Фотоны и поглощение

Здравствуйте и спасибо, что прочитали мой вопрос:

Представьте, что мы посылаем один фотон в атом, и оказывается, что это правильная частота, так что он полностью поглощается электроном в этом атоме. Очевидно, что фотон ушел. Однако в свете того, что фотон является возмущением поля Э&М, это означает, что волна Э&М, которая представляла фотон, исчезла. Мой вопрос в том, как волна E&M исчезает? Я рассудил, что он не может исчезнуть мгновенно, так как это нарушило бы СТО. Более того, волна существовала на всем пути между испустившим ее электроном и поглощённым электроном. Это приводит меня в замешательство: если он не исчезает мгновенно, значит, фотон все еще существует и не поглощается.

Вкратце: волны E&M (фотоны) не локализованы, так как же они могут быть поглощены.

Ответы (2)

Часто сбивает с толку представление о фотоне как о частице... немного чего-то . Это один из таких случаев. Во многих случаях считается, что фотон — это возбуждение электромагнитной «моды». Мода — это пространственное распределение, описывающее место возникновения возбуждения: волновая функция. Возбуждение моды (фотона) существует везде, где существует мода. Простым примером моды является стоячая волна в полости с идеально проводящими стенками. Но любое электромагнитное волновое поле можно рассматривать как существующее в одной или нескольких модах.

Можно было бы думать, что мода пуста, если в ней нет возбуждений, т. е. нет фотонов. Но на самом деле это не так, поскольку нулевая точка возбуждения моды гарантирует, что в моде всегда что-то есть, даже если к этому чему-то нельзя получить прямой доступ. (Поле нулевой точки дает о себе знать и другими способами, например, инициируя спонтанное излучение.)

Так что ЭМ волна... мода... не исчезает. Даже если мода не содержит фотонов, мода существует вместе со своим нулевым полем.

Но взаимодействие с атомом происходит в одном конкретном месте: в месте нахождения атома. Мода теряет один квант возбуждения, а атом получает один, и взаимодействие очень похоже на то, как если бы частица ударилась об атом и была поглощена. К сожалению, эта заманчивая картина может привести к трудностям.

А как насчет конечной скорости электромагнитной волны? Волновая функция фотона (или электромагнитного поля) — это просто уравнения Максвелла. Как и в случае с классической волной, изменение амплитуды/состояния возбуждения распространяется со скоростью света. В QM анализ идет несколько иначе, но результат тот же.

Итак, если изменение амплитуды/состояния возбуждения распространяется со скоростью света, разве это не свет? Насколько я понимаю, единственное, что может распространяться со скоростью света, — это свет (иначе что распространяется?), но свет состоит из фотонов, так как же он будет действовать, чтобы уменьшить амплитуду?
Волновая функция распространяется. Это не свет. Как вы обнаружили, квантово-механическая концепция излучения сильно отличается от классической. Найти интуитивную картину квантовых явлений сложно. Если у вас получится, вы будете первым, кто это сделает.

На квантово-механическом уровне уравнения Шрёдингера у атома есть энергетические уровни, которые может занимать электрон. Переходы с более высоких энергетических уровней на более низкие приводят к излучению фотона.

Можно развить интуицию из более примитивной версии квантования, атома Бора, где постулаты принуждают электрон находиться на квантованном энергетическом уровне. Атом Бора был постулирован, потому что в классической электромагнитной теории, описываемой уравнениями Максвелла, электрон, вращающийся вокруг протона, как планета, будет непрерывно излучать электромагнитное излучение, пока не упадет на протон. Этого не наблюдалось. Вместо этого наблюдались спектры света , показывающие, что свет распадается на кванты энергии. Вместе с фотоэффектом было постулировано и последовательно установлено наличие фотонов, частиц света, с нулевой массой и энергией =h*nu.

Электромагнитная волна частоты nu состоит из огромного ансамбля таких фотонов . Были проведены эксперименты по съемке одиночных фотонов через две щели, где интерференционная картина строится по точкам за раз, показывая реакцию отдельных частиц фотонов с экраном и природу коллективной волны.

Ты спрашиваешь:

Это приводит меня в замешательство: если он не исчезает мгновенно, значит, фотон все еще существует и не поглощается.

Волны E&M (фотоны) не локализованы, так как же они могут быть поглощены.

Таким образом, ваше замешательство возникает из-за того, что вы приписываете фотону полную электромагнитную волну. Одиночный фотон, поглощенный атомом и поднимающий электрон на более высокий энергетический уровень, представляет собой крошечную часть электромагнитной волны и может вести себя как частица, передающая свою энергию и импульс за время дельта(t), совместимое с шириной линии, которая поглощает его. Когда она ведет себя как волна на микроуровне атомов, это волна вероятности, как показывает эксперимент с двумя щелями. У него есть вероятность отображать частоту классической волны, которой он принадлежит, при взаимодействии с материей в определенных точках (x, y, z). Ансамбль фотонов — это энергетическая волна в пространстве, состоящая из миллиона отдельных фотонов.

Таким образом, в том же смысле, что бильярдный шар ударяется о другой и передает свой импульс/энергию через временной интервал дельта(t), фотон ведет себя точно так же и передает свой импульс/энергию атому при поглощении. Исчезает не совокупность фотонов, составляющих электромагнитную волну, постоянно сталкивающуюся с материей. Всего лишь крошечный его квант, локализованный с помощью delta(t) и delta(x) delta(y) delta(z).

Я не понимаю этого объяснения, поскольку традиционное объяснение фотона — это квант энергии с E = hv, и если это не вся волна, то как вы приписываете ей частоту? Кроме того, я читал, что фотоны — это не короткие импульсы электромагнитного излучения, так что это также противоречит тому, что вы говорите. Если вы говорите, что это ложь, не могли бы вы привести цитату, чтобы показать, что это правда?
Это парадокс дуальности волны/частицы для фотона. Вы назначаете ему частоту из спектров атомов, и эта частота является частотой электромагнитной волны, возникающей волны из миллионов фотонов. E=h*nu исходит из спектров и согласованности всех экспериментальных результатов для энергии фотонного кванта. Она распространяется в пространстве не как энергетическая волна, а как вероятность найти ее в определенных точках x, y, z, такая же, как и для электронов в их корпускулярно-волновом дуализме.
Но это верно даже для одного фотона, их не обязательно должно быть миллион или двадцать. Я не вижу, чтобы это примирилось из-за одного фотона.
Я дал вам ссылку на то, как ЭМ волна создается отдельными фотонами. общая статья en.wikipedia.org/wiki/Photon
что значит помириться? а какая у вас ссылка на "я читал что фотоны это не короткий импульс ЭМ излучения"
Электромагнитное излучение — это возникающее явление на огромном количестве фотонов, и я дал вам ссылку. Они строят волну когерентным образом, подобно волне на стадионе, где люди в фазе поднимают руки. Спин фотона и электромагнитное ид вместе с другими фотонами создают электромагнитную волну. Это не классическая расколотая волна, за исключением ожидаемой планетарной модели Бора.
Прямо по ссылке, которую вы предоставили, говорится, что фотоны не являются коротким импульсом ЭМ-излучения в разделе дуальности волновых частиц.
Это я тоже сказал. Разрезанная классическая электромагнитная волна по-прежнему будет содержать миллионы фотонов. Когда регистрируются отдельные фотоны, они несут частоту электромагнитной волны, как видно из эксперимента с двумя щелями, но не как распределение энергии в пространстве для каждого отдельного фотона, а как распределение вероятностей, обладающее волновыми свойствами.
Но если отдельный фотон не является электромагнитной волной, как он может интерферировать сам с собой?
Это и есть квантовая механика. То же самое происходит и с частицами. Электрон в эксперименте с двумя щелями также демонстрирует волновую картину. en.wikipedia.org/wiki/…
В квантово-механической формулировке он не интерферирует сам с собой: квадрат волновой функции, описывающий его, дает вероятность того, что его можно найти в точках x, y, z. Это вероятность того, что волны, а не частица.
Интерференцию фотона с самим собой можно наблюдать экспериментально, так что это не может быть правдой.
Это эксперимент с двумя щелями, который показывает смещение фотона, одну точку. Ни одного фотона в волновой структуре. Извините, но мы должны закончить это сейчас. он становится слишком длинным.
@annav Я думаю, что ваша интерпретация нестандартна. Вспомните известное высказывание Дирака: «Каждый фотон тогда интерферирует только сам с собой. Между разными фотонами никогда не возникает интерференции». из его книги по квантовой механике.Также: статья в Википедии, которую вы цитируете, длинная, и я не могу найти часть об электромагнитной волне, являющейся эмерджентным эффектом миллионов фотонов.
@annav Я заметил, что вы ссылаетесь на блог Любоша Мотла. Он конечно умнее меня. Но пост у него опять длинный. Кажется, он имеет в виду когерентные состояния Глаубера как свое КМ-описание электромагнитной волны. Это то, что вы имеете в виду? Действительно, эти состояния являются суперпозицией состояний фотонов, так что в этом смысле я понимаю, что вы говорите, и это может быть лучшим ответом на ОП. Но я верю, что подход к проблеме с точки зрения «традиционных» фотонных состояний тоже может работать.
@garyp Ваш ответ в порядке, за исключением того, что я не думаю, что спрашивающий находится на том уровне, чтобы понять его, поэтому я написал эту первую точку зрения на квантование.
@annav Мне начинает нравиться твой ответ больше, чем мой. Вы действительно называете когерентные состояния лучшим аналогом классической волны? К сожалению, запись в блоге Любоша длинная и довольно техническая.
@garyp Да, в некотором смысле. Суть изложения Любоша состоит в том, что волновая функция фотона кроме спина и энергии также имеет информацию о потенциале A . По мере когерентного построения ансамбль превращается в решение уравнений Максвелла (разумеется, в понимании экспериментатора).
Фотоны и поглощение
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v