Was strahlt ein Atom aus: ein Wellenpaket oder ein einzelnes Photon?

Ein angeregtes Atom strahlt ein Wellenpaket ab , d. h. ein Schwingungsmuster eines EM-Felds, das räumlich und zeitlich effektiv lokalisiert ist. Es emittiert sicherlich weder die streng monochromatische ebene Welle (die räumlich und zeitlich unendlich ist) noch ein punktförmiges Objekt (eine punktförmige Verteilung eines Felds enthält Fourier-Komponenten mit beliebig großer Energie). Man kann sogar von der "Form" dieses Wellenpakets sprechen: Es hat typischerweise eine scharfe Front und ein exponentiell abfallendes Ende.

Eine separate Frage ist, was ist das Photon? Ich denke, es gibt keine universelle Antwort; die eigentliche Sache, die wir "das Photon" nennen, hängt von der Situation ab.

Wenn wir ein elektromagnetisches Feld quantisieren, bedeutet „das Photon“ die Anregung des EM-Feldes mit einer festen Energie und einem festen Impuls. (Genau genommen führen wir eine Reglerfunktion ein, die im Unendlichen abklingt, betrachten dann aber alles im Grenzbereich, wenn die Reglerfunktion gegen identische Eins strebt. Wir können also für alle Zwecke immer noch an die monochromatische Anregung denken). Aber wenn wir die normalen Moden des EM-Feldes mit nicht trivialen Randbedingungen diskutieren, zum Beispiel in einem Resonator in einem Laser, sind die Photonen, obwohl sie monochromatisch sind, keine räumlich unendlichen ebenen Wellen mehr.

Wenn wir von Emission und Absorption von Lichtquanten sprechen, die immer in mehr oder weniger lokalisierten Wellenpaketen ablaufen, nennen wir diese Wellenpakete üblicherweise Photonen. In bestimmten Fällen, zum Beispiel in der Astrophysik, können wir sogar von der Zeit sprechen, in der ein Photon emittiert wurde (obwohl dies kein momentaner Vorgang ist!).

All diese subtilen Unterschiede werden noch heikler, wenn wir die Neutrino-Oszillation diskutieren. Es gab und gibt viel Verwirrung, die von ungerechtfertigten Annahmen darüber herrührt, wie ein Neutrino erzeugt und nachgewiesen wird (Wellenpakete vs. ebene Wellen, der Moment und die Position, wenn das Neutrino emittiert wird usw.). Glücklicherweise vermischt sich das EM-Feld nicht (zumindest im Vakuum).

Wenn Sie mit "strahlen" die Strahlung meinen, die von einem angeregten Zustand eines in den Grundzustand zerfallenden Atoms emittiert wird, dann haben Sie ein einzelnes Photon, dessen Frequenz jedoch aufgrund der spektralen Verbreiterung des Übergangs nicht im Voraus bekannt ist.