Wie werden Photonen „verbraucht“?

Ich habe sehr wenig Hintergrundwissen in Physik, also entschuldige ich mich, wenn diese Frage schmerzhaft naiv ist.

Betrachten Sie folgendes Gedankenexperiment: Ein Beobachter befindet sich in einem geschlossenen Raum, dessen Wände, Boden und Decke vollständig aus Spiegeln bestehen, mit einer einzigen Lichtquelle in der Mitte des Raums. Wenn das Licht an ist, kann der Betrachter überall viele Kopien seines Spiegelbildes sehen.

Plötzlich schaltet sich die Lichtquelle aus. Intuitiv würde ich erwarten, dass der Beobachter "sofort" Dunkelheit sieht. Ich kann jedoch nicht herausfinden, warum dies bei der "Partikel" -Interpretation von Licht der Fall ist. Es sind offensichtlich schon viele Photonen von vorher im Raum. Außerdem wissen wir, dass sie nicht "verbraucht" werden, wenn sie gegen eine Wand stoßen, weil der Betrachter sonst nicht so viele Reflexionen von sich selbst sehen würde. Was passiert im Grunde genommen mit den Photonen, die sich bereits im Raum befinden, wenn das Licht ausgeht?

Ich vermute, die Antwort lautet ungefähr so: Die Photonen im Raum verlieren jedes Mal ein wenig Energie, wenn sie von einem Spiegel abprallen, aber es ist so winzig, dass wir immer noch mehr Reflexionen sehen können, als unser Auge auflösen kann. Wenn das Licht jedoch ausgeht, brauchen sie nur einen sehr kleinen Bruchteil einer Sekunde, um oft genug durch den Raum zu hüpfen, um vollständig zu streuen, was unser Auge nicht erkennen kann.

Ist das ungefähr richtig? Wenn wir einen theoretischen "perfekten Reflektor" hätten, würde das Licht für immer im Raum gefangen bleiben? Wenn wir Instrumente hätten, die solche Dinge sehr genau messen könnten, würde es (etwas) länger dauern, bis das Licht in einem Raum aus Spiegeln erlischt, als in einem Raum, der beispielsweise aus schwarzem Stoff besteht?

das ist ein interessantes gedankenexperiment...

Antworten (1)

Bei der Reflexion an einem Spiegel verlieren die Photonen kein „kleines bisschen“ Energie. Entweder werden sie unverändert reflektiert oder vollständig absorbiert. Ein guter Spiegel reflektiert die meisten Photonen, absorbiert aber beispielsweise auch einen kleinen Bruchteil davon 0,1 % von ihnen.

Das heißt: Ihre Photonen verlieren mit der Zeit keine Energie; Was passiert ist, dass der Raum im Laufe der Zeit Photonen verliert: Für jedes Mal, wenn ein Photon auf eine Wand trifft, gibt es eine gewisse Wahrscheinlichkeit p dass es absorbiert ("verbraucht") wird. Die Chance, dass es danach nicht verbraucht wird N Treffer ist ( 1 p ) N . Da die Photonen sehr schnell sind, werden sie in kurzer Zeit sehr oft von den Wänden abprallen N wird wirklich schnell sehr groß, und dann ( 1 p ) N ziemlich schnell sehr klein, so dass nach kurzer Zeit alle Photonen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit verbraucht sind.

Eine wichtige Eigenschaft von Photonen, die vor einem "Wellen"-Hintergrund möglicherweise nicht ganz intuitiv ist: Die Energie eines einzelnen Photons wird vollständig durch die Frequenz des Lichts bestimmt. Blaue Photonen haben eine höhere Energie als rote Photonen. Die Intensität des Lichts wird nicht durch die Energie Ihrer Photonen bestimmt, sondern durch ihre Anzahl.

Würden die Photonen jedes Mal Energie verlieren, wenn sie von einem Spiegel abprallen, würden die Reflexionen allmählich ihre Farbe ändern, so dass schließlich blaues Licht rot wird, dann infrarot usw. Das passiert nicht: Die Spiegel ändern die Farbe nicht hell. Sie schlucken nur einen Teil der Photonen, dh sie verringern die Intensität .

Bei perfekten Spiegeln könnte man tatsächlich erwarten, niemals Photonen zu verlieren. Da aber jeder , der die Photonen betrachtet , auch absorbiert, würde der Raum irgendwann trotzdem dunkel werden. Es sei denn, es ist niemand drin.

Um zu pedantisch zu sein: Wenn Sie die Wände nicht auf Nulltemperatur halten, haben Sie immer einige Photonen als Schwarzkörperstrahlung im Raum. Bei „normalen“ Temperaturen liegen diese Photonen meist im Infrarotbereich, macht man es aber richtig heiß, fangen die Wände an zu glühen.

„Wenn sie von einem Spiegel reflektiert werden, verlieren die Photonen kein „kleines bisschen“ Energie.“ Ich bin immer davon ausgegangen, dass Sie aufgrund der Impulsübertragung auf den Spiegel eine gewisse Rotverschiebung haben?
Das ist eine sehr aufschlussreiche Antwort, die mich sehr zum Nachdenken angeregt hat. Danke, dass du es so zugänglich gemacht hast :)
@TheSheepMan: Nicht dass ich wüsste. Das Photon kann ohne Energieverlust (dh ohne Rotverschiebung) Impuls übertragen, indem es einfach die Richtung ändert. Aber das wäre eine interessante Frage, wenn Sie sich einen Grund vorstellen können, warum eine solche Rotverschiebung auftreten könnte.
@David: Sicher, wenn man sich nur das Photon ansieht, gibt es keinen Grund, eine Rotverschiebung zu erwarten. Aber die Übertragung von Impuls auf den Spiegel sollte auch die kinetische Energie des Spiegels ändern, und Energieerhaltung bedeutet, dass sich die Energie der Photonen (und damit der Impuls) ändern muss. Im Gleichgewicht schwingt der Spiegel natürlich, so dass die Energieübertragung beide Vorzeichen haben kann.
"Im Gleichgewicht vibriert der Spiegel natürlich, also kann die Energieübertragung beides sein." - Erwartet man also eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Häufigkeit einzelner Photonen, die von den Käfigwänden abprallen? Eine Art Gaußsche Spitze bei der Anfangsenergie?
@wnoise: Die Impulsübertragung könnte durch eine Photonenkollision auf der anderen Seite der Box kompensiert werden, sodass sich die Energie netto nicht ändert. Aber es ist interessant, darüber nachzudenken, inwieweit das tatsächlich passiert. Wenn jemand darüber weiter diskutieren möchte , denke ich , wäre es eine gute Idee , in den Chatraum zu gehen .
Ist das nicht die Idee hinter der Raman-Spektroskopie: Ein Phonon, das auf einen Spiegel trifft, kann ein Phonon erzeugen oder zerstören, und dann führt die Energieerhaltung zu einer Rot/Blau-Verschiebung
„Die Energie eines einzelnen Photons wird ausschließlich durch die Frequenz des Lichts bestimmt. Blaue Photonen haben eine höhere Energie als rote Photonen.“ Der letzte Satz ist nur eine Annäherung. Ein einzelnes Photon hat keine eindeutige Frequenz oder Wellenlänge, daher hat es keine eindeutige Farbe. Größen wie die Wellenlänge sind nur für elektromagnetische Wellen (die Grenze von so vielen Photonen) scharf definiert. Photonen haben eine Häufigkeitsverteilung.
@David Können Photonen ihre Energien nicht ändern, indem sie wie bei der Compton-Streuung an den Spiegeln streuen?
@Revo: nicht, wenn es ein perfekter Reflektor ist. Auch zu: 2 Kommentare nach oben: "Blaue Photonen haben eine höhere Energie als rote Photonen" ist genau richtig, da der blaue Teil des Spektrums vollständig bei höheren Frequenzen liegt als der rote Teil.
@Revo Ein Photon ist als elementare Anregung des elektromagnetischen Feldes definiert und hat als solches eine bestimmte Energie.
@David Richtig, ich wurde missverstanden. Ich meinte nur, dass man Photonen keine eindeutige Wellenlänge zuordnen kann, es sei denn, wir befinden uns in der klassischen Grenze.
@Lagerbaer Wenn ein Photon eine bestimmte Energie hat, hat es dann eine bestimmte Wellenlänge?
@Revo Ja. Was auch Sinn macht, wenn man an Randbedingungen in einem elektromagnetischen Hohlraum denkt.
@Lagerbaer Wenn ein Photon eine bestimmte Wellenlänge hat, muss mir hier etwas fehlen. Weil man einem einzelnen Photon keine eindeutige Wellenlänge zuordnen kann, weil die Wellenlänge eine Eigenschaft elektromagnetischer Wellen ist. Sie können die Wellenlänge für Photonen nur operativ definieren, nämlich ein Bündel davon haben und eine Verteilung darstellen (Referenz: MIT-Serie QM, French und Taylor, Seite 254, Abschnitt 6.8 mit dem Titel "statistical and classic properties of light"). Wenn die Verteilung um eine Zahl herum gut ausgeprägt ist, kann man diese Zahl als Wellenlänge der Photonen bezeichnen.
Der Mössbauer-Effekt zeigt genau , dass absorbierte und emittierte Photonen etwas Energie an den Rückstoß einzelner Atome abgeben (und viel weniger an den Rückstoß makroskopischer Strukturen). Das Problem sollte wahrscheinlich auf diese Weise analysiert werden. Aber andererseits denke ich, dass Reflexion in diesem Sinne im Allgemeinen ein kollektives (dh kohärentes) Verhalten ist.