Электромагнитные волны и фотоны

Ответ Клаудио Саспински отвечает на частный случай радиоволн. Ваш вопрос гораздо шире. Поэтому я тоже отвечу.

... идет поток зиолионов фотонов, они взаимодействуют с заряженной частицей за счет комптоновского рассеяния или чего-то в этом роде. На этой картине я не вижу, как можно следовать определенному направлению.

Правильный. Все эти фотоны от тепловых источников, с разным энергосодержанием (частотами), с разным пространственным положением их гребней и с разными направлениями - на все 360° - к направлению распространения. Взаимодействуя с телом, эти фотоны отдавали свою энергию атомам тела, повышая температуру выше температуры окружающей среды. Атомы тела со своей стороны излучают фотоны (в основном с более низкими частотами) и термически уравновешиваются. =>
Атомы совершают хаотическое перемещение за счет поглощения и испускания фотонов.

Если у меня есть заряженная частица, которая свободна в пространстве и через нее проходит электромагнитная волна.

Это особый случай, упомянутый Клаудио Саспинский. Фотоны из первого абзаца нельзя измерить как волну . Это электромагнитное излучение. Поддающиеся измерению электромагнитные волны — это радиоволны . Электроны на поверхности проводника (стержня антенны) синхронно ускоряются вперед и назад и при каждом ускорении излучают фотоны, причем все с одним и тем же направлением составляющей их электрического поля (параллельно стержню). ЭМ излучение является поляризованным.
Кроме того, количество испускаемых фотонов и направление их электрического поля периодически меняются. От нуля до максимального числа и обратно до нуля — все с направлением их электрического поля вверх — и снова до максимального числа — на этот раз с направлением электрического поля вниз.

На приемном проводящем стержне электроны, поглощая эти поляризованные фотоны, ускоряются все в одном направлении. Конечно, только до тех пор, пока приходящая волна содержит фотоны. На следующей полуволне входящие фотоны ускоряют электроны на стержне в противоположном направлении.

Короче говоря, вы правы, беспокоясь о разнице между электромагнитными волнами и фотонами.

Типичным примером является LC-цепь , где электромагнитная радиоволна с резонансной частотой устройства генерирует переменный ток.

LC-контур — это гармонический осциллятор, и все можно понять, не думая о фотонах.

Но если сила приходящей волны становится слишком слабой, все меняется. Для каждой частоты существует минимум энергии:$E = \hbar \nu$. Итак, поведение схемы следует понимать как квантовый гармонический осциллятор .

Только когда уровень энергии QHO достаточно высок, он сходится к поведению классического гармонического осциллятора. Но$\hbar$— очень малое число, так что большая часть того, что мы называем слабыми сигналами, достаточно сильна, чтобы вести себя классически.

Вы спрашиваете, что произойдет, если заряженная частица встретится с лучом не совершенно когерентного и поляризованного света?

Вы можете увидеть такие примеры в непрозрачной плазме, если она достаточно плотная, а также в ранней Вселенной, непрозрачной из-за расстояний и количества заряженных частиц.

Частица будет взаимодействовать с падающими фотонами и случайным образом менять направление, при этом средняя сила будет близка к нулю. Каждый раз, когда заряженная частица меняет направление, она испускает фотон, который ослабляет исходный и усиливает тот, что идет в сторону, где двигались заряженные частицы.

Если вы спросите, как конкретное направление может быть выбрано в качестве предпочтительного для испускания фотонов, вы можете проверить это устройство:

https://en.wikipedia.org/wiki/Клистрон

Если вы спросите, как конкретное направление может быть выбрано в качестве предпочтительного для ускорения электронов, вы можете проверить это устройство с RF:

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Linear_particle_accelerator

Если вы спросите о системе отсчета фотона, то это не имеет смысла. У него нет времени, с его точки зрения, он не реагировал ни с чем, кроме электрона-мишени, сразу после испускания источником.

Если вы спросите о популярных изображениях фотона, который показывает вращение или поляризацию при попадании в цель, это бесполезно в вашем вопросе. Электрон не видит этой сложной картины, для него фотон — это простой объект, который создает одну силу, зависящую от поляризации и фазы при ударе.

Если вы спросите, могут ли фотоны взаимодействовать друг с другом, ответ обычно будет отрицательным. Только через гравитацию или создание материи для чрезвычайно высоких энергий.

Если вы спросите, как перейти в расчетах от однофотонного к многофотонному пучку: учтите, что только поляризованная и когерентная часть луча толкает электрон в том же направлении. Таким образом, если луч имеет 23% вертикальную поляризацию и 77% горизонтальную поляризацию, считайте, что 46% (наименьшее, 23%, умноженное на 2) луча рассеивается, а 54% используются для поляризации. Если 12 % луча имеют фазу 0 градусов, а 88 % имеют фазу 180 градусов, что маловероятно, но легче вычислить, то часть, которая рассеивается, составляет 24 % (наименьшая часть, 12 %, умноженные на 2), а 76 % составляют полезно в фазе. Всего 76% луча используется по фазе, а 54% — по поляризации. 76 % умножить на 54 % — это 41 %, и эта часть луча действует как один сильный фотон, толкающий электрон в том же направлении. Остальная часть луча тратится впустую, толкая электрон в случайных направлениях.