Was ist die spezifische Photon-Teilchen-Wechselwirkung, durch die Impuls in Strahlungsdruck übertragen wird?

Aktualisiertes Vorwort (als Antwort auf Kommentare).

Laut Titel konzentriert sich diese Frage auf das Verständnis „der spezifischen Photon-Partikel-Wechselwirkung, durch die Impuls in Strahlungsdruck übertragen wird“.

In die ursprüngliche Frage habe ich ein Vorwort eingefügt, das ein Beispiel dafür gab, was ich mit "Strahlungsdruck" meinte: Sonnensegel. Das war nur ein Beispiel. Die Frage bezieht sich nicht auf Sonnensegel und nicht auf die klassische Theorie zur Berechnung des Strahlungsdrucks. "Sonnensegel" werden nur als Orientierung und Beweis dafür erwähnt, dass es sich um ein echtes makroskopisches Phänomen handelt, das keine offensichtliche Beschreibung auf der detaillierten Ebene einer spezifischen Photon-Teilchen-Wechselwirkung hat. Ich entschuldige mich, wenn diese Erwähnung irreführend war.

Die Information, die ich suche, ist eine Beschreibung dessen, was auf der Ebene der spezifischen Photon-Partikel-Wechselwirkung passiert, um Strahlungsdruck zu erzeugen.

Was folgt, ist der ursprüngliche Beitrag, wörtlich:

"Strahlungsdruck" bedeutet in dieser Frage den Begriff, wie er zur Beschreibung des Verhaltens von Lichtsegeln verwendet wird. "spezifische Photon-Partikel-Wechselwirkung" bedeutet genau, mit welchen Partikeln die Photonen interagieren, um dem getroffenen Objekt einen Impuls zu verleihen. Es gibt Formeln zur Berechnung des Strahlungsdrucks, sie beschreiben jedoch nicht die Photon-Teilchen-Wechselwirkung, die den Druck erzeugt. Es gibt die Photon-Elektron-Wechselwirkungen von Reflexion und Brechung, diese sind jedoch zu 100 % elastisch, was bedeutet, dass keine Energie verloren geht oder gewonnen wird, so dass es schwer zu erkennen ist, wie sie die Energie des erhöhten Impulses auf das getroffene Objekt übertragen könnten.

Eine Vermutung ist, dass die Photonen die Quarks in den Hadronen des getroffenen Objekts treffen. Ich habe jedoch keine offensichtlichen (dh durch Googeln) Papiere gesehen, die dies beschreiben.

Die Frage also: Was ist die spezifische Photon-Partikel-Wechselwirkung, durch die Impuls in Strahlungsdruck übertragen wird, und was sind Links zu Artikeln, die dies beschreiben?

Warten Sie, warum sind Reflexion und Brechung "Photon-Elektron-Wechselwirkungen"? Das sind makroskopische Phänomene. Außerdem übertragen elastische Stöße die ganze Zeit Impuls. Wenn eine sich bewegende Billardkugel mit einer ruhenden Kugel gleicher Masse zusammenstößt, überträgt die erste Kugel ihren gesamten Impuls auf die zweite. In jedem Fall möchten Sie vielleicht mit der Frage beginnen, welche Wechselwirkungen für Reflexion und Brechung verantwortlich sind.
Photonen und Teilchen sind sowohl der schwierige als auch der weniger nützliche Weg, um über diese Frage nachzudenken. Ernsthaft. Behandle es in der klassischen Elektrodynamik und fertig.
Die Frage zielt darauf ab, mögliche Photon/Quark-Wechselwirkungen mit relativ niederenergetischen Photonen zu verstehen. Der Strahlungsdruck als Phänomen ist ein möglicher Weg, um an Wissen über diese Art von Wechselwirkung zu gelangen, da dieses Wissen ansonsten nicht ohne weiteres auffindbar zu sein scheint.
Die klassische Theorie sagt Ihnen, dass die Wechselwirkung (um viele Größenordnungen) von den Elektronen dominiert wird, und dann sagt Ihnen das Verhältnis der Stärke zwischen der EM und der starken Wechselwirkung, dass die Wechselwirkung zwischen der Welle und dem Kern von der kohärenten Wechselwirkung dominiert wird mit dem ganzen Kern (und der Rest wird von der Wechselwirkung mit einzelnen Nukleonen dominiert). Die Quarks kommen einfach nicht ins Problem. Was Sie vorschlagen, ist wie der Versuch, die Wirtschaft einer großen Nation zu verstehen, indem Sie die Transaktionen eines Limonadenstands für Kinder untersuchen.
@dmckee Die klassische Theorie ist eine Reihe von Sprachmetaphern, die eine Reihe mathematischer Formeln abstrahieren, die relativ genaue Vorhersagen liefern, während Details ausgelassen werden, wie z um sie zu bewegen. Ich komme allmählich zu dem Schluss, dass die Antwort "noch nicht von der gegenwärtig anerkannten Wissenschaft abgedeckt" ist. Spaltung mag 1880 unvorstellbar erschienen sein; 1945 hatten sie herausgefunden, was sie mit den Zitronen machen sollten.
Das OP sollte die Frage umformulieren, da sich herausstellt, dass er sich überhaupt nicht für die Frage interessiert, die er tatsächlich zur makroskopischen Mechanik von Sonnensegeln und Impulsübertragung gestellt hat, sondern nur für die zugrunde liegende Kernphysik, Fermionen und Quantenkohärenz.
@Thisiswhatyoudo Ich entschuldige mich für alle Schwierigkeiten, die dadurch entstanden sind. Allerdings ist die Aussage "die Frage, die er tatsächlich nach der makroskopischen Mechanik von Sonnensegeln gestellt hat" nicht zutreffend. Die Frage sowohl im Titel als auch am Ende des Beitrags bezieht sich eindeutig auf die "spezifische Photon-Teilchen-Wechselwirkung", und das Wort "Wechselwirkung" wird mehrmals im Vorwort verwendet. Ich habe mich entschieden, das Vorwort hinzuzufügen, um nicht auf die reine Theorie verwiesen zu werden, die, wie Sie vielleicht festgestellt haben, keine Antwort auf die Frage zu haben scheint. Ich werde die Frage jedoch bearbeiten.
Die offensichtliche Antwort auf Ihre Frage, wie ein Impuls von einem Photon auf eine elastische Oberfläche übertragen wird, besteht darin, zu fragen, was mit dieser Elastizität passiert, wenn sich die Kollision in einem Resonanzbereich befindet und das Teilchen absorbiert wird.
@Steve: Leider sind mir weder die zusätzliche Frage noch die mögliche Antwort klar. Vielleicht könntest du sie näher erläutern.
@wayfarer, vielleicht habe ich bei der Überprüfung Ihre Frage missverstanden - Sie schienen Reflexion und Brechung zu akzeptieren und bemerkten, dass diese elastisch sind und durch Absorption (dh Überwindung eines elastischen Widerstands) Schwung gewonnen wird. Aber ich denke, Sie fragen genauer, wie diese Absorption im Innern des Atoms auf tiefere Weise funktioniert, was ich anderen überlassen muss.

Antworten (1)

Ein einzelnes Photon trägt Energie H v und Schwung H v / C . Wenn ein Photon von Materie absorbiert wird, werden Energie und Impuls auf den Absorber übertragen. Wenn anschließend ein Photon von irgendeinem Prozess emittiert wird, dann werden Energie und Impuls von dem emittierten Photon weggetragen.

Wenn wir Photonen in einem Strahl betrachten, der entlang seines Normalenvektors auf einen perfekten planaren Spiegel gerichtet ist, dann trägt jedes Photon im Spiegelrahmen 2 bei H v / C in Schwung zum Spiegel wo v ist die im Spiegelrahmen gemessene Photonenfrequenz. Dadurch wird der Spiegel beschleunigt.

Im anfänglichen Ruhesystem des Spiegels bleibt die Frequenz der einfallenden Photonen gleich, aber der reflektierte Strahl wird aufgrund der Reflexion am zurückweichenden Spiegel zunehmend rotverschoben. Auf diese Weise übertragen die Photonen sowohl Energie als auch Impuls auf den Spiegel. So könnte schematisch ein Sonnensegel funktionieren.

Keine der obigen Diskussionen hing von der Natur der Absorptions- oder Emissionsprozesse ab. Wie Kommentatoren bereits angedeutet haben, ist der Wechselwirkungsquerschnitt von Photonen mit Elektronen weitaus größer als der ihrer Wechselwirkung mit Hadronen. Praktisch gesehen leisten die Hadronen keinen wesentlichen Beitrag zur Absorption oder Emission der Photonen.

"Jedes Photon trägt 2 hν / c zum Impuls zum Spiegel bei". Auf der Partikelebene gibt es jedoch keinen "Spiegel", sondern nur eine Ansammlung von Partikeln. "Der Wechselwirkungsquerschnitt von Photonen mit Elektronen ist weitaus größer als der ihrer Wechselwirkung mit Hadronen." Und doch haben die Hadronen die meiste Masse, auf die der Impuls aufgebracht werden muss. Wird der Impuls auf die Elektronen und dann auf die Hadronen übertragen? Ich versuche, dies in Bezug auf die spezifische Photon-Teilchen-Wechselwirkung zu sehen. Eine solche Interaktion MUSS auftreten; Die Frage ist, wie genau?
Die Photonen übertragen zunächst Impuls auf die Elektronen. Dann übertragen die Elektronen über die Coulomb-Kraft Impuls auf die Kerne (die positiven Ladungen werden von den negativen Ladungen mitgezogen).
das eine Suche initiierte, die zu folgendem führte: Vol. 25, Nr. 17 | 21. August 2017 | OPTICS EXPRESS 20803, der dieses Zitat enthält: „Während es auf dem Gebiet der theoretischen Quantenmechanik verschiedene Debatten über das Verhalten des Impulses des Lichts am Rand der Licht-Materie-Wechselwirkung gibt [39–41], sind die anderen Gebiete der Wissenschaft und Technologie liefern konsequent unterstützende Beweise für die Anwendungs- und Nutzungsprinzipien einiger ihrer Wirkungen". dh. genaue Messungen, aber die genaue Erklärung wird noch diskutiert. Scheint immer noch verunsichert.
Es gibt hier einen barrierefreien Link zum vollständigen Text dieses Artikels: osapublishing.org/DirectPDFAccess/…
Diese Veröffentlichung aus dem Jahr 2004 geht sehr detailliert darauf ein, wie man die Übertragung des Photonenimpulses auf verschiedene Materialien berechnet, sagt aber wenig oder gar nichts über die Photonen-Teilchen-Wechselwirkung aus. Dies verstärkt tendenziell meinen Verdacht, dass es zu diesem speziellen Thema keine weithin veröffentlichte Wissenschaft gibt. osapublishing.org/oe/…
@wayfarer In dem Artikel von 2004, auf den Sie verwiesen haben, wird ausführlich erörtert, wie die klassischen Gesetze der Elektrodynamik es einem ermöglichen, den Strahlungsdruck als Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld des Lichts und den Leitungselektronen des Zielmaterials zu verstehen. Wenn man die Wechselwirkung einzelner Photonen mit Materie betrachten will, dann ist eine quantenmechanische Beschreibung notwendig, die sich aber auf das klassische Ergebnis reduziert, wenn es um eine große Ansammlung von Photonen geht. Auch hier findet die Wechselwirkung mit den Elektronen statt, und es gibt kein ungelöstes Rätsel, das die Hadronen betrifft.
Dies ist wieder Berechnung vs. Erklärung. Die Berechnung steht nicht im Vordergrund. Um es noch einmal zu wiederholen, es ist genau eine Erklärung der spezifischen "Wechselwirkung einzelner Photonen mit Materie", die im Mittelpunkt meiner Frage steht. Wenn es kein Rätsel gibt, sollte es eine einfache Erklärung geben, die so etwas wie Feynman-Diagramme verwendet. Aus industriellen Gründen besteht großes Interesse an den Berechnungen. Eine detaillierte Erklärung der Photon-Partikel-Wechselwirkung sollte helfen, solche Berechnungen zu rechtfertigen und zu verbessern. Wenn es eine solche Erklärung gab, warum wird sie dann nicht häufig zitiert?
Die quantenmechanische Beschreibung der Wechselwirkung einzelner Photonen mit den Elektronen eines Zielmaterials wird in industriellen Anwendungen nicht häufig diskutiert, weil sie nicht sinnvoll ist. In der Industrie hat man es nie mit einzelnen Photonen zu tun, sondern mit den makroskopischen Eigenschaften des Lichts, und seine Wechselwirkung mit Elektronen lässt sich sehr gut durch die klassische Elektrodynamik beschreiben
Wenn Sie die quantenmechanische Beschreibung wollen, müssen Sie wahrscheinlich mit einem Lehrbuch über Quantenelektrodynamik beginnen. Sie fragen nach Feynman-Diagrammen, und sie liefern eine Komponente der Antwort, aber tatsächlich interagieren die Photonen gewissermaßen mit allen Elektronen im Material gleichzeitig, und das Endergebnis wird über ein Pfadintegral berechnet. Auch dies ist übertrieben, wenn Sie nur versuchen zu verstehen, wie so etwas wie ein Sonnensegel funktioniert. Siehe auch die am häufigsten bewertete Antwort auf diese Frage: physical.stackexchange.com/questions/1909/…
Bitte lesen Sie die ursprüngliche Frage und die Aktualisierung noch einmal: Ich versuche nicht zu verstehen, wie Sonnensegel funktionieren. Ich versuche zu verstehen, wie Photonen Impuls auf Teilchen übertragen. Der von Ihnen zitierte Beitrag ist interessant, in Chad Orzels Kommentar heißt es jedoch: "Die Frage, was der Photonenimpuls in einem Material mit einem Brechungsindex n ist, ist kompliziert und subtil." was darauf hindeutet, dass die Frage noch offen ist. Ich weiß, dass die Frage möglicherweise eng fokussiert ist, sie wird jedoch nicht durch Verweise auf verwandte Themen beantwortet.
Möglicherweise ist dieser Thread teilweise deshalb so schwierig, weil ich anscheinend nach etwas frage, nach dem möglicherweise nicht einmal sehr oft gefragt wird. Ich muss also schräge Referenzen verwenden, um dorthin zu gelangen: Strahlungsdruck, Sonnensegel, industrielle Anwendungen, Feynman-Diagramme, Quantenmechanik. Die Leute reagieren auf Antworten zu diesen Dingen und verwenden Ausdrücke wie „in gewissem Sinne“. Diese Themen sind jedoch nicht der Punkt. Der Punkt ist, dass Photonen Impuls auf Hadronen übertragen. Das war der Schwerpunkt der Frage aus dem ursprünglichen Beitrag, und sie wurde nicht beantwortet, nicht einmal metaphorisch.
Was ist die spezifische Photon-Teilchen-Wechselwirkung, durch die Impuls in Strahlungsdruck übertragen wird?
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