Als Hauptfach Atmosphärenphysik bin ich mit elektromagnetischer Strahlung in der Atmosphäre vertraut und weiß, welche Wellenlänge Objekte emittieren. Bei der Beobachtung von Strahlung in der Atmosphäre wird sie immer als Welle betrachtet, egal ob langwellig oder kurzwellig. Kürzlich wurde ich jedoch in die Quantenwelt eingeführt und habe Probleme, zwischen dem Wellenmodell und dem Teilchenmodell des Lichts zu übersetzen.
Ich verstehe, dass die Sonne, die eine Temperatur von 6000 K hat, ihre Spitzenemission im sichtbaren Spektrum hat. Wenn dieses Licht es zur Erde schafft und auf ein Objekt trifft, wird dieses Licht absorbiert und was nicht absorbiert wird, wird zurückreflektiert und wir werden diese Farbe sehen. Ich habe Probleme zu verstehen, wie das funktioniert, wenn ich an Photonen denke. Wie sehen wir Farben eines Objekts, wenn wir an Photonen denken?
Kürzlich habe ich mir ein Video darüber angesehen, warum Glas transparent ist. Darin heißt es, dass die Elektronen im Glas so angeordnet seien, dass sie beim Auftreffen auf Photonen nicht genug Energie hätten, um ein höheres Energieniveau zu erreichen. Dies ließ mich darüber nachdenken, warum das Absorbieren dieses Photons und das Erreichen eines höheren Energieniveaus notwendig ist, um nicht transparent zu sein. Es sah so aus, als müssten Photonen absorbiert werden, um nicht transparent zu sein, damit Elektronen ein Photon dieser Farbe emittieren könnten.
Wenn wir an Photonen denken, sehen wir Farben, weil Photonen wie eine Welle zurückreflektiert werden? Oder sehen wir Elektronen, die eine bestimmte Photonenfarbe emittieren, wenn sie das Energieniveau senkt? Ich habe zum Beispiel eine grüne Wand mit einem Fenster. Gehen Photonen direkt durch das Glas, treffen aber auf meine Wand und regen die Elektronen eine Ebene höher an, dann wird ein grünes Photon emittiert, wenn sie auf eine niedrigere Ebene gehen, oder treffen die Photonen auf meine Wand und prallen einfach zurück?
Dies ist eine sehr häufige Verwirrung, und sie tritt auf, weil Licht weder eine Welle noch ein Teilchen ist, sondern (derzeit am besten beschrieben als) ein Quantenfeld. Die Wellen- und Teilchenbeschreibungen sind Annäherungen, die unter Umständen zutreffen. Insbesondere das Photonenmodell ist ein guter Weg, um zu beschreiben, wie das elektromagnetische Feld Energie mit seiner Umgebung austauscht. Wenn das Licht Energie auf etwas anderes überträgt, ist die übertragene Energie eine ganze Zahl von Photonenenergien.
In Ihrem Beispiel ist Glas also klar, weil es für sichtbares Licht keine Energieniveaus gibt, die eine Photonenenergie voneinander entfernt sind. Da Licht mit dem Glas nur durch Energieaustausch in photonengroßen Klumpen interagieren kann, kann die Wechselwirkung nicht stattfinden. Glas absorbiert im Ultravioletten, da die Photonenenergie proportional zur Lichtfrequenz ist und bei UV - Frequenzen die Photonenenergie groß genug ist, um Elektronen im Glas anzuregen.
Das grüne Pigment in der Farbe Ihrer Wand wurde so ausgewählt, dass es elektronische Anregungen hat, die der Photonenenergie von rotem und blauem Licht entsprechen, aber keine mit einer Energie, die grünem Licht entspricht. Das bedeutet, dass rotes und blaues Licht, das auf die Wand fällt, absorbiert wird, grünes Licht jedoch reflektiert wird. Im Allgemeinen wird bei Festkörpern, wenn ein Licht einen elektronischen Übergang anregt und absorbiert wird, die Energie der angeregten Elektronen als Gitterschwingungen dissipiert. Nur unter bestimmten Umständen wird es als Licht wieder emittiert, in diesem Fall erhalten Sie Fluoreszenz oder Phosphoreszenz . Es ist also nicht so, dass Licht absorbiert und als grünes Licht wieder emittiert wird. Das grüne Licht wird reflektiert und bleibt grün, während die anderen Farben absorbiert werden und ihre Energie schließlich die Wand aufheizt.
Das grüne Licht, das Ihre Netzhaut erreicht, hat eine Photonenenergie, die den optischen Pigmenten in den M-Zapfen entspricht . Somit wird das Licht (in photonengroßen Brocken) von anregenden Elektronen in den optischen Pigmenten absorbiert.
Johns Antwort ist eindeutig für das Ensemble von Photonen, aus denen die elektromagnetische Welle besteht
Wenn Sie sich wirklich fragen, wie einzelne Photonen letztendlich die klassische elektromagnetische Welle erzeugen, ob reflektiert oder nicht, müssen Sie sich weiter mit der Quantenelektrodynamik befassen. Lubos Motl hat in seinem Blog einen Eintrag darüber, wie klassische Wellen aus einem großen Ensemble von Photonen entstehen.
Klassische Gleichungen ergeben sich auf kohärente Weise aus den quantenmechanischen, aber der Elektromagnetismus hat die zusätzliche Eleganz, die Maxwellschen Gleichungen sowohl für die klassischen Wellen als auch die quantenmechanische Gleichung zu haben, die eine Wellenfunktion für ein Photon liefert. Das gleiche vierdimensionale Potential tritt ein, und damit die Kontinuität von klassisch und quantenmechanisch in der Frequenz für die Photonenenergie E=h*nu, und der Frequenz, die im Raum durch ein großes Ensemble von Photonen der Frequenz nu ausgedrückt wird.
Die Energie eines Photons ergibt seine Frequenz:
E = h*f
wobei f die Frequenz und h die Planck-Konstante ist.
Die Frequenz ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge gemäß:
lambda*f=c
wobei Lambda die Wellenlänge und c die Lichtgeschwindigkeit ist.
Daher kann man sagen, dass die Photonen mit höherem Energieniveau (Teilchennatur des Lichts) höhere Frequenzen (Wellennatur des Lichts) und niedrigere Wellenlängen haben.
Benutzer2113499
John Rennie