Создание фотонов и квантовая теория поля

Я помню, как узнал следующую знакомую историю на уроке химии в старшей школе:

«Атом состоит из ядра протонов и нейтронов и набора электронов, вращающихся вокруг ядра на дискретных уровнях. Когда электрон падает с уровня n на уровень n-1, создается фотон».

Впоследствии я изучил более сложную физику, а сейчас изучаю основы квантовой теории поля.

Мой вопрос: как можно изменить историю, которую я выучил в старшей школе, зная основы квантовой теории поля?

Причина, по которой я задаю этот вопрос, заключается в том, что мой учебник по квантовой теории поля учит меня вычислять сечения рассеяния, скорости распада и т. д. Однако мне совсем не ясно, какое это имеет отношение к утверждению, что фотон испускается, когда электрон падает на один уровень.

Вы ищете что-то вроде «матричный элемент оператора создания ЭМ между <Excited> и <Ground> не равен нулю»? (Я надеюсь, что кто-то лучше разбирается в QED, чем я, сможет дать правильное предложение...)
@johndecker Да, действительно. В идеале я хотел бы либо объяснение, либо ссылку, которая объясняет, как преобразовать мою школьную физику в QFT.
@Henrikas Спасибо за ссылку! Чтобы уточнить, я понимаю, как можно объяснить дискретность орбиталей, используя обычную КМ. Однако я также хотел бы понять, почему фотоны создаются, когда электроны меняют орбитали.

Ответы (1)

История квантовой теории поля (КТП) рассматривает частицы, такие как электрон, протон или фотон, совершенно иначе, чем квантовая механика (КМ) и классическая механика (КМ).

Мы все знаем, что с КМ мы не можем объяснить поведение атома, потому что, согласно теории Максвелла, ускоряющиеся частицы должны излучать свою энергию, а для атома это означает, что электроны должны падать на ядро, излучая энергию.

КМ говорит, что электроны имеют определенные стационарные орбиты, и удается объяснить такое явление, как излучение черного тела. Но квантовая механика также терпит неудачу, когда частицы имеют скорость, сравнимую со скоростью света.

Теперь рождается КТП, которая представляет собой брак КМ и специальной теории относительности. КТП рассматривает частицы как возбужденные состояния поля, а взаимодействие между частицами изучается посредством взаимодействия между полями. Стандартная модель является результатом КТП. Если мы хотим изучить взаимодействие между двумя электронами, мы говорим, что один электрон прикладывает силу к другому за счет фотонов. КТП также говорит, что в вакууме фотон может создать пару электрон-позитрон, а пара электрон-позитрон может аннигилировать, чтобы произвести фотон. Конечно, принцип сохранения энергии и принцип сохранения количества движения должны соблюдаться в любом процессе.

Для объяснения явления испускания или поглощения фотонов, когда электроны меняют свои орбиты, достаточно хорошо работает КМ-картина, потому что электроны никогда не достигают скорости света, если их не поместить в ускоритель. Объясняя явление с помощью КТП, мы можем описать электрон возбужденным состоянием поля 1 (поле Дирака) и аналогично фотон возбужденным состоянием поля 2 (поле Максвелла). Теперь, если фотон поглощается, то поле 2 переходит в свое основное состояние, а поле 1 переходит в верхнее возбужденное состояние. Математика этого процесса не очень проста и к тому же очень длительна. Если вы хотите увидеть математику, я настоятельно рекомендую главу 8 для поля Дирака, главу 9 для поля Максвелла из книги Ashok Das-Lectures on QFT. Для взаимодействия этих двух полей вы можете обратиться к главе 5 из книги Peskin, Schroeder- Introduction to QFT.

Создание фотонов и квантовая теория поля
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v