Как доказать, что фотон поглощается только один раз?

Стоит рассмотреть эксперимент с двумя щелями по одному фотону за раз.

На следующей последовательности изображений показан типичный результат, наблюдаемый на пленке, помещенной за щелями в однофотонном эксперименте с двумя щелями, для увеличения времени экспозиции:

второй слайд

последний слайд, для экономии места, исходная ссылка не работает, но здесь все же можно увидеть временную последовательность .

Поскольку мы рассматриваем отдельные фотоны, весь эксперимент нужно проводить в темной комнате, чтобы избежать фонового света. Также наиболее чувствительная часть эксперимента (камера и усилитель изображения) помещены в черный ящик, чтобы избежать рассеяния света от лазера. Усилитель изображения является неотъемлемой частью этого эксперимента. С усилителем каждый отдельный фотон усиливается в миллион раз, так что сигнал, генерируемый каждым фотоном на выходе усилителя (люминесцентный экран), может быть обнаружен с помощью чувствительной пленки или ПЗС-камеры.

В этом случае вероятность того, что отдельный фотон будет полностью поглощен усилителем, по построению равна 1.

но чем сильнее излучение, тем больше ожидаемое среднее количество обнаружений в данной области.

В этом случае энергия отдельного фотона не будет иметь значения, пока она находится в пределах энергетических уровней, доступных на люминофорном экране. Появится одна точка.

В общем случае квалификатор «сильнее» для фотонов неверен. Фотоны могут быть высокой энергии или низкой энергии.

В описанном эксперименте, где фотоны испускаются по одному, кнопок нет, классическая интенсивность источника (пропорциональная количеству фотонов) уменьшена так, что один фотон будет приходить за время дельта(t). Дельта(t) варьируется из-за квантовых неопределенностей, но лазер будет излучать фотоны с небольшой энергией дельта(Е), и нет проблем с определением того, что фотон попал в усилитель.

Разумно задаться вопросом, квантуется ли квантование электромагнитной энергии только для взаимодействия с материей (а также для фотоэлектрического результата), а не по сути. Но вы можете думать о самом фотоне как о квантованном пакете электромагнитной энергии, а затем понять, что вам нужна теория, объясняющая, когда, где и как он связан с материей (а иногда даже рассеивает другие квантованные пакеты электромагнитной энергии). . Теория, к которой вы придёте, является стандартной теорией.

Но обычно у нас нет кнопок, которые производят один фотон (я знаю, вы сказали, что это был мысленный эксперимент). Обычно вы вычисляете, что вы знаете скорость (c) и размер (L) аппарата, поэтому, сколько времени (L/c) каждый фотон проводит в полете, и сколько фотонов в час, и вы замечаете, что общее время в полете (на самом деле просто сумма времени полета каждого фотона) намного меньше, чем общее время эксперимента, поэтому вы можете заключить (слишком беспечно), что, вероятно, большинство, если не все фотоны, путешествовали в одиночку. Но чтобы знать наверняка, вам придется обратить пристальное внимание на обнаружение. И на самом деле мы не можем заключить, что это процесс Пуассона, потому что на самом деле они не являются полностью независимыми на 100%, но мы можем попытаться сделать его близким, потому что в пределе по одному за раз они очень близки к независимый.

Таким образом, на практике вы можете разделить время обычного эксперимента на области времени точно такого размера, чтобы ожидаемое число фотонов равнялось одному. Но это будет не Пуассон. Вы бы приблизились к Пуассону только для временных интервалов с гораздо меньшим ожидаемым фотоном

Причина неудачи в том, что при наличии одного фотона вероятность второго чуть больше вероятности первого. Электроны делают наоборот. Поэтому, если вы хотите отправить электроны через двойную щель по одному, проще сделать вывод, что они проходят по одному.

Слово «поглощение» означает, что фотон должен был закончить свою жизнь и преобразовать в энергию возбуждения атома в материале. Фотон может взаимодействовать с веществом тремя способами: фотоэффектом, комптоновским рассеянием и образованием пар. Только во втором процессе выживает фотон.

Экспериментально поглощение (с точки зрения фотоэффекта) наблюдается в детекторах в виде одиночного пика определенного уровня энергии (для монохроматического гамма-источника). Поскольку поглощается полная энергия, он должен давать специфический отклик детектора в пределах своего разрешения.

Если фотон не поглощается, а рассеивается внутрь, то он высвобождает часть своей энергии, которая идет на ионизацию атома, эта энергия видится как достаточно плоский спектр между 0 и энергией фотона (пик). Также возможно, что фотон рассеивается один или несколько раз внутри материала, а затем поглощается, тогда вы также увидите это как пик полной энергии. в противном случае он может выйти за пределы рабочего объема детектора и оставить комптоновский фон.

Итак, отвечая на ваш вопрос, невозможно иметь множественное поглощение, но да, возможно иметь множественные эффекты рассеяния. Затем вам нужно построить массив (геометрия сетки или стопки) относительно тонких (тоньше, чем средняя длина рассеяния) детекторов, и тогда у вас есть возможность наблюдать эффекты рассеяния в нескольких слоях.

То, что вы спрашиваете, зависит от метода обнаружения. Если метод обнаружения основан на поглощении фотона с испусканием электронов, то 1 фотон может быть поглощен 1 раз. Это фотоэффект, а закон сохранения энергии показывает, что энергия фотона не может быть меньше энергии ионизации 1 электрона.

Хотя нас интересует комптоновское рассеяние, фотон с высокой энергией неупруго рассеивается на частицах на своем пути. При высоких энергиях длина волны фотона может быть достаточно малой, чтобы фотон видел на своем пути электрон в атоме, а не весь атом. При каждом рассеянии фотон оставляет часть своей энергии частице, на которой он был рассеян. Электрон получает отдачу из-за столкновения с фотоном, и линейный импульс фотона уменьшается, а его длина волны увеличивается.