Geht es beim Modell der Photonenstreuung tatsächlich um eine vollständige Absorption?

Ich habe mich über Dinge wie Compton-Streuung gewundert. Soweit ich weiß, handelt es sich um eine inelastische Streuung von Photonen an freien Elektronen. Unelastisch bedeutet, dass das Photon seinen Winkel und seine Frequenz ändert. Wie diese Seite zeigt, sind alle Menschen verwirrt, warum Elektronen die Energie von Photonen nicht vollständig absorbieren können. Die großen Geister antworten, dass "weil Energie und Impuls nicht gleichzeitig erhalten werden können", und geben Mathematik, die für mich nichts erklärt. Also mein Zweifel geht weiter unten.

Das Elektron ist in Ruhe, seine Energie ist es M e C 2 . Hier geht Photon. Das Elektron absorbiert es vollständig und beginnt, seine Geschwindigkeit zu ändern, ABER es gibt eine ich N e R T ich A - Fähigkeit des Elektrons, seine Geschwindigkeit konstant zu halten, wenn es keinen Einfluss darauf gibt, und sich der Geschwindigkeitsänderung zu stellen . Und dann gehe ich von zwei Situationen aus

1. Der Beschleunigungsprozess geht in den negativen Beschleunigungsprozess über, das Elektron verliert etwas Energie – neues Photon. (Photon ändert Winkel (?) und Frequenz)

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

  1. Das erste kann schlecht sein, weil es scheint, dass es beim Übergang "Beschleunigung -> ständige Bewegung" keine negative Beschleunigung gibt, daher verliert das Elektron nichts. Vielleicht emittiert das Elektron während der Beschleunigung ein Photon (wie nimmt seine Energie zu?)

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Über die Änderung der Masse (oder Energie, ich bin bereits verwirrt) aufgrund von Geschwindigkeitsänderungen. Ich möchte herausfinden, ob sich die Masse des Elektrons ändert, wenn die Geschwindigkeit zunimmt.

Elektron in Ruhe, v=0

E = M C 2 1 − v 2 / C 2

E 1 − v 2 / C 2 = M C 2

M = E 1 − v 2 / C 2 C 2

Das Elektron sollte also seine Masse ändern, wenn sich die Geschwindigkeit ändert. Sie antworten wahrscheinlich - "Du Dummkopf, die Geschwindigkeitsänderung ist die Ableitung der Energieänderung, dh die Elektronenenergie ändert sich und dann die Geschwindigkeitsänderung". Aber dann wird es konfrontiert, dass Elektron keine Energie und keinen Impuls gewinnen kann.

Wenn meine erste Annahme richtig war, handelt es sich bei allen Streuungen um vollständige Absorptions- und Reemissionsprozesse?

Was meinst du mit "Da diese Seite alle verwirrten Menschen zeigt, warum Elektronen die Energie von Photonen nicht vollständig absorbieren können"?
@GK suchen Sie einfach nach "freies Elektron absorbiert Photon" und Sie werden verstehen. Aber Sie haben bereits beleidigt..
Nun, Sie sind derjenige, der es in Ihren Beitrag schreibt. Ich wollte , dass du mir antwortest.
@GK antworte was?
Da Sie dies in Ihrer Frage als Tatsache schreiben, sollten Sie in der Lage sein, jemandem zu erklären, was Sie damit meinen.
In Quantenfeldtheorien erfolgt die Beschreibung eines Streuereignisses (wie Compton-Streuung) auf Baumebene in Form eines Abosorptionsoperators und eines Erzeugungsoperators. Aber Sie sollten das nicht so verstehen, dass es eine Sequenz mit einer genau definierten zeitlichen Reihenfolge beschreibt. Verlinkt physik.stackexchange.com/questions/185110/… physik.stackexchange.com/q/162845/520
@dmckee schau nicht auf die Zeit, es soll nur erklären, dass es in der Zeit passiert, nicht in bestimmten Zeiträumen
Kommentare, die anderen Nutzern negative Persönlichkeitsmerkmale oder Gemütszustände zuschreiben, verstoßen gegen das „Sei nett“. Richtlinie und wird entfernt.
@dmckee, komm schon wieder
@Artur Ich meine, ich habe einige Kommentare entfernt, die meiner Meinung nach nicht mit der Richtlinie für positive soziale Interaktionen auf der Website übereinstimmen. Ich sage nicht, an wen sich der Kommentar richtet, denn es geht darum, weitere Unannehmlichkeiten zu verhindern; Personen, die bemerken, dass einer ihrer Kommentare entfernt wurde, können darüber nachdenken, ob es ein Problem war oder nur entfernt wurde, weil er durch die Entfernung eines anderen Kommentars linkshändig war.

Antworten (3)

Dies ist keine vollständige Antwort, sondern nur um zu veranschaulichen, warum ein freies massives Teilchen (Elektron) ein masseloses Teilchen (Photon) nicht absorbieren kann. Die Gesamtenergie (zum Quadrat) des Elektrons ist

(1) E e 2 = M 2 C 4 + P e 2 C 2

Im Ruhesystem ist der Anfangsimpuls Null und die Anfangsenergie Null M C 2 . Nehmen wir an, dass das Elektron nach dem Stoß den Impuls des Photons aufnimmt

P e = P P = H F C

Wo H ist die Plank-Konstante und F ist die Frequenz. Entsprechend ( 1 ) , die Energie (im Quadrat) des Elektrons sollte jetzt sein

(2) E e 2 = M 2 C 4 + H 2 F 2

Allerdings nimmt das Elektron per Energieerhaltung die Energie des Photons auf

E e = M C 2 + E P = M C 2 + H F

Das Nehmen eines Quadrats gibt

(3) E e 2 = M 2 C 4 + 2 M C 2 H F + H 2 F 2

Wie Sie sehen können, die Energie ( 2 ) aus der Impulserhaltung abgeleitet, stimmt nicht mit der Energie überein ( 3 ) aus dem Energieerhaltungssatz abgeleitet. Da Energie und Impuls nicht gleichzeitig erhalten werden können, ist dieser Vorgang von den Naturgesetzen verboten. Ein freies Elektron kann kein Photon absorbieren.

Diese Ungleichheit muss innerhalb des durch das Unsicherheitsprinzip zulässigen Zeitrahmens schnell behoben werden. Die zusätzliche Energie und der Impuls müssen als weiteres Photon emittiert werden. Somit beinhaltet die Compton-Streuung eine Absorption des anfänglichen Photons durch das Elektron und eine sofortige Emission eines anderen Photons durch das Elektron. Zwischen Absorption und Emission wird das Elektron virtuell. Mit anderen Worten, Energie und Impuls geraten bei der Absorption aus dem Gleichgewicht, was eine sofortige Emission zur Wiederherstellung des Gleichgewichts hervorruft.

Diese Analyse gilt für Elementarteilchen ohne innere Energieniveaus. Kompositpartikel wie Atome haben interne Energieniveaus und können auf diese Niveaus angeregt werden, um die oben rot hervorgehobene zusätzliche Energiemenge zu verbrauchen. Der angeregte Zustand ist jedoch vorübergehend und diese zusätzliche Energie wird bald durch die Emission eines Photons freigesetzt.

Der Hauptunterschied zwischen Elementarteilchen und zusammengesetzten Teilchen besteht darin, dass das Elementarteilchen (z. B. das Elektron) bei der Absorption des Photons virtuell wird und daher sofort ein Photon emittieren muss. Im Gegensatz dazu wird ein zusammengesetztes Teilchen (z. B. ein Atom) bei der Absorption nicht virtuell, sondern nur angeregt. Es muss immer noch bald ein Photon emittieren, aber nicht sofort. Dieser Effekt wird bei Lasern genutzt, bei denen zunächst viele Atome angeregt und dann nach einer kurzen Verzögerung dazu angeregt werden, gemeinsam ein kohärentes Licht zu emittieren.

Ich würde es "reductio ad absurdum" nennen, Energie und Impuls müssen zu jeder Zeit erhalten bleiben, Sie sollten auch das "nicht zusammengesetzt mit bindenden Energien" in der Aussage "freies massives Teilchen" +1 hinzufügen, um die Algebra zu machen
@anna Genau und deshalb ist die Aufnahme unmöglich.
Was mich auch verwirrt, ist, wenn ein Elektron ein Photon vollständig absorbiert, wohin geht das Photon dann? Es musste einfach verschwinden? Aber wir betrachten ein System aus Elektron und Photon, und wenn es ein Photon gibt, dann gibt es kein System
@Artur Es gibt Materieteilchen, die Fermionen genannt werden (zB das Elektron) und "Energie" (oder Feld) Teilchen, die Bosonen genannt werden (zB das Photon). Fermionen haben Quantenzahlen, die erhalten bleiben und normalerweise nicht verschwinden können. Bosonen haben keine solche Einschränkung (außer für Spin oder Ladung). Bosonen sind wie reine Energie, sie können in Zahlen entstehen und verschwinden. Wir kümmern uns also nicht darum, dass das Photon bei der Absorption verschwindet, denn dafür ist das Photon da, sein ganzer Lebenszweck besteht darin, Energie und Impuls (plus Spin) von einem geladenen Teilchen auf ein anderes zu übertragen.
@anna Ich habe einen Abschnitt über Verbundpartikel hinzugefügt. Danke!
"Die Compton-Streuung beinhaltet also eine Absorption des anfänglichen Photons durch das Elektron und eine sofortige Emission eines anderen Photons durch das Elektron", nach der Emission ist die Energie des Elektrons höher als vor der Absorption?
@Artur Ja, aus einem einfachen Grund, dass das Photon in einem anderen Winkel emittiert wird. Als Ergebnis der Impulserhaltung beginnt sich das Elektron zu bewegen. Das heißt, es gewinnt die kinetische Energie. Diese Energie wird von der Energie des Photons abgezogen, sodass das Photon rotverschoben wird. Der einzige Fall, in dem das Elektron in Ruhe bleibt, ist, wenn das Photon genau in die gleiche Richtung emittiert wird, in der sich das absorbierte Photon bewegt hat. Auch wenn die Photonenenergie niedrig ist (Thomson-Streuung), wird das Elektron kaum bewegt, so dass die Photonenstreuung praktisch elastisch ist (wie "kleine Bälle", die von einer Wand abprallen).
Der Winkel des Photons ist eines der schrecklichen Dinge für mich, denn wie hat die Entität, die keine Koordinaten hat, einen Winkel oder eine Richtung? Aber ich habe eine Annahme - der Winkel / die Richtung ist undefiniert (Quantenverschränkung), es wird nur dann ein bestimmter Wert, wenn etwas Photon absorbiert. Ein anderes Sprichwort, Photon breitet sich in alle Richtungen aus. Ist es wahr?
@Artur Das Photon bewegt sich auf allen möglichen Wegen mit entsprechenden Wahrscheinlichkeiten. Sie können es als eine Welle sehen, die durch den Raum geht. Am Absorptionspunkt hat diese Welle eine bestimmte Richtung, sodass der Winkel des einfallenden Photons definiert ist. Die Richtung des emittierten Photons kann entweder durch Detektieren dieses Photons nach der Emission oder durch Detektieren, wohin sich das Elektron nach der Streuung bewegt hat, bekannt sein. Im Allgemeinen fliegen Teilchen, als ob sie Wellen wären, aber wenn sie gemessen werden, erscheinen sie immer als Teilchen.
Ich habe eine Frage erstellt, antworten Sie, wenn Sie möchten, physical.stackexchange.com/questions/429467/…

Die grundlegendste Beschreibung, die wir heute von Streuprozessen haben, ist die Quantenfeldtheorie. In der Quantenfeldtheorie dürfen wir von den Teilchen vor und nach dem Streuprozess sprechen, aber nicht von ihnen während des Prozesses, weil der Quantenzwischenzustand während der Streuung den distinkten Teilchenzuständen so unähnlich ist, dass die klassische Vorstellung dass wir einzelne Teilchen identifizieren und von ihrer Beschleunigung sprechen könnten, trifft einfach nicht zu. Weitere Informationen darüber, was wir über Quantenstreuung sagen können und was nicht, finden Sie auch in dieser Antwort von mir .

Insbesondere sind Feynman-Diagramme Störungsausdrücke , die keine intrinsische Beziehung zu dem haben, was "wirklich" vor sich geht - daher ist jede Erklärung, die "virtuelle Teilchen" beinhaltet (mit Ausnahme derjenigen, die sich nicht auf interne Linien in einem Feynman-Diagramm beziehen, siehe diese Antwort von mir ) so unbegründet im vollen nicht-perturbativen Formalismus als die Idee, dass Sie jede "Beschleunigung" während des Streuprozesses verfolgen können.

Es gibt weder "Emission" noch "Absorption", sondern nur einen Quantenstreuprozess, bei dem wir keine Argumente anwenden dürfen, die sich auf die Identifizierung einzelner Teilchen stützen. Das (fast) volle Ausmaß dessen, was die Quantenfeldtheorie über die Photon-Elektron-Streuung aussagt, ist die Klein-Nishina-Formel , die die Verteilung möglicher Winkel zwischen dem einfallenden und dem ausgehenden Photon nach dem Streuprozess angibt.

Energie- und Impulserhaltung sind in der Physik sehr sehr grundlegend , ebenso wie die spezielle Relativitätstheorie und die Quantenfeldtheorie in der Teilchenphysik.

Das Elektron ist in Ruhe, seine Energie ist es M e C 2 . Hier geht Photon. Das Elektron absorbiert es vollständig und beginnt, seine Geschwindigkeit zu ändern.

Dieses Szenario kann beim Elektron nicht passieren, da es nicht zusammengesetzt ist. Es gibt keine Möglichkeit, Energie für das Elektron im Standard-Mainstream-Modell der Physik zu absorbieren.

Wenn ein Photon auf ein Atom trifft, das ein zusammengesetztes Objekt ist, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron in einen höheren Energiezustand übergeht, sodass das Photon vollständig absorbiert wird und die Masse des angeregten Atoms die unveränderliche Masse der beiden ist vier Vektoren, die hinzugefügt wurden, und das Atom wird, wenn es ruht, einen Impuls erhalten. (Lösung 5 in dieser Prüfung)

Es gibt keine Bestandteile im Elektron, die auf ein höheres Energieniveau gehen und ein Photon absorbieren können, so dass bestenfalls ein Photon mit niedrigerer Energie die Wechselwirkung verlassen kann, wobei ein Teil seiner Energie und seines Impulses auf das Elektron übertragen wird. Es gibt keine angeregten Elektronen.

Dies zeigt das Compton-Streudiagramm zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit des Streuquerschnitts. ( Feynman-Diagramme sind strenge Vorschriften für eine mathematische Formulierung)

gemein

Die klassische Interpretation, die Sie aufzuzwingen versuchen, wird von der Energie- und Impulserhaltung abgelehnt; im Mikrokosmos der Elektronen und Photonen ist es die Quantenmechanik, die die Streuung mathematisch modellieren kann. Die Elektronenlinie ist nach dem ersten Scheitelpunkt masselos, dh ihre Masse ist nicht die Masse des Elektrons, sie ist nur wegen der Energie- und Impulserhaltung ein virtuelles Elektron. Es gewinnt seine Masse am zweiten Scheitelpunkt zurück, wo ein anderes Energie-/Impuls-Photon austritt, und ein anderes Energie-Impuls-Elektron, aber beide auf ihrer Massenhülle , 0 für Photon und M e für das Elektron.

Wenn Sie sich für Teilchenphysik interessieren, sollten Sie Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie studieren. Eigene Spekulationen sind Zeitverschwendung und für diese Seite nicht angebracht.

"Energie- und Impulserhaltung sind sehr, sehr grundlegend in der Physik", die Verwirrung dreht sich nicht um Gesetze, sondern darum, warum sie nicht gleichzeitig erhalten können.
Energie und Impuls erhalten sich gleichzeitig in demselben Inertialsystem, das während aller Teilchenwechselwirkungen angenommen wird. Aus diesem Grund würde das Hinzufügen des Vierervektors des Photons die Masse des Elektrons erhöhen, und das ist in der speziellen Relativitätstheorie nicht akzeptabel, es sei denn, das Elektron ist ein zusammengesetztes Teilchen, das auf ein höheres Niveau angeregt werden kann, und dies ist nicht der Fall. Das Elektron hat keine innere Struktur. Der virtuelle Austausch der Feynman-Diagramme erledigt dies, indem das Elektron von der Massenhülle genommen wird, es virtuell macht, dh nicht auf seiner gemessenen Masse (die in der Tabelle).
Sie sagen zusammengesetzt, Energieniveaus, die nur eine Struktur absorbieren kann usw. Was bedeutet das überhaupt? Alles wegen des Relativitätsprinzips? Ich meine, wenn wir ein einzelnes Elektron betrachten, gibt es keine Körper, relativ zu denen wir die Geschwindigkeit (und damit die Energie) des Elektrons messen können. Deshalb macht es keinen Sinn, über Photonenabsorption durch Elektron zu sprechen, oder was?
Lesen Sie den obigen Absatz über das Atom und seine Massenänderung, wenn es ein Photon absorbiert
Ich weiß, dass m=e/c^2. Sie sagen, dass das Elektron keine Struktur hat, es gibt keine Elemente, nichts zum Erhöhen/Verringern, aber Struktur ist ein verschwommenes Konzept. Ich kann sagen, dass es Energie, Impuls, Masse, Spinkomponenten gibt, die wir insgesamt Elektron nennen, warum können sie nicht höher oder niedriger sein, unabhängig von anderen Teilchen? Berechnen Sie einfach hv von Photon + mc^2 von Elektron. Es ist nicht gleich unendlich oder 0.
Ich verstehe nicht, was du mit der Masse redest, "aus der Schale". Wenn das Photon nur Energie ohne Impuls hätte, wäre es seltsam, stimmen Sie zu, weil das Elektron die Energie erhöht - die Masse erhöht, aber trotzdem in Ruhe bleibt. Aber auch Impuls (Dein 4-Vektor), also alles fein - Elektron ändert Energie und ändert Masse, aber es liegt am Lorentz-Faktor - wenn es zur Ruhe zurückkehrt, ist die Masse wieder gleich
Sie verwechseln relativistische Masse mit invarianter Masse. Die unveränderliche Masse ist die Länge des Vierervektors. Die Addition von vier Vektoren hat gemäß der Vier-Vektor-Algebra eine andere Masse. Relativistische Masse ist in Teilchenwechselwirkungsberechnungen nutzlos und wird in der Teilchenphysik wegen der Verwirrung nicht mehr verwendet. Die Addition des Vektors des Photons vier zum Vektor des Elektrons vier ergibt eine neue unveränderliche Masse, ABER EIN ELEKTRON HAT DIE FESTE MASSE IN DER TABELLE DES STANDARDMODELLS. Jeder einem Elektron zugeordnete Vektor hat die feste unveränderliche Masse in der Tabelle. Deshalb die
Elektron kann ein Photon nicht absorbieren, seine invariante Masse ist festgelegt. Ich habe in meiner Antwort einen Link für vier Vektoren angegeben.
Lol, ich bin nicht gut in Vektoren (auch in Physik), aber ich nehme an, dass das Ändern der Komponenten des 4-Vektors seine Länge ändern wird - invariante Masse, DAS IST FEST1! Wenn sich also Energie oder Impuls oder beides ändern, ändert sich die Masse (das heißt, wie ich es verstehe, aufgrund des Lorentz-Boosts, wie ich geschrieben habe. Was habe ich verpasst?)
Der Lorenz-Boost hat nichts mit der invarianten Masse zu tun. Wenn Sie vier Vektoren nicht verstehen können, suchen Sie besser woanders nach Unterhaltung.
Geht es beim Modell der Photonenstreuung tatsächlich um eine vollständige Absorption?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v