Photonenenergie kommt in Paketen

Von der HyperPhysics-Seite zum Photoelektrischen Effekt :

Gemäß der Planck-Hypothese ist alle elektromagnetische Strahlung quantisiert und tritt in endlichen "Energiebündeln" auf, die wir Photonen nennen. Das Energiequantum eines Photons ist nicht die Plancksche Konstante H selbst, sondern das Produkt von H und die Frequenz. Die Quantisierung impliziert, dass ein Photon aus blauem Licht einer bestimmten Frequenz oder Wellenlänge immer das gleiche Energiequantum hat.

Ich verstehe immer noch nicht, wie ein Photon aussieht oder wie Licht- / EM-Wellen quantisiert werden.

Wenn ich in einem unbegrenzten System (nicht in einer Kiste, sondern Vakuum ohne Grenzen) „Licht“ habe und sonst nichts, und die Energie des Systems ist E 0 , Woher weiß ich, wie viele Photonen in diesem System existieren?

Eine Betrachtungsweise ist:

E 0 = ℏ ω 0
es würde bedeuten, dass es ein Photon mit der Energie von gibt ℏ ω 0 . Allerdings könnte man es auch so sehen

E 0 = 2 ℏ ω 1 Wo ω 1 = ω 0 / 2 .

Und es würde bedeuten, dass es zwei Photonen mit Frequenz gibt ω 1 . Mit anderen Worten, wie kann Energie quantisiert/diskret werden, wenn die Frequenz selbst kontinuierlich ist.

Ich weiß, dass es ähnliche Beiträge gibt, aber ich konnte es nicht wirklich verstehen. In einigen Posts erwähnten sie die photoelektrischen Effekte, aber soweit ich verstanden habe, bedeutete dies nur, dass Licht Energie enthält und Energie übertragbar ist. Es gibt auch Antworten zur Planck-Hypothese, für mich ist das nur die mathematische Formulierung, die zu den experimentellen Daten passt. Aber die Intuition hinter "Licht ist quantisiert" ist mir immer noch ein Rätsel.

Sie verwechseln klassische elektromagnetische Wellen mit dem Photon. Klassische Wellen entstehen aus einer Überlagerung eines Ensembles von Photonen mit der Frequenz nu. Siehe meine Antworten hier physical.stackexchange.com/questions/444917/… und hier physical.stackexchange.com/questions/449021/…
Sie nehmen Photonen als einzelne Teilchen nicht ernst genug. Die Energie kommt davon, wie schnell das Photon oszilliert, wenn es sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt. Sein linearer Impuls ist getrennt und viel kleiner als sein Schwingungsimpuls. Ein blaues Photon schwingt viel schneller als ein rotes Photon.
@annav Sagen Sie nach dem, was ich verstanden habe, dass, wenn ich eine Wellenfunktion habe, die die elektromagnetische Welle darstellt, die Fourier-Zerlegung dieser Wellenfunktion alle möglichen Photonen codiert, die in dieser bestimmten elektromagnetischen Welle vorhanden sind? Und da wir eine Wellenfunktion in unendlich viele Sinuswellen mit unendlich unterschiedlicher Frequenz zerlegen, hätten wir dann unendlich viele Photonen für eine bestimmte elektromagnetische Welle? Experimentell ist es also nur möglich, ein Photon zu erzeugen, wenn wir eine unvorstellbar genaue Frequenz haben. Ist mein Verständnis richtig?
Nein, es ist nicht richtig. Wenn Sie ein Physiker oder ein angehender Physiker sind, müssen Sie verstehen, dass die Theorien der Physik Modelle sind , dh zusätzliche Gesetze wie Axiome haben, die die Lösungen aufgreifen, die zu den Daten passen. Diese Modelle haben spezifische Variablen und Rahmenbedingungen: Klassische Maxwell-Gleichungen beschreiben das makroskopische Lichtverhalten, wenn die Lichtintensität ausreicht, damit unsere Augen sehen können (grobe Definition). Wenn die Intensität sinkt, ist das Gerüst nicht mehr klassisch, sondern quantenmechanisch. und Licht wird experimentell (z. B. im Doppelspaltexperiment) als zusammengesetzt angesehen
Einzelpartikelstöße, die sich zum klassischen Welleninterferenzmuster addieren. Dies sind die Photonen, Nullmasse, Punktteilchen, Energie = h*nu, Spin +/-1 zu ihrer Bewegungsrichtung und Teil der Elementarteilchentabelle. en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model . Als Quanteneinheit gehorcht es einer quantenmechanischen Wellengleichung, bei der es um die Wahrscheinlichkeit geht , das Photon an einem (x,y,z)-Punkt im Raum zu finden. Wie ich in den Antworten zeige, handelt es sich um komplexe Wellenfunktionen, die eine Lösung quantisierter Maxwell -Gleichungen sind.
Diese komplexen Funktionen in Überlagerung in Millionenhöhe bauen die klassische elektromagnetische Welle auf, einzelne Energiepakete, die Photonen genannt werden. Die Überlagerung ist in den komplexen Funktionen, die die Frequenzinformationen enthalten, die Wahrscheinlichkeit ergibt sich aus dem komplex konjugierten Quadrat der gesamten Wellenfunktion, die sich bilden kann das klassische Interferenzmuster. Hast du den zweiten Link in meinem Top-Kommentar gelesen?
Es kann helfen, ungebundenen Raum in dem Sinne zu überspringen, dass ein Photon von einem gebundenen stammt. Zumindest jetzt. Vielleicht nicht vor der Rekombinationsepoche, sorry. Aber es könnte hilfreich sein, an das System zu denken, das das/die Phoon(en) ausgesandt hat.

Antworten (3)

Energie als solche ist nicht quantisiert, das sehen wir am Spektrum eines Schwarzen Körpers: Es ist ein kontinuierliches Spektrum, also sind alle Frequenz- und damit Energiewerte möglich.

Allerdings darf die Energie von Photonen, die von Atomen emittiert werden, wenn ein Elektron in einer Atomhülle von einem höheren auf ein niedrigeres Niveau wechselt, nur bestimmte Werte erreichen. Der Ursprung davon ist die Tatsache, dass ein Atom ein begrenztes System ist, sodass das Elektron in seiner Hülle nicht frei ist. Die Energie eines freien Elektrons könnte wieder jeden beliebigen Wert annehmen.

Um nun die diskreten Energieniveaus in einem Atom zu beschreiben, war es notwendig, ein Modell zu haben, bei dem elektromagnetische Wellen eine gewisse charakteristische Energie transportieren können, das Photonenmodell. Mit einem klassischen Wellenmodell können solche diskreten Energieniveaus nicht beschrieben werden. Das bedeutet jedoch nicht, dass irgendein System diskrete Energieniveaus aufweist, sondern nur gebundene Zustände wie Atome.

Ihre Frage bezieht sich auf Plancks ursprüngliche Arbeit, in der er die Planck-Konstante definierte.

Erstens müssen Sie auf der Thermodynamik aufbauen, die uns sagt, wie Systeme im Gleichgewicht Energie untereinander verteilen. Ein System mit fester Energie könnte also ein hochenergetisches Photon haben, oder es könnte zwei Photonen mit halb so viel Energie haben - aber keines der Systeme befindet sich im thermischen Gleichgewicht. Angesichts der zahlreichen Mechanismen zur Umverteilung der Energie in andere Frequenzen wird die Verteilung der Photonen das sogenannte Schwarzkörper-Strahlungsspektrum sein. Wenn Licht nicht quantisiert wäre, würden thermische Effekte die gesamte Energie begünstigen, die ihren Weg in die höheren Frequenzen findet. Wenn jedoch die Energiemenge in einer gegebenen Frequenz quantisiert wird, wird die Energiedichte bei einer endlichen Frequenz ihren Höhepunkt erreichen.

Strahlung erscheint nur im Einschluss quantisiert. Dasselbe gilt für Elektronen – sie scheinen sich wie Wellen im Einschluss zu bewegen. In der Haft gibt es viele Teilnehmer und sehr wenig Bewegungsraum. Es könnte auch eine kleine Anzahl sein, die sich aber auf kleinem Raum sehr schnell bewegt und den gleichen Effekt erzielt.

Als Ergebnis des Einschlusses ändert sich das inverse Quadrat von Coulomb in das Hooksche Gesetz – das Raumfedergesetz. Das Hooksche Gesetz ist in jedem Schwingungssystem zu sehen. (Der Beweis ist einfach, nehmen Sie drei gleich beabstandete Punkte auf einer Linie. Geben Sie der Mitte einen Schubs, während Sie die Enden festhalten, und Sie sehen, wie sich die Kraft; f = k / r ^ 2 ändert zu f = Kr im Grenzbereich kleiner Verschiebung). Das Ergebnis der Schwingung ist, dass das gesamte Kraftfeld harmonisch wird, wodurch sich ein Elektron wie eine Welle verhält. Und die Energieniveaus werden diskret (charakteristisch für vibrierende Systeme) und enden damit, dass sich Licht als Quanten oder Teilchen verhält, wie Einstein in seiner Photonenarbeit fand. Aber im Freien verhalten sich Elektronen wie Teilchen mit einer genau definierten Bahn – wie man in zahlreichen Experimenten sehen kann, die von der Vakuumröhre bis zur Nebelkammer reichen. Und Photonen/Strahlung kehren zum Wellenverhalten zurück,

Am einfachsten kann man sich ein Photon vorstellen, indem man es sich als die Wahrscheinlichkeit vorstellt, diese Photonenenergie an einem Punkt zu finden. Auf diese Weise kann man Fragen zur Größe und dem Rest vermeiden.

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