Wie können wir beweisen, dass ein Photon nur einmal absorbiert wird?

Es lohnt sich, das Doppelspaltexperiment Photon für Photon zu betrachten.

Die folgende Bildsequenz zeigt ein typisches Ergebnis, das in einem Einzelphotonen-Zweispalt- Experiment bei einem hinter den Schlitzen platzierten Film für zunehmende Belichtungszeiten beobachtet wurde:

zweite Folie

Letzte Folie, aus Platzgründen wurde die ursprüngliche Verbindung unterbrochen, aber hier ist die zeitliche Abfolge noch zu sehen.

Da wir einzelne Photonen betrachten, muss das gesamte Experiment in einem dunklen Raum durchgeführt werden, um Hintergrundlicht zu vermeiden. Auch die empfindlichsten Teile des Experiments (Kamera und Bildverstärker) sind in einer schwarzen Box platziert, um Streulicht vom Laser zu vermeiden. Der Bildverstärker ist ein wesentlicher Bestandteil dieses Experiments. Mit dem Verstärker wird jedes einzelne Photon um einen Faktor von bis zu einer Million verstärkt, so dass das von jedem Photon erzeugte Signal am Ausgang des Verstärkers (einem Phosphorschirm) mit einem empfindlichen Film oder einer CCD-Kamera detektiert werden kann.

In diesem Fall beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass das einzelne Photon vollständig vom Verstärker absorbiert wird, konstruktionsbedingt 1.

aber je stärker die Strahlung ist, desto größer ist die erwartete mittlere Anzahl von Detektionen in einem Bereich.

In diesem Fall macht die Energie des einzelnen Photons keinen Unterschied, solange sie innerhalb der auf dem Leuchtstoffschirm verfügbaren Energieniveaus liegt. Es erscheint ein Punkt.

Im Allgemeinen ist der Qualifier „stärker“ für Photonen falsch. Photonen können hochenergetisch oder niederenergetisch sein.

In dem beschriebenen Experiment, bei dem Photonen einzeln freigesetzt werden, gibt es keine Knöpfe, die klassische Intensität der Quelle (proportional zur Anzahl der Photonen) wird reduziert, so dass ein Photon zu einem Zeitpunkt delta(t) ankommt. Delta(t) variiert aufgrund von Quantenunsicherheiten, aber ein Laser emittiert Photonen mit einer kleinen Delta(E)-Energie, und es gibt kein Problem bei der Entscheidung, ob ein Photon den Verstärker trifft.

Es ist vernünftig, sich zu fragen, ob die Quantisierung elektromagnetischer Energie nur für die Wechselwirkung mit Materie (also auch mit dem photoelektrischen Ergebnis) und nicht intrinsisch quantisiert wird. Aber Sie können sich ein Photon selbst als ein quantisiertes Paket elektromagnetischer Energie vorstellen und dann erkennen, dass Sie eine Theorie brauchen, um zu erklären, wann, wo und wie es mit Materie in Verbindung steht (und manchmal sogar andere quantisierte Pakete elektromagnetischer Energie streut). . Die Theorie, die Sie am Ende haben, ist die Standardtheorie.

Aber wir haben im Allgemeinen keine Knöpfe, die ein Photon erzeugen (ich weiß, Sie sagten, es sei ein Gedankenexperiment). Was Sie im Allgemeinen berechnen, ist, dass Sie eine Geschwindigkeit (c) und die Größe (L) des Geräts kennen, also wie viel Zeit (L/c) jedes Photon im Flug verbringt und wie viele Photonen pro Stunde, und Sie bemerken, dass dies die Gesamtzeit ist im Flug (eigentlich nur die Summe der Flugzeit jedes Photons) ist viel kürzer als die Gesamtzeit des Experiments, sodass Sie (zu unbekümmert) schließen können, dass wahrscheinlich die meisten, wenn nicht alle Photonen alleine gereist sind. Aber um sicher zu sein, müssten Sie der Erkennung genau aufpassen. Und tatsächlich können wir nicht wirklich schlussfolgern, dass es sich um einen Poisson-Prozess handelt, weil sie nicht wirklich 100% unabhängig sind, aber wir können versuchen, es nahe zu bringen, weil sie in der Eins-zu-Zeit-Grenze sehr nahe beieinander liegen unabhängig.

In der Praxis kann man also im Allgemeinen die Zeit eines normalen Experiments in Zeitbereiche einteilen, die genau so groß sind, dass die erwartete Anzahl von Photonen eins ist. Aber es wird nicht Poisson sein. Sie würden sich dem Poisson nur für Zeitintervalle mit viel weniger als einem erwarteten Photon nähern

Der Grund für das Scheitern ist, dass bei einem Photon die Wahrscheinlichkeit für ein zweites etwas größer ist als die Wahrscheinlichkeit für das erste. Elektronen machen das Gegenteil. Wenn Sie also Elektronen einzeln durch einen Doppelspalt schicken möchten, ist es einfacher zu schließen, dass sie einzeln gehen.

Wort Absorption bedeutet, dass das Photon sein Leben beenden und sich in Anregungsenergie des Atoms im Material umwandeln musste. Photon kann auf drei Arten mit der Materie interagieren: Photoeffekt, Compton-Streuung und Paarbildung. Nur im zweiten Prozess überlebt das Photon.

Experimentell wird die Absorption (in Bezug auf den Photoeffekt) in Detektoren als einzelne Spitze eines bestimmten Energieniveaus (für eine monochromatische Gammaquelle) beobachtet. Da die volle Energie absorbiert wird, muss er innerhalb seiner Auflösung eine spezifische Detektorantwort geben.

Wenn das Photon nicht absorbiert wird, sondern im Inneren gestreut wird, gibt es einen Teil seiner Energie ab, die in die Ionisierung des Atoms geht, diese Energie wird als ziemlich flaches Spektrum zwischen 0 und Photonenenergie (Peak) angesehen. Es ist auch möglich, dass das Photon ein- oder mehrmals im Material gestreut und dann absorbiert wird, dann sehen Sie dies auch als volle Energiespitze. andernfalls kann es aus dem aktiven Volumen des Detektors entweichen und den Compton-Hintergrund verlassen.

Um Ihre Frage zu beantworten, ist es nicht möglich, mehrere Absorptionen zu haben, aber ja, es ist möglich, mehrere Streueffekte zu haben. Dann müssen Sie ein Array (Gitter- oder Stapelgeometrie) aus relativ dünnen (dünner als die durchschnittliche Streulänge) Detektoren bauen, und dann haben Sie die Möglichkeit, Streueffekte in mehreren Schichten zu beobachten.

Was Sie fragen, hängt von der Erkennungsmethode ab. Wenn das Nachweisverfahren auf der Absorption des Photons mit Elektronenemission basiert, kann 1 Photon 1 Mal absorbiert werden. Dies ist der photoelektrische Effekt, und die Energieerhaltung zeigt, dass die Photonenenergie nicht kleiner sein kann als die Ionisierungsenergie von 1 Elektron.

Wenn wir jedoch daran interessiert sind, Compton-Streuung zu erhalten, wird ein Photon mit hoher Energie auf seinem Weg an den Teilchen unelastisch gestreut. Bei hohen Energien kann die Wellenlänge des Photons klein genug sein, damit das Photon auf seinem Weg das Elektron im Atom sieht und nicht das ganze Atom. Bei jedem Streuereignis gibt das Photon einen Teil seiner Energie an das Teilchen ab, an dem es gestreut wurde. Das Elektron bekommt durch die Kollision mit dem Photon einen Rückstoß , und der lineare Impuls des Photons nimmt ab, während seine Wellenlänge zunimmt.