Как специалист по атмосферной физике я знаком с электромагнитным излучением в атмосфере и с тем, что диктует, на какой длине волны будут излучать объекты. При наблюдении за излучением в атмосфере его всегда рассматривают как волну, будь то длинноволновая или коротковолновая. Недавно я познакомился с квантовым миром, и у меня возникли проблемы с переводом между волновой моделью и корпускулярной моделью света.
Я понимаю, что солнце с температурой 6000К имеет пик излучения в видимом спектре. Когда этот свет достигает Земли и попадает на объект, этот свет поглощается, а то, что не поглощается, отражается обратно, и мы видим этот цвет. Мне трудно понять, как это работает, когда я думаю о фотонах. Как мы видим цвета объекта, когда думаем о фотонах?
Недавно я смотрел видео о том, почему стекло прозрачное. В нем говорилось, что электроны в стекле устроены таким образом, что когда они сталкиваются с фотонами, им не хватает энергии для достижения более высокого энергетического уровня. Это заставило меня задуматься о том, почему поглощение этого фотона и достижение более высокого энергетического уровня необходимо для того, чтобы не быть прозрачным. Создавалось впечатление, что для того, чтобы не быть прозрачными, фотоны должны были поглощаться, чтобы электроны могли излучать фотон такого цвета.
Когда мы думаем о фотонах, видим ли мы цвета, потому что фотоны отражаются обратно, как волны? Или мы видим, как электроны испускают фотоны определенного цвета, поскольку это снижает энергетические уровни? Например, у меня есть зеленая стена с окном. Фотоны проходят прямо через стекло, но ударяются о мою стену, возбуждая электроны вверх по уровню, а затем, когда они переходят на более низкий уровень, излучается зеленый фотон, или фотоны ударяются о мою стену и просто отскакивают назад?
Таким образом, это очень распространенная путаница, и она возникает из-за того, что свет не является ни волной, ни частицей, а вместо этого (в настоящее время лучше всего описывается как) квантовое поле. Описания волн и частиц являются приближениями, применимыми при некоторых обстоятельствах. В частности, фотонная модель — хороший способ описать, как электромагнитное поле обменивается энергией с окружающей средой. Когда свет передает энергию чему-то другому, передаваемая энергия представляет собой целое число энергий фотона.
Итак, в вашем примере стекло прозрачное, потому что для видимого света нет никаких энергетических уровней, отстоящих друг от друга на один фотон. Поскольку свет может взаимодействовать со стеклом только путем обмена энергией сгустками размером с фотон, взаимодействие произойти не может. Стекло действительно поглощает ультрафиолет, потому что энергия фотонов пропорциональна частоте света, а на частотах ультрафиолета энергия фотонов достаточно велика, чтобы возбудить электроны в стекле.
Зеленый пигмент в краске на вашей стене был выбран так, чтобы иметь электронные возбуждения, соответствующие энергии фотонов красного и синего света, но ни один из них не соответствует энергии зеленого света. Это означает, что красный и синий свет, падающий на стену, поглощается, а зеленый отражается. Как правило, в твердых телах, когда свет возбуждает электронный переход и поглощается, энергия возбужденных электронов рассеивается в виде колебаний решетки. Только в некоторых случаях он переизлучается в виде света, и в этом случае вы получаете флуоресценцию или фосфоресценцию . Таким образом, это не тот случай, когда свет поглощается и переизлучается в виде зеленого света. Зеленый свет отражается и остается зеленым, в то время как другие цвета поглощаются, и их энергия нагревает стену.
Зеленый свет, достигающий вашей сетчатки, имеет фотонную энергию, которая соответствует оптическим пигментам в М-колбочках . Таким образом, свет поглощается (порциями размером с фотон) возбуждающими электронами в оптических пигментах.
Ответ Джона ясен для ансамбля фотонов, составляющих электромагнитную волну.
Если вы действительно спрашиваете, как отдельные фотоны создают классическую электромагнитную волну, независимо от того, отражены они или нет, вам следует углубиться в квантовую электродинамику. Любош Мотл опубликовал в своем блоге запись о том, как классические волны возникают из большого ансамбля фотонов.
Классические уравнения последовательно вытекают из квантово-механических, но электромагнетизм обладает дополнительным изяществом, заключающимся в том, что он содержит уравнения Максвелла как для классических волн, так и для квантово-механического уравнения, которое дает волновую функцию для фотона. Вступает тот же четырехмерный потенциал и, таким образом, преемственность классической и квантовой частоты для энергии фотона , E=h*nu, и частота, выраженная в пространстве большим ансамблем фотонов с частотой nu.
Энергия фотона определяет его частоту:
E = h*f
где f — частота, h — постоянная Планка.
Частота обратно пропорциональна длине волны согласно:
lambda*f=c
где лямбда — длина волны, а с — скорость света.
Следовательно, вы можете утверждать, что фотоны с более высоким уровнем энергии (природа частиц света) имеют более высокие частоты (природа волн света) и более низкие длины волн.
пользователь 2113499
Джон Ренни