Что определяет временную шкалу флуктуаций электромагнитного поля от источника света?

Допустим, вы поместили измеритель электрического поля на некотором расстоянии от лампочки.

В зависимости от времени выход счетчика будет Е ( т ) . Я бы предположил, что электрическое поле будет какой-то очень быстро флуктуирующей случайной функцией.

Мой вопрос заключается в том, что определяет временную шкалу этих колебаний в Е ( т ) ?

В моем понимании свет от лампочки излучается электронами в атомах нити, которые прыгают вверх и вниз между энергетическими уровнями. Каждое снятие возбуждения испускает фотон. Я представляю каждый из этих фотонов как путешествующий локализованный волновой пакет. Нить состоит из ∼ 10 23 атомы, и все они излучают эти волновые пакеты независимо друг от друга. Таким образом, я предполагаю, что общее E-поле является суммой огромного количества этих волновых пакетов, сложенных вместе со случайными фазами.

Что определяет временную шкалу отдельных волновых пакетов? Среднее время жизни возбужденного состояния? Каков приблизительный способ оценки этого? Сколько таких волновых пакетов излучает один атом в секунду? Наконец, чем определяется временной масштаб флуктуаций суммы тонны этих волновых пакетов?

Я ищу надежную физическую картину того, что происходит, что позволит мне рассчитать некоторые числа (оценки порядка величины). Кроме того, какую правильную терминологию люди используют, говоря об этом?

Ответы (2)

Ваш сценарий правильный. Если бы вы могли достаточно быстро измерить электрическое поле, то оно показало бы очень быстрые изменения его силы и поляризации, вызванные наложением волновых пакетов от многих радиационных «событий» внутри нити накала лампы.

Ключевым моментом является длина волнового пакета. Это будет определяться радиационным временем жизни возбужденного состояния, породившего его. Здесь можно сделать лишь некоторые обобщения. Свет лампочки возникает различными способами как из континуума, так и из дискретных переходов.

Что касается первого, я не знаю какой-либо фундаментальной временной шкалы и подозреваю, что это тоже континуум. Из последних это обратный коэффициент Эйнштейна для перехода.

Многие переходы на видимых длинах волн имеют радиационное время жизни, близкое к классическому радиационному времени жизни (см., например, https://physics.stackexchange.com/a/142387/43351 ), если только квантовая механика не требует, чтобы они происходили не по электрическому дипольный переход. Шкала времени

т "=" 6 π ϵ 0 м е с 3 е 2 ю 2 ,
где м е - масса электрона и ю угловая частота излучения ( 2 π ф ) . Более удобная формулировка этого
т "=" 3,5 × 10 − 8 ( λ 500 н м ) 2 с ,
где длина волны λ находится в нм.

Каждый волновой пакет несет в себе фотон энергии, что дает вам количество фотонов, испускаемых в секунду лампочкой определенной мощности излучения.

Пакеты излучаются во всех направлениях, поэтому их плотность уменьшается по закону обратных квадратов.

Связь с электрическим полем осуществляется через классическую плотность электромагнитной энергии, которая пропорциональна квадрату электрического поля.

Я думаю, что это ингредиенты, но я не уверен, как действовать, кроме как с помощью симуляции. Однако ответ будет нереалистичным из-за диапазона радиационных времен жизни от реальных эмиссионных процессов.

«Связь с электрическим полем осуществляется через классическую плотность электромагнитной энергии, которая пропорциональна квадрату электрического поля». Вы имеете в виду что-то вроде: энергия одного из этих волновых пакетов ℏ ю поэтому амплитуда электрического поля волнового пакета равна ℏ ю ?
@ Алекс, нет, не знаю. Плотность энергии электромагнитного поля равна ϵ 0 Е 2 / 2 + Б 2 / 2 мю 0 а для электромагнитной волны амплитуды электрического и магнитного поля связаны соотношением Е 0 "=" с Б 0 (в вакууме). Плотность энергии в модели фотонов будет числом фотонов в единице объема, умноженным на их энергии.
Ах хорошо. Но это начинает выглядеть как подсчет частиц в области, а затем работа в обратном направлении к Е-полю, вместо того, чтобы начинать с Е-полей всех волновых пакетов и суммировать, чтобы получить общее количество.

Допустим, вы поместили измеритель электрического поля на некотором расстоянии от лампочки.

курсив мой

Это сценарий из области научной фантастики, потому что ни один физический простой детектор, измеряющий поле, не может обнаружить переменное электрическое поле света, которое в своем мгновенном положении из-за величины скорости c будет удаляться от детектора, даже если оно находится от когерентный источник, как лазерный луч. Так выглядят электрическое поле и магнитное поле когерентного пучка.

вяз

Посмотрите по этой ссылке, как детекторы электромагнитного поля измеряют электрическое поле. Эта установка не адаптируется к частоте света от некогерентного источника.

В любом случае, в некогерентном луче, подобном лучу от лампочки, будут суперпозиции во всех направлениях, а электрическое поле является вектором , и электрические поля всех частот, излучаемых лампочкой, мгновенно, в пределах ошибки усредняются до нуля из-за случайности разности фаз и синусоидальной формы волн.

Прямое измерение электрического поля когерентного света описано здесь , и очевидно, что когерентность является ключом к такому измерению:

Эльфилд

Ключом к этому измерению была генерация одиночных импульсов экстремального ультрафиолетового излучения длительностью 250 аттосекунд — подвиг, достигнутый той же коллаборацией несколько месяцев назад (Nature, 26 февраля 2004 г.). Аттосекундный экстремальный ультрафиолетовый импульс выбивает электроны из атомов, чтобы исследовать электрическое поле волны, состоящей всего из нескольких циклов красного лазерного света. Электрическое поле красного света ускоряло или замедляло высвободившиеся электроны по отношению к световой волне с точностью до 100 аттосекунд. Изменение энергии электронов (показано в единицах электрон-вольт, эВ, на рис. 1), измеренное как функция задержки (показано в единицах фемтосекунд, фс, на рис. 1) между аттосекундным импульсом и лазерной световой волной отчетливо видны нарастание и исчезновение лазерного импульса в течение нескольких фемтосекунд, а также колебания с периодом 2,5-фс цикла волны 750-нм (красного) света. Измеренное изменение энергии непосредственно дает изменение мгновенной напряженности и направления электрического поля световой волны с несколькими циклами (рис. 2).

Вы спросите в заголовке:

Что определяет временную шкалу флуктуаций электромагнитного поля от источника света?

Из приведенного выше рисунка успешного измерения электрического поля красного света, части частот, излучаемых светом лампочкой, видно, что время определяется частотой света и имеет порядок несколько фемптосекунд ( 10 − 15 ), и это не простой измеритель электрического поля, который мог бы работать в таких масштабах времени.

Спасибо. Меня конкретно интересует бессвязная ситуация, а не связная. Это концептуальный вопрос (на данный момент) — «измеритель электрического поля», как вы говорите, — фикция. Но существует некое четко определенное Е-поле, которое является непрерывным (как я полагаю) функцией времени. Я хочу понять поведение этого фактического E-поля, а не усредненного по времени E-поля.
в пределах дельты (времени) я считаю, что из-за суперпозиции и векторной природы электрических полей, а также большого количества частот в свете лампочки поле будет равно нулю, если его вообще возможно измерить. Посмотрите на фигуру импульса, на то, как меняется поле и какие направления вектора исходят от источника, и подумайте о суперпозиции многих частот при заданных (x, y, z) в момент времени t.
Я не согласен, что поле будет нулевым. Если Е тождественно 0, излучения просто нет. Е будет усредняться до нуля в конечном пространственном или временном масштабе, но я хочу знать о поведении Е ( т ) в одном месте. Кроме того, мы можем забыть о поляризациях. Допустим, нас интересует только Икс -поляризация (заменить все мои Е с Е Икс х).
Вы путаете энергию с электрическим полем. Энергия пропорциональна квадрату электрического поля, пиковая энергия ~ E^2 farside.ph.utexas.edu/teaching/302l/lectures/node119.html . Само электрическое поле является векторной величиной, с + и - которая колеблется синусоидально. Если вы перейдете к фемтосекундам и одной частоте, вы сможете измерить колебания. В противном случае, при сочетании частот и больших временах, даже в лазерном эксперименте, электроны будут двигаться вверх и вниз и, казалось бы, останутся на месте, если время больше фемптосекунд.
Меня не интересуют практические трудности измерения электрических полей. Я хочу понять концептуально, что происходит. Мне кажется, что электрическое поле Е ( т ) как физический объект существует, даже если его трудно измерить. Я думаю, что это будет некоторая непрерывная функция времени, а не тождественно нулевая.
Это функция времени, но важна дельта(t). Рисунок из эксперимента, в котором измерялось электрическое поле, дает вам дельту (t), по которой вы можете отличить, что электрическое поле колеблется синусоидально. поскольку циклы + и - равны по размеру для большой дельты (t), вы не можете видеть прохождение электрического поля.
В этом случае, я думаю, мой вопрос заключается в том, что происходит, когда дельта (t) стремится к нулю? При большой дельте (t) среднее значение равно 0, как вы говорите. В пределе малых значений delta(t) волна выглядит как синусоида, а среднее значение за бесконечно малое время будет некоторой константой. При некоторой конечной delta(t) происходит переход между двумя режимами. Какова временная шкала delta(t) при этом переходе? Может быть, это другой способ обрамления.
Что определяет временную шкалу флуктуаций электромагнитного поля от источника света?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v