелла и т. д., вы получаете математические уравнения, которые предсказывают, как работают электрические и магнитные силы, включая электромагнитное излучение. Но они не могут предсказать капризы атомов. Они описывают только силы, а не конкретные способы взаимодействия атомов с этими силами.

Фотонная теория объясняет некоторые взаимодействия света с атомами. Атомы имеют тенденцию поглощать и излучать свет на нескольких определенных частотах, разных для каждого элемента.

Свет может выбивать электроны из атомов. Для этого требуется минимальная частота, ниже которой электроны не теряются. Выше частоты электроны теряются даже при низкой интенсивности света. Чем выше частота света, тем быстрее движутся выброшенные электроны.

Кроме того, мы предположили, что излучение низкой интенсивности поглощается понемногу за раз в течение многих циклов. Итак, если для того, чтобы сбить электрон, требуется миллион электрон-вольт, это частота примерно 2,5*10^-20. Таким образом, если мы сделаем интенсивность света очень низкой, так что потребуется более 10 ^ 21 циклов, чтобы добавить миллион эВ, из этого следует, что ни один атом не получит достаточно энергии, по крайней мере, на секунду, и будет задержка перед вылетом электронов. Но на самом деле они стартуют сразу по низкой ставке.

Вы можете подумать, что очевидный вывод состоит в том, что некоторые атомы готовы к работе, если они получают достаточно энергии на достаточно высокой частоте, а другие нет. Чем ниже интенсивность, тем меньше атомов готовы.

Но они выбрали другую очевидную интерпретацию. Свет распространяется не волнами, а пакетами энергии, которые могут быть поглощены почти мгновенно. Один атом посылает пакет, другой атом поглощает этот пакет. А потом махнули руками, чтобы придумать причины того, что пакеты, путешествующие в космосе, ведут себя точно так же, как волны.

Это не совсем понятно. Но вскоре все это было заменено квантовой механикой, в которой не должно быть смысла. Так что уладилось.

Вот экспертное объяснение фотонов. специалист по фотонам

Свет — это способ обмена энергией атомов с другими атомами или более мелкими субатомными частицами при соединении или изменении уровня заряда. Этот обмен энергией может происходить на всех частотах электромагнитного спектра от гамма-излучения, которое настолько быстрое/маленькое, что может перемещаться среди атомных частиц, не сталкиваясь ни с одной в течение очень долгого времени. Но когда у вас их миллион, шансы увеличиваются. И у них так много энергии, потому что они быстры, что оказывают большое влияние на то, с чем они сталкиваются, например, вызывают рак. На другом конце спектра находятся радио и широкополосный доступ. Некоторые из этих длин волн могут превышать километр. Это низкоэнергетический свет, и не так много вещей, с которыми он не сталкивался бы или не вступал в реакцию; сбивает все на своем пути. Но поскольку он имеет более низкую энергию, он в основном безвреден и имеет небольшие последствия. Что' Вот почему, положив металлический стержень на крышу дома, можно легко улавливать радиочастоты. Энергия света после высвобождения в результате атомной реакции всегда движется с одной и той же скоростью от своего источника во всех направлениях в единицах энергии, называемой фотонами. Количество длин волн по сравнению с другими фотонами на том же расстоянии и с такой скоростью определяет тип света.

Я думаю, что ваше понимание электронов, вибрирующих рядом друг с другом, связано с электричеством. Электричество создается за счет того, что электроны во внешней оболочке определенных элементов, таких как металл, вибрируют, соединяя их с чем-то, что имеет большой магнитный заряд. Некоторые элементы, которые быстро распадаются в результате окисления или какой-либо другой естественной реакции с другими элементами, постоянно испускают большое количество излучения, которое придает им магнетический эффект или заряд. Находясь рядом с таким элементом, как металл, внешняя оболочка которого чувствительна к магнитным зарядам, внешняя оболочка электрона начинает вибрировать. Эта вибрация перемещается подобно костяшкам домино, заставляя каждый соседний атом делать то же самое, как металлическую проволоку. Никакие фотоны не теряются и не приобретаются, поскольку атом не теряет и не приобретает уровень заряда. Поскольку электрон только вибрирует и остается на внешнем уровне, это способ обмануть энергию атома, возбудив его, но не настолько, чтобы получить или потерять уровень заряда. Это возможно из-за сильных и слабых взаимодействий атомов и того, как они удерживаются вместе или распадаются.