Модель рассеяния фотонов на самом деле о полном поглощении?

Question

Модель рассеяния фотонов на самом деле о полном поглощении?

Анонимный

Меня интересовали такие вещи, как рассеяние Комптона. Насколько я понимаю, это неупругое рассеяние фотона на свободном электроне. Неупругий означает, что фотон меняет свой угол и частоту. Поскольку этот сайт показывает, что все люди сбиты с толку, почему электрон не может полностью поглотить энергию фотона. Великие умы отвечают, что «потому что энергия и импульс не могут сохраняться одновременно», и дают математику, которая для меня ничего не объясняет. Так что мои сомнения идут ниже.

Электрон покоится, его энергия $m_ec^2$ . А вот и фотон. Электрон полностью его поглощает и начинает менять свою скорость, НО $inertia$ - способность электрона сохранять свою постоянную скорость, если на нее нет воздействия, и противостоять изменению скорости . И тогда я предполагаю две ситуации

1. Процесс ускорения переходит в процесс отрицательного ускорения, электрон теряет часть энергии - новый фотон. (фотон меняет свой угол (?) и частоту)

Первое может быть плохим, т.к. кажется, что при переходе «ускорение -> постоянное движение» отрицательного ускорения нет, следовательно, электрон ничего не теряет. Так что, возможно, электрон излучает фотон, при ускорении (как, его энергия увеличивается??)

Об изменении массы (или энергии, я уже запутался) из-за изменения скорости. Я хочу найти, изменится ли масса электрона, если скорость увеличится.

электрон в покое, v=0

$E=\dfrac{mc^2}{\sqrt{1-v^2/c^2}}$

$E\sqrt{1-v^2/c^2}=mc^2$

$m=\dfrac{E\sqrt{1-v^2/c^2}}{c^2}$

Таким образом, электрон должен изменить свою массу при изменении скорости. Вы, наверное, ответите - "ты тупой, изменение скорости есть производная от изменения энергии, т.е. энергия электронов меняется, а потом меняется скорость". Но затем он сталкивается с тем фактом, что электрон не может набирать энергию и импульс.

Если мое первое предположение было правильным, то все рассеяния связаны с процессами полного поглощения и переизлучения?

Озз

Что вы имеете в виду под «Поскольку этот сайт показывает, что все люди сбиты с толку, почему электрон не может полностью поглотить энергию фотона»?

пользователь205628

@GK просто введите в поиск «свободный электрон поглощает фотон», и вы поймете. Но Вы уже обиделись..

Озз

Ну это вы в своем посте написали. Я хотел , чтобы ты ответил мне.

пользователь205628

@GK ответь что?

Озз

Поскольку вы пишете это в своем вопросе как факт, вы должны быть в состоянии объяснить кому-то, что вы имеете в виду, говоря это.

dmckee --- котенок экс-модератор

В квантовых теориях поля древовидное описание события рассеяния (например, комптоновского рассеяния) осуществляется в терминах оператора поглощения и оператора рождения. Но вы не должны понимать это как описание последовательности с четко определенным временным порядком. Ссылки physics.stackexchange.com/questions/185110/… physics.stackexchange.com/q/162845/520

пользователь205628

@dmckee не смотрите на время, просто чтобы объяснить, что это происходит вовремя, а не в определенные промежутки времени.

dmckee --- котенок экс-модератор

Комментарии, приписывающие негативные черты личности или душевное состояние другим пользователям, нарушают правило «Будь любезным». политики и будут удалены.

пользователь205628

@dmckee, давай еще раз

dmckee --- котенок экс-модератор

@Artur Я имею в виду, что я удалил некоторые комментарии, которые, по моему мнению, не соответствовали политике позитивного социального взаимодействия на сайте. Я не говорю, кому адресован комментарий, потому что цель состоит в том, чтобы предотвратить дальнейшие неприятности; люди, заметившие, что один из их комментариев был удален, могут задуматься о том, была ли это проблема или просто удален, потому что он остался недействующим из-за удаления какого-либо другого комментария.

Ответы (3)

Модель рассеяния фотонов на самом деле о полном поглощении?

Что вы имеете в виду под «Поскольку этот сайт показывает, что все люди сбиты с толку, почему электрон не может полностью поглотить энергию фотона»?
@GK просто введите в поиск «свободный электрон поглощает фотон», и вы поймете. Но Вы уже обиделись..
Ну это вы в своем посте написали. Я хотел , чтобы ты ответил мне.
Поскольку вы пишете это в своем вопросе как факт, вы должны быть в состоянии объяснить кому-то, что вы имеете в виду, говоря это.
В квантовых теориях поля древовидное описание события рассеяния (например, комптоновского рассеяния) осуществляется в терминах оператора поглощения и оператора рождения. Но вы не должны понимать это как описание последовательности с четко определенным временным порядком. Ссылки physics.stackexchange.com/questions/185110/… physics.stackexchange.com/q/162845/520
@dmckee не смотрите на время, просто чтобы объяснить, что это происходит вовремя, а не в определенные промежутки времени.
Комментарии, приписывающие негативные черты личности или душевное состояние другим пользователям, нарушают правило «Будь любезным». политики и будут удалены.
@Artur Я имею в виду, что я удалил некоторые комментарии, которые, по моему мнению, не соответствовали политике позитивного социального взаимодействия на сайте. Я не говорю, кому адресован комментарий, потому что цель состоит в том, чтобы предотвратить дальнейшие неприятности; люди, заметившие, что один из их комментариев был удален, могут задуматься о том, была ли это проблема или просто удален, потому что он остался недействующим из-за удаления какого-либо другого комментария.

безопасная сфера · Answer 1

Это не полный ответ, а просто иллюстрация того, почему свободная массивная частица (электрон) не может поглотить безмассовую частицу (фотон). Полная энергия (квадрат) электрона равна

\begin{matrix} (1) & Е_{е}^{2} "=" м^{2} с^{4} + п_{е}^{2} с^{2} \end{matrix}

$E_e^2=m^2c^4+p_e^2c^2 \tag{1}$

В системе покоя начальный импульс равен нулю, а начальная энергия равна $mc^2$ . Предположим, что после столкновения электрон поглощает импульс фотона

п_{е} "=" п_{п} "=" \frac{час ф}{с}

$p_e=p_p=\dfrac{hf}{c}$

где $h$ постоянная Планка и $f$ это частота. В соответствии с $(1)$ , энергия (квадрат) электрона теперь должна быть

\begin{matrix} (2) & Е_{е}^{2} "=" м^{2} с^{4} + {час}^{2} ф^{2} \end{matrix}

$E_e^2=m^2c^4+h^2 f^2 \tag{2}$

Однако в соответствии с законом сохранения энергии электрон поглощает энергию фотона.

Е_{е} "=" м с^{2} + Е_{п} "=" м с^{2} + час ф

$E_e=mc^2+E_p=mc^2+hf$

Взятие квадрата дает

\begin{matrix} (3) & Е_{е}^{2} "=" м^{2} с^{4} + 2 м с^{2} час ф + {час}^{2} ф^{2} \end{matrix}

$E_e^2=m^2c^4 {\color{red}{+2mc^2hf}} +h^2 f^2 \tag{3}$

Как видите, энергия $(2)$ полученное из закона сохранения импульса, не соответствует энергии $(3)$ вытекает из закона сохранения энергии. Поскольку и энергия, и импульс не могут сохраняться одновременно, этот процесс запрещен законами природы. Свободный электрон не может поглотить фотон.

Это неравенство должно быть разрешено быстро в течение времени, разрешенного принципом неопределенности. Дополнительная энергия и импульс должны быть испущены как еще один фотон. Таким образом, комптоновское рассеяние включает в себя поглощение исходного фотона электроном и немедленное испускание электроном другого фотона. Между актами поглощения и испускания электрон становится виртуальным. Другими словами, энергия и импульс выходят из равновесия при поглощении, что вызывает немедленную эмиссию для восстановления баланса.

Этот анализ справедлив для элементарных частиц без внутренних энергетических уровней. Составные частицы, такие как атомы, имеют внутренние энергетические уровни и могут быть возбуждены до этих уровней, чтобы потреблять дополнительное количество энергии, выделенное красным выше. Однако возбужденное состояние носит временный характер, и эта дополнительная энергия вскоре высвобождается путем испускания фотона.

Основное различие между элементарными и составными частицами состоит в том, что элементарная частица (например, электрон) при поглощении фотона становится виртуальной и, следовательно, должна испускать фотон мгновенно. Напротив, составная частица (например, атом) не становится виртуальной при поглощении, а только возбуждается. Он все еще должен испустить фотон в ближайшее время, но не мгновенно. Этот эффект используется в лазерах, в которых сначала возбуждается множество атомов, а затем, после короткой задержки, они стимулируются к испусканию когерентного света всеми вместе.

Я бы назвал это «reductio ad absurdum», энергия и импульс должны сохраняться всегда, вы также должны добавить «не составной с энергиями связи» в утверждении «свободная массивная частица» +1 для выполнения алгебры
@anna Именно поэтому поглощение невозможно.
Еще меня смущает то, что если электрон полностью поглощает фотон, то куда девается фотон? Он просто должен был исчезнуть? Но мы рассматриваем систему электрон-фотон, и если есть фотон, значит, нет системы
@Artur Существуют частицы материи, называемые фермионами (например, электрон), и частицы «энергии» (или поля), называемые бозонами (например, фотон). Фермионы имеют квантовые числа, которые сохраняются и обычно не могут исчезнуть. Бозоны не имеют такого ограничения (кроме спина или заряда). Бозоны подобны чистой энергии, они могут возникать и исчезать в большом количестве. Таким образом, нас не интересует фотон, исчезающий при поглощении, потому что фотон для этого и предназначен, вся его жизненная цель состоит в том, чтобы передавать энергию и импульс (плюс спин) от одной заряженной частицы к другой.
@anna Я добавила раздел о составных частицах. Спасибо!
«Таким образом, комптоновское рассеяние включает поглощение исходного фотона электроном и немедленное испускание электроном другого фотона», после испускания энергия электрона выше, чем до поглощения?
@Artur Да, по той простой причине, что фотон испускается под другим углом. В результате сохранения импульса электрон начнет двигаться. Это означает, что он приобретает кинетическую энергию. Эта энергия будет вычтена из энергии фотона, поэтому фотон сместится в красную сторону. Единственный случай, когда электрон остается в покое, это когда фотон испускается точно в том же направлении, в котором двигался поглощенный фотон. Кроме того, когда энергия фотона мала (томсоновское рассеяние), электрон почти не движется, поэтому рассеяние фотонов практически упругое (как «маленькие шарики», отскакивающие от стены).
Угол фотона для меня одна из ужасных вещей, потому что как сущность, не имеющая координат, имеет угол или направление? Но у меня есть предположение - угол/направление не определено(квантовая запутанность), оно становится определенным значением только когда что-то поглощает фотон. Другая поговорка: фотон распространяется во всех направлениях. Это правда?
@Artur Фотон путешествует по всем возможным путям с соответствующими вероятностями. Вы можете видеть это как волну, проходящую сквозь пространство. В точке поглощения эта волна имеет определенное направление, поэтому определяется угол входящего фотона. Направление испускаемого фотона можно узнать либо путем обнаружения этого фотона после испускания, либо путем обнаружения того, куда двигался электрон после рассеяния. В общем, частицы летят так, как если бы они были волнами, но когда их измеряют, они всегда выглядят как частицы.
Я создал вопрос, ответьте, если хотите, физика.stackexchange.com/questions /429467/…

Любопытный Разум · Answer 2

Наиболее фундаментальным описанием процессов рассеяния, которое мы сегодня имеем, является квантовая теория поля. В квантовой теории поля нам разрешено говорить о частицах до и после процесса рассеяния, но не о них во время процесса, по той причине, что промежуточное квантовое состояние во время рассеяния настолько отличается от отдельных состояний частиц, что классическая идея то, что мы могли идентифицировать отдельные частицы и говорить об их ускорении, просто не применимо. Чтобы узнать больше о том, что мы можем и не можем сказать о квантовом рассеянии, см. также этот мой ответ .

В частности, диаграммы Фейнмана представляют собой пертурбативные выражения , не имеющие внутреннего отношения к тому, что происходит «на самом деле», поэтому любое объяснение, включающее «виртуальные частицы» (за исключением тех, которые не относятся к внутренним линиям на диаграмме Фейнмана, см . необоснованной в полном непертурбативном формализме, как идея о том, что можно отслеживать любое «ускорение» в процессе рассеяния.

Нет ни «излучения», ни «поглощения», есть только квантовый процесс рассеяния, во время которого нам не позволено применять какие-либо рассуждения, опирающиеся на идентификацию отдельных частиц. (Почти) полная степень того, что квантовая теория поля говорит о фотон-электронном рассеянии, — это формула Клейна-Нишины , которая дает распределение возможных углов между входящим и исходящим фотоном после процесса рассеяния.

Анна В · Answer 3

Сохранение энергии и импульса очень важно в физике, так же как специальная теория относительности и квантовая теория поля в физике элементарных частиц.

Электрон покоится, его энергия $m_ec^2$ . А вот и фотон. Электрон полностью поглощает его и начинает менять свою скорость.

Этот сценарий не может произойти с электроном, потому что он не является составным. В стандартной общепринятой модели физики нет способа поглотить энергию электрона.

Если фотон попадает в атом, который является составным объектом, существует вероятность того, что электрон перейдет в более высокое энергетическое состояние, поэтому фотон будет полностью поглощен, а масса возбужденного атома будет инвариантной массой двух четыре вектора, которые были добавлены, и атом, если он покоится, приобретет импульс. (решение 5 в этом экзамене)

В электроне нет составляющих, которые могут перейти на более высокий энергетический уровень и поглотить фотон, поэтому в лучшем случае фотон с более низкой энергией может выйти из взаимодействия, часть его энергии и импульса перейдет к электрону. Возбужденных электронов нет.

Это то, что показывает диаграмма комптоновского рассеяния для вычисления вероятности сечения рассеяния. ( Диаграммы Фейнмана являются строгими предписаниями для математической формулировки)

Классическая интерпретация, которую вы пытаетесь навязать, отвергается законами сохранения энергии и импульса; в микромире электронов и фотонов именно квантовая механика может математически моделировать рассеяние. Линия электрона находится вне массовой оболочки после первой вершины, т.е. ее масса не является массой электрона, это виртуальный электрон только в силу сохранения энергии и импульса. Он восстанавливает свою массу во второй вершине, где выходит фотон с другой энергией/импульсом и электрон с другой энергией импульса, но оба на их массовой оболочке 0 для фотона и $m_e$ для электрона.

Если вас интересует физика элементарных частиц, вам следует изучать квантовую механику и квантовую теорию поля. Собственные домыслы - пустая трата времени и неуместны для этого сайта.

«Сохранение энергии и импульса очень и очень важно в физике», путаница связана не с законами, а с тем, почему они не могут сохраняться одновременно.
энергия и импульс сохраняются одновременно в одной и той же инерциальной системе, принимаемой при любых взаимодействиях частиц. Вот почему добавление четырех векторов фотона увеличило бы массу электрона, а это неприемлемо в специальной теории относительности, если только электрон не является составной частицей, которую можно возбудить до более высокого уровня, а это не так. Электрон не имеет внутренней структуры. Об этом позаботятся виртуальные обмены диаграмм фейнмана, убрав электрон с массовой оболочки, сделав его виртуальным, то есть не на его измеренной массе (той, что в таблице).
Вы говорите составной, энергетические уровни, только структура может поглощать и т.д. Что это вообще значит? Это все из-за принципа относительности? Я к тому, что если мы рассматриваем отдельный электрон, то нет тел, относительно которых мы можем измерить скорость электрона (и, следовательно, энергию), поэтому нет смысла говорить о поглощении фотона электроном, что ли?
прочитайте абзац выше об атоме и его изменении массы при поглощении фотона
Я знаю, что m=e/c^2. Вы говорите, что у электрона нет структуры, нет элементов, нечего увеличивать/уменьшать, но структура — размытое понятие. Я могу сказать, что есть компоненты энергии, импульса, массы, спина, которые в совокупности мы называем электроном, почему они не могут быть выше или ниже, независимо от других частиц? Просто посчитайте hv фотона + mc^2 электрона. Это не равно бесконечности или 0.
Я не понимаю, что Вы говорите о массе, "вне оболочки". Если бы у фотона была только энергия, без импульса, это было бы странно, согласитесь, потому что электрон увеличивает энергию - увеличивает массу, но все равно остается в покое. Но также есть импульс (Ваш 4 вектор), так что все в порядке - электрон меняет энергию и меняет массу, но это из-за фактора Лоренца - когда он возвращается в состояние покоя, масса снова та же.
вы путаете релятивистскую массу с инвариантной массой. Инвариантная масса - это длина четырех векторов. Сложение четырех векторов имеет разную массу в соответствии с четырехвекторной алгеброй. Релятивистская масса бесполезна в расчетах взаимодействия частиц и больше не используется в физике элементарных частиц из-за путаницы. Добавление 4-вектора фотона к 4-вектору электрона даст новую инвариантную массу, НО ЭЛЕКТРОН ИМЕЕТ ФИКСИРОВАННУЮ МАССУ В ТАБЛИЦЕ СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ. любые четыре вектора, присвоенные электрону, имеют фиксированную инвариантную массу в таблице. Вот почему
электрон не может поглотить фотон, его инвариантная масса фиксирована. В своем ответе я дал ссылку на четыре вектора.
Лол, я плохо разбираюсь в векторах (как и в физике), но я предполагаю, что изменение компонентов 4-вектора изменит его длину - инвариантную массу, ЭТО ИСПРАВЛЕНО1! Следовательно, если изменяется энергия или импульс или и то, и другое, изменяется масса (то есть, как я понимаю, верно из-за, как я уже писал, лоренцевского импульса. Что я упустил?)
импульс Лоренца не имеет ничего общего с инвариантной массой. Если вы не можете понять четыре вектора, лучше поищите развлечения в другом месте.

Модель рассеяния фотонов на самом деле о полном поглощении?

Анонимный

Озз

пользователь205628

Озз

пользователь205628

Озз

dmckee --- котенок экс-модератор

пользователь205628

dmckee --- котенок экс-модератор

пользователь205628

dmckee --- котенок экс-модератор

Ответы (3)

безопасная сфера

Анна В

безопасная сфера

пользователь205628

безопасная сфера

безопасная сфера

пользователь205628

безопасная сфера

пользователь205628

безопасная сфера

пользователь205628

Любопытный Разум

Анна В

пользователь205628

Анна В

пользователь205628

Анна В

пользователь205628

пользователь205628

Анна В

Анна В

пользователь205628

Анна В