Photonen und Absorption

Hallo und vielen Dank für das Lesen meiner Frage:

Stellen Sie sich vor, wir senden ein Photon an ein Atom, und es hat zufällig die richtige Frequenz, sodass es vollständig von einem Elektron in diesem Atom absorbiert wird. Offensichtlich ist dieses Photon verschwunden. Angesichts der Tatsache, dass ein Photon eine Störung eines E&M-Felds ist, impliziert dies jedoch, dass die E&M-Welle, die das Photon darstellte, verschwunden ist. Meine Frage ist, wie verschwindet die E&M-Welle? Ich habe argumentiert, dass es nicht sofort verschwinden kann, da dies SR brechen würde. Darüber hinaus existierte die Welle auf dem gesamten Weg zwischen dem Elektron, das sie emittiert, und dem Elektron, das von ihr absorbiert wird. Dies führt zu meiner Verwirrung: Wenn es nicht sofort verschwindet, existiert das Photon immer noch und wird nicht absorbiert.

tl;dr: E&M-Wellen (Photonen) sind nicht lokalisiert, wie können sie also absorbiert werden?

Antworten (2)

Es ist oft verwirrend, sich ein Photon als Teilchen vorzustellen ... ein kleines bisschen von etwas . Dies ist einer dieser Fälle. Für viele Zwecke stellt man sich vor, dass ein Photon eine Anregung einer elektromagnetischen "Mode" ist. Der Modus ist eine räumliche Verteilung, die beschreibt, wo die Anregung auftritt: eine Wellenfunktion. Die Anregung der Mode (des Photons) existiert überall dort, wo die Mode existiert. Ein einfaches Beispiel für eine Mode ist eine stehende Welle in einem Hohlraum mit perfekt leitenden Wänden. Aber jedes EM-Wellenfeld kann als in einem oder mehreren Modi existierend angesehen werden.

Man könnte meinen, die Mode sei leer, wenn sie keine Anregungen, also keine Photonen hat. Das stimmt aber nicht wirklich, denn die Nullpunktsanregung des Modes garantiert, dass immer etwas im Mode ist, auch wenn auf dieses etwas nicht direkt zugegriffen werden kann. (Das Nullpunktfeld macht sich auf andere Weise bemerkbar, z. B. durch das Auslösen einer spontanen Emission.)

Die EM-Welle ... der Modus ... verschwindet also nicht. Auch wenn die Mode keine Photonen enthält, existiert die Mode zusammen mit ihrem Nullpunktfeld.

Aber die Wechselwirkung mit dem Atom findet an einem bestimmten Ort statt: dem Standort des Atoms. Die Mode verliert ein Anregungsquantum und das Atom gewinnt eins, und die Wechselwirkung sieht sehr danach aus, als wäre ein Teilchen auf das Atom getroffen und absorbiert worden. Leider kann dieses verlockende Bild zu Schwierigkeiten führen.

Was ist mit der endlichen Geschwindigkeit der EM-Welle? Die Wellenfunktion des Photons (oder des EM-Felds) ist nur die Maxwell-Gleichung. Wie bei einer klassischen Welle breitet sich eine Änderung des Amplituden-/Anregungszustands mit Lichtgeschwindigkeit aus. Im QM läuft die Analyse etwas anders ab, das Ergebnis ist aber das gleiche.

Wenn sich also die Änderung der Amplitude/des Anregungszustands mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, ist es dann nicht Licht? Nach meinem Verständnis ist das einzige, was sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten kann, Licht (was breitet sich sonst aus?), Aber Licht besteht aus Photonen. Wie würde es also wirken, um die Amplitude zu verringern?
Die Wellenfunktion breitet sich aus. Es ist nicht leicht. Das quantenmechanische Konzept der Strahlung unterscheidet sich sehr vom klassischen, wie Sie entdeckt haben. Es ist schwierig, ein intuitives Bild von Quantenphänomenen zu finden. Wenn Sie Erfolg haben, sind Sie der Erste, dem dies gelingt.

Auf der quantenmechanischen Ebene der Schrödinger-Gleichung hat das Atom Energieniveaus, die das Elektron einnehmen darf. Übergänge von höheren Energieniveaus zu niedrigeren führen zur Emission eines Photons.

Man kann eine Intuition aus der primitiveren Version der Quantisierung entwickeln, dem Bohr-Atom, wo das Elektron durch die Postulate gezwungen wird, sich auf einem quantisierten Energieniveau zu befinden. Das Bohr-Atom wurde postuliert, weil in der klassischen elektromagnetischen Theorie, die durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben wird, ein Elektron, das wie ein Planet um ein Proton kreist, kontinuierlich elektromagnetische Strahlung emittieren würde, bis es auf das Proton fällt. Dies wurde nicht beobachtet. Stattdessen wurden Lichtspektren beobachtet , die zeigten, dass Licht in Energiequanten zerhackt kam. Zusammen mit dem photoelektrischen Effekt wurde die Anwesenheit von Photonen, Lichtteilchen, mit Nullmasse und Energie =h*nu postuliert und konsequent gefunden.

Die elektromagnetische Welle der Frequenz nu besteht aus einem riesigen Ensemble solcher Photonen . Es gab Experimente, bei denen einzelne Photonen auf zwei Schlitze geschossen wurden, wobei das Interferenzmuster Punkt für Punkt aufgebaut wurde, was die Reaktion der einzelnen Photonenteilchen mit dem Schirm und die kollektive Wellennatur zeigt.

Du fragst:

Dies führt zu meiner Verwirrung: Wenn es nicht sofort verschwindet, existiert das Photon immer noch und wird nicht absorbiert.

E&M-Wellen (Photonen) sind nicht lokalisiert, wie können sie also absorbiert werden?

Daher kommt Ihre Verwirrung, weil Sie dem Photon die komplette elektromagnetische Welle zuordnen. Das einzelne Photon, das vom Atom absorbiert wird und das Elektron auf ein höheres Energieniveau anhebt, ist ein winziger Teil der elektromagnetischen Welle und kann sich wie ein Teilchen verhalten, das seine Energie und seinen Impuls zu einem Zeitpunkt delta(t) überträgt, der mit der Breite der Linie kompatibel ist absorbiert es. Wenn es sich auf der Mikroebene der Atome wie eine Welle verhält, ist es eine Wahrscheinlichkeitswelle, wie das Zweispaltexperiment zeigt. Es hat eine Wahrscheinlichkeit, die Frequenz der klassischen Welle, zu der es gehört, in seiner Wechselwirkung mit Materie bei bestimmten (x,y,z) anzuzeigen. Das Ensemble der Photonen ist eine Energiewelle im Raum, aufgebaut aus Zillionen einzelner Photonen.

So wie eine Billardkugel eine andere trifft und ihren Impuls/ihre Energie in einem Zeitintervall delta(t) überträgt, verhält sich das Photon genauso und überträgt seinen Impuls/ihre Energie auf das Atom, wenn es absorbiert wird. Es ist nicht das Ensemble von Photonen, aus denen die elektromagnetische Welle besteht, die ständig auf Materie auftrifft, die verschwindet. Nur ein winziges Quantum davon, lokalisiert mit einem delta(t) und delta(x) delta(y) delta(z).

Ich verstehe diese Erklärung nicht, da die traditionelle Erklärung eines Photons ein Energiequant bei E = hv ist, und wenn es nicht die gesamte Welle ist, wie schreibt man ihm dann eine Frequenz zu? Außerdem habe ich gelesen, dass Photonen kein kurzer Impuls von EM-Strahlung sind, was auch dem widerspricht, was Sie sagen. Wenn Sie sagen, dass das falsch ist, haben Sie etwas dagegen, ein Zitat anzugeben, um zu zeigen, dass es wahr ist?
Es ist das Paradoxon der Welle/Teilchen-Dualität für das Photon. Sie weisen ihm eine Frequenz aus den Spektren von Atomen zu, und die Frequenz ist die elektromagnetische Wellenfrequenz, eine aus Zillionen von Photonen entstehende Welle. Das E=h*nu ergibt sich aus den Spektren und der gefundenen Konsistenz aller experimentellen Ergebnisse für die Energie des Photonenquants. Sie breitet sich nicht als Energiewelle im Raum aus, sondern als Wahrscheinlichkeit, sie bei einem bestimmten x,y,z zu finden, was für Elektronen in ihrer Teilchen/Wellen-Dualität gilt,
Aber das gilt sogar für ein Photon, es müssen nicht eine Million oder zwanzig sein. Ich kann nicht sehen, dass es sich für ein Photon versöhnt.
Ich habe Ihnen einen Link zur Verfügung gestellt, wie die EM-Welle von einzelnen Photonen aufgebaut wird. ein allgemeiner Artikel en.wikipedia.org/wiki/Photon
was meinst du mit versöhnen? und was ist Ihr Link für "Ich habe gelesen, dass Photonen kein kurzer Impuls von EM-Strahlung sind"
Elektromagnetische Strahlung ist ein emergentes Phänomen bei einer großen Anzahl von Photonen, und ich habe Ihnen einen Link gegeben. Sie bauen die Welle auf kohärente Weise auf, ähnlich der Welle in einem Stadion, wo Personen in Phase ihre Hände heben. Der Photonenspin und elektromagnetische ID baut kohärent mit anderen Photonen die elektromagnetische Welle auf. Es ist keine klassische zerhackte Welle, außer in Erwartung des Bohr-Planetenmodells.
Direkt auf dem Link, den Sie bereitgestellt haben, heißt es, dass Photonen kein kurzer Impuls von EM-Strahlung unter dem Abschnitt Wellen-Teilchen-Dualität sind.
Das habe ich auch gesagt. Die zerhackte klassische elektromagnetische Welle würde immer noch Millionen von Photonen enthalten. Wenn einzelne Photonen erkannt werden, tragen sie die Frequenz der EM-Welle, wie im Zweispaltexperiment zu sehen, aber nicht als Verteilung der Energie im Raum für jedes einzelne Photon, sondern als Wahrscheinlichkeitsverteilung mit Welleneigenschaften.
Aber wenn ein einzelnes Photon keine elektromagnetische Welle ist, wie kann es dann mit sich selbst interferieren?
Darum geht es in der Quantenmechanik. Dasselbe passiert auch mit Partikeln. Auch das Elektron im Zweispaltexperiment zeigt ein Wellenmuster. de.wikipedia.org/wiki/…
In der quantenmechanischen Formulierung interferiert es nicht mit sich selbst: Das Quadrat der Wellenfunktion, die es beschreibt, gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass es bei x,y,z gefunden werden kann. Es ist die Wahrscheinlichkeit, dass Wellen, nicht das Teilchen.
Die Interferenz eines Photons mit sich selbst kann experimentell beobachtet werden, das kann also nicht wahr sein.
Es ist das Zweispaltexperiment, das eine Photonenverschiebung zeigt, einen Punkt. Kein einziges Photon in einem Wellenmuster. Tut mir leid, aber wir müssen das jetzt beenden. es wird zu lang.
@annav Ich denke, deine Interpretation ist nicht Standard. Erinnern Sie sich an Diracs berühmten Satz: „Jedes Photon interferiert dann nur mit sich selbst. Eine Interferenz zwischen verschiedenen Photonen tritt nie auf.“ aus seinem Buch über Quantenmechanik Außerdem: Der Wikipedia-Artikel, den Sie zitieren, ist lang, und ich kann den Teil über eine EM-Welle nicht finden, die ein entstehender Effekt von Zillionen von Photonen ist.
@annav Mir ist aufgefallen, dass Sie auf einen Blog von Lubos Motl verweisen. Er ist sicherlich schlauer als ich. Aber sein Posten ist wieder lang. Er scheint sich auf Glaubers kohärente Zustände als seine QM-Beschreibung einer EM-Welle zu beziehen. Ist das das, was Sie im Sinn haben? In der Tat sind diese Zustände eine Überlagerung von Photonenzuständen, also verstehe ich in diesem Sinne, was Sie sagen, und es könnte die beste Antwort auf das OP sein. Aber ich glaube, dass es auch funktionieren kann, sich dem Problem aus der Sicht "traditioneller" Photonenzustände zu nähern.
@garyp Ihre Antwort ist in Ordnung, außer ich glaube nicht, dass der Fragesteller in der Lage ist, sie zu verstehen. Deshalb habe ich diesen ersten Quantisierungsstandpunkt geschrieben.
@annav Ich fange an, deine Antwort besser zu mögen als meine. Beziehen Sie sich tatsächlich auf kohärente Zustände als das beste Analogon zu einer klassischen Welle? Leider ist der Blogbeitrag von Lubos lang und ziemlich technisch.
@garyp Ja, in gewisser Weise. Die Zusammenfassung von Lubos Darstellung ist, dass die Photonenwellenfunktion außer Spin und Energie auch Informationen über das Potential A enthält. Während es sich kohärent aufbaut, verwandelt sich das Ensemble in eine Lösung der Maxwell-Gleichungen (natürlich das Verständnis eines Experimentators).
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