Lichtfrequenz versus Frequenz der Elektronenschwingung

Ich werde mich an einer handgewellten Erklärung versuchen, die davon ausgeht, dass Sie mit der Idee eines elektromagnetischen Felds vertraut sind. Wenn nicht, lass es mich wissen und ich werde das in einer Bearbeitung ansprechen.

Licht ist Wellen des Elektromagnetismus. Wenn Menschen von Lichtgeschwindigkeit sprechen, meinen sie, wie schnell sich die Wellen durch den Weltraum bewegen. Die Frequenz des Lichts ist die Rate, mit der die Wellen vibrieren.

Die meisten Lichtquellen erzeugen Wellen mit einer Mischung von Frequenzen.

Sie können sich (sehr, sehr locker) vorstellen, dass die Intensität des Lichts die Höhe der Welligkeit ist. Je intensiver das Licht, desto ausgeprägter die Welligkeit.

Experimente haben gezeigt, dass eine festgelegte Mindestenergiemenge erforderlich ist, um eine Welligkeit einer bestimmten Frequenz auszulösen. Diese minimale Energie wird durch hf angegeben, wobei h eine winzige Zahl ist, die als Plancksche Konstante (benannt nach Max Planck) bekannt ist, und f die Frequenz der Welligkeit ist.

Sie können sich ein Photon, wieder sehr locker, als die kleinste Welle vorstellen, die Sie aus einer bestimmten Frequenz machen können. Wenn Sie die Intensität der Welligkeit erhöhen möchten, müssen Sie sie in Einheiten eines Photons aufbauen. Sie können sich einen Lichtstrahl also als den kumulativen Effekt von Milliarden winziger Wellen vorstellen, die sich zu einem größeren Effekt addieren.

Photonen werden (wieder locker) von geladenen Teilchen abgegeben, wenn das Teilchen Energie verliert, die in die Photonenwelligkeit übertragen wird. Die Frequenz des Photons ist gegeben durch e/h, wobei e die Energie ist, die dem geladenen Teilchen entnommen wird (und h wieder die Plancksche Konstante ist).

Es ist nicht richtig, sich vorzustellen, dass das geladene Teilchen „schwingt“, also kann man nicht glauben, dass das Teilchen eine Schwingungsfrequenz hat, die mit der Frequenz des Photons verbunden ist, obwohl dies ein verlockendes Bild ist und klassischen Vorstellungen entsprechen würde über elektrische Felder.

Einer der Gründe, warum Physiker erkannten, dass mit dem klassischen Elektromagnetismus etwas nicht stimmte, war, dass sie sich vorstellten, dass Elektronen in Atomen wie winzige Planeten umkreisen, und der klassische Elektromagnetismus sagte, dass die Elektronen tatsächlich Wellen erzeugen würden, wenn sie umkreisten. Das würde bedeuten, dass die Elektronen die ganze Zeit Energie abstrahlen würden, also würden sie bald langsamer werden und spiralförmig in den Kern schießen. Die frühen Ideen der Quantentheorie waren, dass die Elektronen nur in bestimmten Umlaufbahnen existieren können, in denen sie keine Wellen erzeugen, und dass die Wellen nur auftreten, wenn ein Elektron von einer Umlaufbahn auf eine niedrigere „springt“. Die von einem einzelnen Sprung abgegebene Energie war das Minimum, das benötigt wurde, um eine Welle zu starten, oder mit anderen Worten, um ein Photon zu erzeugen.

Elektronen und Photonen sind quantenmechanische Einheiten, die quantenmechanischen Gleichungen gehorchen.

Was Sie mit Worten beschreiben, ist eine klassische Beschreibung von Licht, die durch klassische elektrodynamische Gleichungen, Maxwell-Gleichungen, gesteuert wird.

Ein beschleunigtes geladenes Teilchen erzeugt eine elektromagnetische (EM) Welle. Elektromagnetische Wellen sind elektrische und magnetische Felder, die sich mit Lichtgeschwindigkeit c durch den leeren Raum bewegen. Ein geladenes Teilchen, das um eine Gleichgewichtsposition oszilliert, ist ein beschleunigtes geladenes Teilchen. Wenn seine Schwingungsfrequenz f ist, dann erzeugt er eine elektromagnetische Welle mit der Frequenz f.

Geht man zum quantenmechanischen System der Photonen, so entsteht das klassische Licht der Frequenz f auf mathematisch komplizierte Weise aus Millionen von Photonen der Energie = h*f . Die Frequenz ist mit der Energie verbunden. Ein beschleunigtes Elektron wird nach den Regeln der Quantenelektrodynamik ein Photon abstrahlen, und es wird eine Wahrscheinlichkeit geben, dieses Photon zu erzeugen, mathematisch kompliziert. Dies kann mathematisch bewiesen werden, aber nicht auf handwinkende Weise.

Sie müssen nicht bis in die Quantenmechanik vordringen, um zu verstehen, was mit „Lichtfrequenz“ gemeint ist.

Klassischerweise ist Licht Energie, die durch das elektromagnetische (EM) Feld transportiert wird. Wenn das Elektron vibriert, verändert es das EM-Feld so, dass sich Energie ausbreitet. Dieses Feld ist ein Vektorfeld, das heißt für jeden Punkt im Raum hat das EM-Feld 6 Werte, die es definieren, 3 für das elektrische Feld und 3 für das magnetische Feld.

Denken Sie der Einfachheit halber vorerst nur an das elektrische Feld. Jedem Punkt im Raum sind 3 Zahlen zugeordnet, die den Vektor des dortigen elektrischen Feldes bestimmen. Im Laufe der Zeit ändern sich diese 3 Zahlen, da das Feld dynamisch ist und sich der Vektor, der es darstellt, ständig ändert. Bei monochromatischem Licht ist diese Änderung periodisch. Im Laufe der Zeit kann der Vektor an jedem Punkt einen Kreis oder eine Ellipse beschreiben oder einfach kürzer und dann länger werden wie eine Feder. Diese periodische Bewegung hat eine gewisse Frequenz, und das ist mit der Frequenz des Lichts gemeint.

Beispielsweise hat rotes Licht eine Frequenz von ca$4.3*10^{14}$Hertz. Das bedeutet, wenn Sie den elektrischen Vektor an einem Punkt im Raum messen könnten, würden Sie ihn oszillieren sehen$4.3*10^{14}$Mal jede Sekunde.

Sie suchen nach einem sinnvollen konzeptionellen Modell, also wollen Sie eine klassische Erklärung. Quantenerklärungen werden so keinen Sinn machen.

Sie haben die grundlegenden Ideen klar. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an, gleiche Ladungen stoßen sich ab. Es ist ein Kraftfeld. Eine sich bewegende Ladung hat eine andere Kraft als eine Ladung ohne Relativbewegung – sowohl die Richtung als auch die Intensität der Kraft können sich ändern.

Es geht alles in beide Richtungen, aber schauen wir uns nur eine Richtung an. Wenn die Quellenladung oszilliert, wird die Kraft auf das Ziel größer und kleiner. Eine Änderung der Richtung und Intensität der Kraft. Die Kraftänderung, die mit der Richtung des Ziels übereinstimmt, tendiert dazu, sich gerade zu mitteln, sie wird mit dem Quadrat der Entfernung schwächer. Die Richtungsänderung der Kraft bleibt gleich, und der seitliche Teil davon hat einen Freiheitsgrad weniger, sodass sie mit der Entfernung langsamer abfällt.

Über große Entfernungen erhalten Sie also eine kleine Kraft, die oszilliert und das Ziel seitwärts bewegt. Wenn die Schwingung lange anhält, kann ein Zielobjekt, das für die gleiche Schwingungsrate prädisponiert ist, zunehmende Impulsmengen von der winzigen Kraft absorbieren, bis es irgendwie seinen Zustand auf beobachtbare Weise ändert.

Alternativ, wenn es dazu prädisponiert ist, auf diese Weise zu vibrieren, könnte ein wenig Kraft von dieser bestimmten Quelle gerade ausreichen, um es über den Rand zu drücken, um den Zustand zu ändern. Je mehr Kraft, desto mehr Ziele, die fast genug haben, werden genug bekommen.

Aber wenn Elektron B vibriert, hört Elektron A auf zu vibrieren ... sonst würde keine Energie erhalten bleiben.

Nein, so geht das nicht. Aber mir ist nicht klar, wie es funktioniert. Die Quellenladung sendet ihr Kraftfeld überall in alle Richtungen aus, und ein Teil davon interagiert mit Zielladungen, während andere Teile dies nicht tun. Es hat keine Möglichkeit zu wissen, was mit all dieser Kraft passieren wird. Beide Ladungen könnten zeitweise stationär sein$t_0$, und dann wird einer von ihnen herumbewegt und ist dann stationär, wenn die Kraft ankommt, und so werden sie von der Kraft beeinflusst, die bei erzeugt wurde$t_0$zu verschiedenen Zeiten und in verschiedene Richtungen. Es ist ein Chaos. Vielleicht könnten wir einen mathematischen Beweis dafür bekommen, dass sich das Ganze ausgleichen muss. Vielleicht gleicht es sich statistisch im Durchschnitt aus. Vielleicht bleibt ein Teil der Energie im Kraftfeld, und wir bekommen ständig Strahlung ins Nirgendwo, wobei immer weniger für irgendetwas anderes zur Verfügung steht. Ich weiß nicht.

Energieerhaltung gilt per Definition. Jedes Mal, wenn wir feststellen, dass die Energieerhaltung verletzt wird, erfinden wir einen Ort, an den die Energie gehen kann. Zum Beispiel Neutrinos. Es wurde beobachtet, dass Energie verschwand. Es muss von einem nicht nachweisbaren Partikel weggetragen worden sein. Es wird beobachtet, dass Energie erscheint. Ein nicht nachweisbares Teilchen muss es geliefert haben. Wir entdecken die ganze Zeit Neutrinos – wann immer festgestellt wird, dass die Energieerhaltung in der richtigen Menge versagt, muss es ein Neutrino gewesen sein. Ein Versagen der Energieerhaltung (und des Drehimpulses usw.), was es BEDEUTET, ein Neutrino nachzuweisen.

Wenn Sie ein System haben, bei dem Sie sich über die Energie sicher sind, können Sie die Energieerhaltung verwenden, um die Dinge zu regeln. Jemand sagt, er hat ein Auto, das mit brennendem Wasser fährt? Energieerhaltung sagt, es ist unwahrscheinlich. Aber wenn Sie die Grundgesetze des Universums klären, können Sie nicht sagen: „Teilchen A muss weniger Energie haben, weil Teilchen B mehr hat“. Soweit Sie wissen, könnten die nicht nachweisbaren Partikel C und D gestört haben.

Wenn Leute über die „Frequenz“ des Lichts sprechen … ist das dasselbe wie die „Frequenz“ des schwingenden Elektrons, das dieses Licht erzeugt?

Ja. Übrigens können auch andere geladene Teilchen dazu schwingen. Protonen können. Aber mit mehr Masse braucht es mehr Energie, um sie so stark zum Schwingen zu bringen.

Bedeutet ein Schwingungszyklus des Elektrons die Erzeugung eines "Photons"?

Nein. Klassischerweise hat ein Photon die Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Atom oder Molekül dazu zu bringen, seinen Zustand nachweisbar zu ändern.

Sobald ein Elektron "von einem Photon getroffen" wird (was auch immer das bedeutet) und es beginnt, mit einer bestimmten Frequenz zu "vibrieren", wie lange tut es das?

Die Photonentheorie unterscheidet sich grundlegend von der klassischen elektromagnetischen Theorie.

Wenn Sie mit den Maxwell-Gleichungen usw. beginnen, erhalten Sie mathematische Gleichungen, die vorhersagen, wie elektrische und magnetische Kräfte, einschließlich elektromagnetischer Strahlung, funktionieren. Aber sie können die Launen von Atomen nicht vorhersagen. Sie beschreiben nur die Kräfte und nicht die besondere Art und Weise, wie Atome mit diesen Kräften interagieren.

Die Photonentheorie erklärt einige der Wechselwirkungen von Licht mit Atomen. Atome neigen dazu, Licht bei einigen spezifischen Frequenzen zu absorbieren und zu emittieren, die für jedes Element unterschiedlich sind.

Licht kann Elektronen aus Atomen herausschlagen. Dazu braucht es eine Mindestfrequenz, unterhalb dieser Frequenz gehen keine Elektronen verloren. Oberhalb der Frequenz gehen Elektronen auch bei geringer Lichtintensität verloren. Je höher die Frequenz des Lichts, desto schneller bewegen sich die ausgestoßenen Elektronen.

Außerdem haben wir angenommen, dass Strahlung geringer Intensität über viele Zyklen hinweg ein wenig absorbiert wird. Wenn es also eine Million Elektronenvolt braucht, um ein Elektron abzuschlagen, ist das eine Frequenz von etwa 2,5*10^-20. Wenn wir also die Intensität des Lichts sehr niedrig machen, so dass es mehr als 10^21 Zyklen dauern würde, um sich auf eine Million eV zu summieren, würde daraus folgen, dass kein Atom mindestens eine Sekunde lang genug Energie erhalten würde und es würde a geben Verzögerung, bevor die Elektronen abspringen. Aber in Wirklichkeit beginnen sie sofort mit einer niedrigen Rate.

Sie könnten denken, dass die offensichtliche Schlussfolgerung ist, dass einige Atome vorbereitet und fast bereit sind zu gehen, wenn sie genug Energie mit einer ausreichend hohen Frequenz erhalten, während andere Atome dies nicht sind. Je niedriger die Intensität, desto weniger Atome sind so bereit.

Aber sie wählten eine andere offensichtliche Interpretation. Licht breitet sich nicht in Wellen aus, sondern in Energiepaketen, die praktisch sofort absorbiert werden können. Ein Atom sendet ein Paket, ein anderes Atom absorbiert dieses Paket. Und dann winkten sie mit den Händen, um Gründe dafür zu finden, dass sich die Pakete, die durch den Weltraum reisen, genau wie Wellen verhalten.

Es macht nicht gerade Sinn. Aber bald wurde das Ganze durch Quantenmechanik ersetzt, was keinen Sinn machen sollte. Das hat sich also erledigt.

Hier ist eine Expertenerklärung über Photonen. Experte für Photonen

Licht ist die Art und Weise, wie Atome Energie mit anderen Atomen oder kleineren subatomaren Teilchen austauschen, während sie sich verbinden oder das Ladungsniveau ändern. Dieser Energieaustausch kann bei allen Frequenzen im elektromagnetischen Spektrum von Gamma stattfinden, das so schnell/klein ist, dass es sich zwischen Atomteilchen bewegt, ohne eines für eine sehr lange Zeit zu treffen. Aber wenn Sie eine Unmenge davon haben, steigen die Chancen. Und sie haben so viel Energie, weil sie schnell sind, dass sie einen großen Einfluss auf alles haben, was ihnen begegnet, wie zum Beispiel Krebs zu verursachen. Am anderen Ende des Spektrums stehen Funk und Breitband. Einige dieser Wellenlängen könnten einen Kilometer überschreiten. Dies ist energiearmes Licht und es gibt nicht viel, auf das es nicht trifft oder mit dem es nicht reagiert; es trifft alles auf seinem Weg. Aber weil es weniger Energie hat, ist es meistens harmlos und hat kleine Auswirkungen. Das' Deshalb kann das Aufstellen einer Metallstange auf Ihrem Haus leicht Funkfrequenzen aufnehmen. Die Lichtenergie, nachdem sie aus einer atomaren Reaktion freigesetzt wurde, bewegt sich immer mit der gleichen Geschwindigkeit von ihrer Quelle weg in alle Richtungen in Energieeinheiten, die als Photonen bezeichnet werden. Die Anzahl der Wellenlängen im Vergleich zu anderen Photonen in derselben Entfernung bei dieser Geschwindigkeit bestimmt, um welche Art von Licht es sich handelt.

Ich denke, Ihr Verständnis von Elektronen, die nebeneinander schwingen, bezieht sich auf Elektrizität. Elektrizität wird erzeugt, indem Elektronen in der äußeren Hülle bestimmter Elemente wie Metall zum Schwingen gebracht werden, indem sie mit etwas verbunden werden, das eine große magnetische Ladung hat. Einige Elemente, die entweder durch Oxidation oder eine andere leicht verfügbare natürliche Reaktion mit anderen Elementen schnell zerfallen, setzen ständig eine Fülle von Strahlung frei, die ihnen eine magnetische Wirkung oder Ladung verleiht. In der Nähe eines Elements wie Metall, dessen äußere Hülle für magnetische Ladungen anfällig ist, beginnt die äußere Hülle des Elektrons zu vibrieren. Diese Schwingung breitet sich aus wie Dominosteine, die jedes Atom als nächstes dazu bringen, dasselbe zu tun, wie Metalldraht. Es gehen keine Photonen verloren oder hinzu, da das Atom kein Ladungsniveau verliert oder hinzugewinnt. Da das Elektron nur schwingt und auf der äußeren Ebene bleibt, Es ist eine Möglichkeit, ein Atom zu betrügen, indem es erregt wird, aber nicht erregt genug, um einen Ladungspegel zu gewinnen oder zu verlieren. Dies ist möglich aufgrund der starken und schwachen Kräfte von Atomen und wie sie zusammenhalten oder auseinanderbrechen.