Pourquoi l'énergie se présente-t-elle sous forme de paquets?
Les photons sont les paquets d'énergie libérés par l'oscillation continue des charges.
Mais j'ai quelques questions à ce sujet.
Étant donné que les électrons oscillent régulièrement pendant la transition entre orbitals alors pourquoi est l'énergie libérée sous forme de paquets et non de façon continue sous la forme d'ondes? Qu'est-ce qui cause cette discontinuité dans l'énergie libérée par les électrons?
Un raisonnement physique sera plus apprécié qu'un raisonnement mathématique.
Remarque : Par le mot continu , je fais référence au fait que deux photons consécutifs ont un intervalle de temps entre leurs émissions, tandis que les ondes sont simplement produites en continu sans aucun intervalle.
Réponses
Les photons sont des particules élémentaires de mécanique quantique dans le modèle standard très réussi de la théorie quantique des champs . Si vous regardez le tableau, ils sont à égalité avec les électrons et les photons individuels sont des particules ponctuelles , pas des ondes dans aucun espace. Quelles ondes est la fonction d'onde de valeur complexe mathématique$Ψ$, dont la seule prédiction mesurable est la probabilité de trouver un photon dans (x, y, z, t) dans l'espace, égale au nombre réel$Ψ^*Ψ$ .
Ce que vous aviez dessiné (dans une version précédente) était une description d'un photon libre en tant que paquet d'ondes, dans la théorie quantique des champs, et c'est un paquet d'onde de probabilité, pas un paquet d'onde d' espace et de temps.
Puisqu'ils oscillent régulièrement ou continuellement, pourquoi l'énergie est-elle libérée sous forme de paquets?
La prémisse est fausse. Les photons individuels n'oscillent pas, voyez cette expérience avec des photons uniques à la fois . C'est la probabilité de le mesurer qui oscille.
Qu'est-ce qui cause cette discontinuité dans l'énergie libérée ??
le fait que ce soit une seule particule qui la porte.
Peut-on calculer l'écart de temps entre chacun de ces photons (qui devrait exister quand on les dit sous forme de paquets), même s'il est trop petit ??
Tout ce qui peut être calculé en mécanique quantique est probabiliste. Il y aura une probabilité calculable, en fonction de la source, qu'il s'agisse d'un atome, d'un électron en décélération ou d'une autre particule chargée.
Comme l'énergie d'un photon est $hν$ où $ν$est la fréquence de l'onde classique accumulée par plusieurs milliers de photons (voir le lien des photons uniques ci-dessus) et h est un très petit nombre, les ondes électromagnétiques ordinaires, la lumière, émergent de zillions de photons d'une manière calculable avec l'électrodynamique quantique.
Puisque les électrons oscillent régulièrement, pourquoi l'énergie est-elle libérée sous forme de paquets et non en continu sous forme d'ondes? Qu'est-ce qui cause cette discontinuité dans l'énergie libérée par les électrons?
Les électrons libres, d'impulsion fixe, n'oscillent pas. La p probabilité de les trouver en (x, y, z, t), liée à la fonction d'onde, a un comportement sinusoïdal.
Les électrons décélérés dans un certain champ émettent des photons , c'est-à-dire des particules élémentaires, qui par leur existence enlèvent de l'énergie.
Les électrons liés dans les atomes n'oscillent pas régulièrement. Ils sont liés mécaniquement dans les orbitales à des niveaux d'énergie spécifiques avec des nombres quantiques spécifiques. Voir les orbitales simples pour les électrons dans un hydrogène.
En fait, la discontinuité, le spectre des atomes, est l'une des raisons fondamentales pour lesquelles la mécanique quantique a été inventée. Voyez ma réponse .
La réponse directe est que personne ne sait pourquoi. Nous savons seulement comment.
Je veux dire par là que nous avons des méthodes précises pour prédire les nombres expérimentaux. Nous pouvons résoudre des équations d'ondes avec des méthodes avancées, comme en chimie quantique, et ajouter des corrections radiatives QED, par exemple.
Nous savons donc comment mais pas pourquoi les équations d'onde rendent compte, et très précisément ainsi, du comportement des particules discrètes .
Je pense qu'il est important que nous posions nos cartes sur la table et que les étudiants ne soient pas formés pour penser que nous comprenons pleinement la gestion de la qualité.
Réponse courte: L'émission de photons ne signifie pas que leur fréquence sera discontinue plutôt que leur énergie sera discrétisée, donnée par $E=\hbar \omega$Relation de Planck. Les photons par définition sont un objet dont l'énergie est donnée par sa fréquence, ils sont donc tenus d'être discrets.
Long: fondamentalement photons (spin sans masse$1$ particule) sont données par champ quantique $$A_{\mu}(x)=\int \frac{d^3p}{(2\pi)^3}\frac{1}{\sqrt{2\omega_p}}\sum_{j=1}^2(\epsilon_{\mu}^{i}(p)a_{p,i}e^{-ipx}+\epsilon_{\mu}^{i*}(p)a_{p,i}^{\dagger}e^{ipx})$$ Ainsi, chaque fois que nous avons un photon quelque part, nous savons avec certitude qu'il a été créé par l'action de $a^{\dagger}$ sur le vide $ |0\rangle$ il est donc forcément discret mais il est produit que ce soit par l'action de $e^-,e^+,p^+$ ou tout autre processus réalisable, déclaration forte.
Votre exemple de production de photons par l'accélération$*$ de $e^-$apparaît dans beaucoup de phénomène Bremsstrahlung , rayonnement cyclotron , rayonnement synchrotron . Au risque d'une simplification excessive, tous ces processus peuvent être représentés par
Ainsi, vous pouvez voir qu'un photon est forcément discret à cause de notre définition. En électrodynamique classique, en raison du grain grossier, nous considérons les photons comme un continuum ou des ondes EM. Ils sont bombardés à un si grand nombre par unité de temps que nous n'avons pas besoin de prendre en compte la discrétion.
Quant à la discrétion des photons lors de la transition des électrons entre orbites ou structure de bande. Ils ne peuvent naître que si les électrons effectuent la transition énergétique requise, ex. LED, spectre d'hydrogène de l'électron lié puisque nous n'avons qu'une énergie discrète à produire, nous sommes obligés d'obtenir la fréquence discrète.
Mais d'autres fois, émission thermique / rayonnement du corps noir, la fréquence du photon émis est un continuum donc seule l'énergie est discrétisée ici.
À retenir: dans le premier cas, l'énergie et la fréquence sont discrétisées tandis que dans le second cas, seule l'énergie est discrétisée, donc si vous mettez un compteur qui enregistre l'énergie et la fréquence des photons, vous obtiendrez des clics en nombres entiers à moins que votre intensité ne soit très élevée (non besoin de QM) en raison de notre définition du photon également pour le premier, non seulement l'énergie des photons individuels sera liée à la fréquence, mais la fréquence viendra par étapes tandis que dans les derniers photons auront leur énergie caractéristique, mais la fréquence sera en continu.
$*$ l'accélération n'est pas définie dans QM.
Vous écrivez:
Puisque les électrons oscillent régulièrement lors de la transition entre les orbitales, pourquoi l'énergie est-elle libérée sous forme de paquets et non en continu sous forme d'ondes?
Je pense que c'est précisément la raison qui a conduit à la mécanique quantique. Si les électrons émettraient un rayonnement en se dirigeant vers une orbitale avec moins d'énergie, vous visualisez le processus d'une manière électromagnétique classique. L'électron descendrait en spirale vers le noyau de l'atome tout en émettant continuellement des ondes électromagnétiques ( Bremmstrahlung avec une fréquence croissante) jusqu'à ce qu'il s'écrase dessus.
Ce n'est évidemment pas le cas. Les atomes sont des configurations stables. Les électrons dans un atome ne peuvent résider que dans les orbitales de l'atome et aucun état (propre) entre les deux (ou dans une combinaison linéaire normalisée d'entre eux).
Lorsqu'un électron retombe sur une orbitale avec une énergie plus faible, cela ne se produit pas par l'électron qui descend en spirale vers le niveau d'énergie inférieur tout en émettant un rayonnement. Comme dit, qu'est-ce que l'électron empêcherait de tomber davantage? Cela se produit dans un événement presque instantané.
Par exemple, l'électron dans une orbitale de haute énergie (dans l'orbitale propre associée). Il ne descendra pas vers une orbitale inférieure de manière continue tout en émettant des bremsstrahlung continus (dont la fréquence augmente) mais, par exemple, en émettant un, deux ou plusieurs photons, qui ensemble ont la différence d'énergie entre les deux orbitales.
Les photons sont émis sous forme de paquets d'ondes avec une gamme de fréquences, ils n'ont donc pas une énergie bien définie. Mais les orbitales non plus, car elles occupent un espace fini, donc en raison des relations d'incertitude de Heisenberg, il y a une incertitude dans l'élan de l'électron (et donc l'énergie). On parle donc de valeurs moyennes.
L'essentiel: les électrons ne descendent pas continuellement vers le noyau car dans ce cas, les atomes ne pourraient pas exister. Et le monde serait très différent! La mécanique quantique est venue à la rescousse.
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