Wie hängt Licht mit Photonen zusammen? [Duplikat]

Tolle Frage. Licht ist eine elektromagnetische Welle, und stellen Sie sich vor, die Welle besteht aus einer großen Anzahl von Photonen$N$(auch wenn es technisch etwas komplizierter ist). Die Welle hat eine Frequenz$f$. Die Energie eines einzelnen Photons ist$hf$, was Sie glauben lassen könnte, dass die Gesamtenergie ist$E_{tot}=Nhf$, aber tatsächlich ist es etwas anders:

$E_{tot}=(N+1/2)hf$

Das Extra$(1/2)hf$wird manchmal als "Nullpunktenergie" bezeichnet, und es ist interessant, weil es bedeutet, dass selbst wenn Sie null Photonen haben, immer noch etwas elektromagnetische Energie vorhanden ist.

Nun zur Beantwortung Ihrer Frage: Jedes Mal, wenn wir ein Photon hinzufügen, die Gesamtenergie$E_{tot}$steigt noch um$hf$. Da es keinen Bruchteil eines Photons gibt, sind die möglichen Werte von$E_{tot}$sind diskretisiert , was bedeutet, dass nur diskrete Werte möglich sind. Die Sprünge zwischen diesen Werten sind Addition/Subtraktion eines Photons.

Lassen Sie mich einen etwas anderen Ansatz versuchen.

Woher wissen wir, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist? Nun, erstens, gibt es einen Grund zu der Annahme, dass es sich um eine Welle handelt? Jawohl. Siehe Beschreibungen von Interferenzmustern und Polarisation. Diese Phänomene verhalten sich genau so, als ob Licht eine Welle wäre. Also, warum ist es elektromagnetisch? Diese Verbindung kam tatsächlich vom anderen Ende her zustande. James Clerk Maxwell stellte seine berühmten Gleichungen auf und erkannte, dass seine Gleichungen, wenn Sie einige experimentell bestimmte Konstanten (relative Permeabilität und magnetische Suszeptibilität) einsetzen, eine sich ausbreitende Welle mit einer Geschwindigkeit erzeugen können, die genau der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Dies legt natürlich nahe, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist – es sei denn, Sie glauben fest an Zufälle.

Etwa 40 Jahre lang herrschten die Maxwellschen Gleichungen . Dann begannen diese lästigen Experimentiertypen zu bemerken, dass sich einige Aspekte des Lichts einfach nicht so verhalten, wie eine Welle es sollte. Der photoelektrische Effekt ist ein gutes Beispiel. Verschiedene Leute erkannten, dass etwas nicht stimmte, und 1905 gewann ein junger Patentangestellter namens Einstein (klingt der Name?) den Nobelpreis für seine Arbeit, die zu dem Schluss kam, dass Licht in einem ausreichend kleinen Maßstab auch als Licht angesehen werden kann Partikel. Sie werden feststellen, dass sein ebenfalls 1905 veröffentlichter Aufsatz zur Speziellen Relativitätstheorie nicht den Nobelpreis erhielt.

Ist Licht also eine Welle oder ein Teilchen? Die Antwort ist entweder ein klares Ja oder ein donnerndes Nein. Es hängt alles davon ab, wie Sie Licht messen. Wenn viel Energie übertragen wird, kann man es mit Wellen beschreiben. Wenn Sie über wirklich kleine Mengen sprechen, beginnen sich Quantisierungseffekte zu zeigen, und es ist besser, in Partikeln zu denken. Und, nur um Ihren Verstand zu verwirren, es gibt Situationen, in denen tatsächlich beide wahr sind. Das klassische Experiment, das sich damit beschäftigt, ist das Doppelspalt-Experiment und bei sehr geringen Lichtstärken kann man einzelne Photonen nachweisen – aber sie erscheinen an verschiedenen Stellen, als wären sie auch Wellen. Wenn Ihnen das alles ziemlich seltsam vorkommt, machen Sie sich keine Sorgen. Die Physikgemeinschaft als Ganzes kämpfte fast 50 Jahre lang mit dem Wellen-Teilchen-Dualismus, und das Problem wird durch die Tatsache verschlimmert, dass es auf einer gewissen Ebene für so ziemlich alles zu gelten scheint. Sicherlich können Sie Interferenzmuster von Elektronen erhalten, und das sind Teilchen, oder?

Aber zurück zu den Photonen. Der von Ihnen erwähnte Prozess, die Emission von Elektronen, die das Energieniveau ändern, findet auf sehr, sehr kleinen Skalen statt, und wenn Sie sich dieses Niveau ansehen, ist die Teilchenbeschreibung diejenige, die am offensichtlichsten und nützlichsten ist. Es gibt verschiedene andere Möglichkeiten, Licht (oder zumindest EM-Strahlung) zu erzeugen, bei denen Elektronen keine Energieniveaus ändern. Dazu gehören zum Beispiel Elektron/Positron-Vernichtung und Kernspaltung und -fusion. Aber die Erzeugung von Licht (oder Wärme - Infrarotstrahlung) ist unserer Erfahrung nach üblich, also ist dies eine nützliche Quelle, die man in Betracht ziehen sollte. Wenn die Elektronen nur herumspringen, erhalten Sie im Wesentlichen zufällige Wellenlängen, und dies ist in der Schwarzkörperstrahlung zu sehen. Aber wenn Sie irgendwie einschränken können, wie Elektronen Energie gewinnen oder verlieren können, können Sie Licht mit sehr spezifischen Wellenlängen erhalten, wie z. B. Laser. Die Spezifität dieser Wellenlängen zu erklären, ist mit der klassischen Wellentheorie im Grunde unmöglich, aber mit der Quantenmechanik, dem herrschenden Modell auf atomarer Ebene, einfach genug. Wenn Sie dann natürlich eine ganze Menge Photonen erzeugt haben, erhalten Sie einen Lichtstrahl, der (zum Beispiel für das Linsendesign) gut als elektromagnetische Welle beschrieben werden kann.

Was man im Hinterkopf behalten sollte, ist ein altes Sprichwort (na ja, nicht so alt) in der Wissenschaft: Alle Modelle sind falsch, aber einige sind nützlich