क्वांटम बिखरने का वर्णन

Question

मैं क्वांटम स्कैटरिंग के स्पष्टीकरण की तलाश कर रहा हूं ताकि मुझे यह समझने में मदद मिल सके कि आकाश नीला क्यों है। मैंने इस वेबसाइट पर आकाश के पिछले सभी धागों को नीला होने की जाँच की है, लेकिन उन्हें ऐसा नहीं लगता कि वे उस तंत्र को देते हैं जिसके द्वारा कोई फोटॉन किसी इलेक्ट्रॉन से छिटक जाता है या वे रेले के बिखरने का जवाब देते हैं। वर्तमान में मुझे पता है कि गुंजयमान फोटॉन आवृत्तियों को अवशोषित और पुन: उत्सर्जित किया जाता है, और मुझे पता है कि रमन बिखरना संभव है।

मेरे 3 प्रश्न हैं:

1. बिखरने के दौरान फोटॉन और इलेक्ट्रॉन क्या होता है? अवशोषित और फिर से उत्सर्जित? सिर्फ 'उछाल' आदि?
2. अगर एक परमाणु में ऊर्जा का स्तर असतत है तो सभी आवृत्तियों पर प्रकीर्णन क्यों हो सकता है?
3. उच्च आवृत्तियों (नीली रोशनी) के लिए क्वांटम स्पष्टीकरण क्या है जो अन्य आवृत्तियों की तुलना में बहुत अधिक (फ्रीक ^ 4) बिखरे हुए हैं?

यदि किसी को पर्याप्त प्रतिक्रिया देने के लिए भारी गणित से बचा जा सकता है और गणित की अधिक भौतिक विवरण / व्याख्या प्रदान कर सकता है जो बहुत सराहना की जाएगी।

Answer 1

मैं आपके सभी सवालों के जवाब एक साथ देने की कोशिश करूंगा। याद रखें कि शास्त्रीय विवरण में EM क्षेत्र के जोड़े परमाणु के विद्युत द्विध्रुवीय क्षण को, और इसे क्षेत्र के साथ दोलन करने के लिए मजबूर करते हैं। यदि फ़ील्ड में आवृत्ति है$\omega$, दोलन आयाम (और इसलिए बिखरी हुई लहरें) कारक पर निर्भर करेगा $(\omega - \omega_0)^{-1}$ कुछ शक्ति के लिए उठाया, जहां $\omega_0$ परमाणु की एक गुंजयमान आवृत्ति है।

अब क्वांटम विवरण में हम ऊर्जा राज्यों के बीच फोटॉन और जंप के निर्माण / विनाश के संदर्भ में सब कुछ का विश्लेषण करते हैं। रेले के बिखरने के मामले में (जो कि एक प्रकार का लोचदार प्रकीर्णन है) प्रारंभिक और अंतिम फोटॉन ऊर्जा समान हैं$\hbar \omega$, जबकि प्रारंभिक और अंतिम परमाणु ऊर्जा भी, जमीन की ऊर्जा के बराबर है $E_0$। फोटॉन के प्रसार की दिशा में केवल एक बदलाव है। परमाणु में अभी भी एक द्विध्रुवीय क्षण है, लेकिन यह अब विभिन्न ऊर्जाओं के परमाणु राज्यों के बीच एक संक्रमण से जुड़ा हुआ है , इसलिए जब भी परमाणु ईएम क्षेत्र के साथ बातचीत करता है, तो उसे राज्यों के बीच 'कूदना' चाहिए। तो चलिए अब मैं बताता हूँ कि आप गणना में क्या करते हैं:

हम केवल बिखरने, प्रारंभिक अवस्था और परमाणु और विकिरण क्षेत्र की अंतिम स्थिति के बारे में 2 बातें जानते हैं। शुरुआत में, हमारे पास ऊर्जा के साथ एक आने वाला फोटॉन है$\hbar\omega$ और दिशा $\mathbf{k}$और इसके जमीनी अवस्था में परमाणु। अब, तीन चीजें हो सकती हैं:

1. फोटॉन परमाणु द्वारा अवशोषित हो जाता है (परमाणु फोटॉन को नष्ट कर देता है), जिससे यह एक उच्च ऊर्जा स्थिति में कूद जाता है जिसे 'वर्चुअल स्टेट' कहा जाता है (यह 'वर्चुअल' है क्योंकि इसे ऊर्जा संरक्षण की आवश्यकता नहीं है)। तब परमाणु एक फोटॉन उत्सर्जित करता है (परमाणु फोटॉन बनाता है) ऊर्जा के साथ$\hbar \omega$ और दिशा $\mathbf{k}'$ और अपनी जमीनी स्थिति में वापस कूदता है;
2. परमाणु ऊर्जा के साथ एक फोटॉन का उत्सर्जन करता है (परमाणु फोटॉन बनाता है) $\hbar\omega$ और दिशा $\mathbf{k}'$जबकि प्रारंभिक फोटॉन अभी भी आ रहा है, और एक आभासी स्थिति में चला जाता है। परमाणु तब आने वाले फोटॉन को अवशोषित करता है (परमाणु फोटॉन को नष्ट कर देता है) और वापस अपनी जमीनी स्थिति में चला जाता है;
3. परमाणु एक ही समय में आउटगोइंग फोटॉन का निर्माण करता है, यह आने वाले फोटॉन (एक साथ निर्माण और विनाश) को अवशोषित करता है, अपनी जमीनी अवस्था में शेष रहता है।

ध्यान दें कि सभी मामलों में ऊर्जा हमेशा शुरुआत और अंत में संरक्षित होती है, लेकिन जरूरी नहीं कि बीच में ही हो। यह कोई समस्या नहीं है क्योंकि हमारे पास केवल प्रारंभिक और अंतिम राज्यों तक पहुंच है, हम यह नहीं माप सकते हैं कि क्या हुआ था अब, गणना एक ही पायदान पर तीन प्रक्रियाओं को मानती है, इसलिए वे सभी दिशा के लिए अंतिम फोटोन खोजने की संभावना में योगदान करते हैं$\mathbf{k}'$ और ऊर्जा $\hbar\omega$। पाने के लिए गणना$\omega^4$ थोडा वंचित है और मुझे इसे सरल शब्दों में समझाने का तरीका नहीं मिला, लेकिन फिर से परमाणु के साथ क्षेत्र की बातचीत कारक पर निर्भर करेगी $(\omega - \omega_0)^{-1}$, और गणना के अंत में आप एक क्रॉस सेक्शन के साथ समाप्त हो जाएंगे जो एक फ़ंक्शन है $\omega^4$कम से कम के लिए $\omega \ll \omega_0$।

इसलिए, ध्यान दें कि परमाणु को केवल शुरुआत में ऊर्जा का संरक्षण करना है और अंत में यह ऊर्जा संरक्षण इनबेटन का 'उल्लंघन' कर सकता है, और इस तरह किसी भी आवृत्ति के फोटॉन के साथ बातचीत करता है (लेकिन जब भी बातचीत को बढ़ाया जाता है $\omega$ एक संक्रमण आवृत्ति के करीब है $\omega_0$) है।

Answer 2

आप रेले के बिखराव के मामले में क्वांटम प्रकीर्णन का विवरण पूछ रहे हैं और आकाश नीला क्यों है।

जब एक परमाणु के साथ एक फोटॉन इंटरैक्ट करता है, तो तीन चीजें हो सकती हैं:

1. लोचदार बिखरना (रेले बिखरना, या उदाहरण दर्पण प्रतिबिंब के लिए), इस मामले में फोटॉन अपनी ऊर्जा का स्तर और चरण और परिवर्तन कोण रखता है

2. इनलैस्टिक स्कैटरिंग (हीट अप मैटेरियल), इस मामले में फोटॉन परमाणु में अपनी ऊर्जा का हिस्सा देता है और कोण बदलता है

3. अवशोषण, फोटॉन इलेक्ट्रॉन / परमाणु प्रणाली को अपनी सारी ऊर्जा देता है, और फोटॉन अस्तित्व में रहता है

अब रेले स्कैटरिंग, आकाश के दोष का मुख्य कारण है, लोचदार बिखरना। फोटॉन अवशोषित नहीं होता है, और अस्तित्व में नहीं रहता है। फोटॉन अपने ऊर्जा स्तर को बनाए रखता है और कोण बदलता है।

आप पूछ रहे हैं "बिखराव के दौरान फोटॉन और इलेक्ट्रॉन का क्या होता है? अवशोषित और फिर से उत्सर्जित? बस 'बाउंस' आदि?"

रेले के बिखरने के मामले में, जो लोचदार बिखर रहा है, यह अवशोषित नहीं होता है, और अस्तित्व में नहीं रहता है। आप फोटॉन को छोटे बिलियर्ड बॉल के रूप में कल्पना नहीं कर सकते हैं, लेकिन कुछ अर्थों में, यह आपके जैसा कहते हैं "बस उछलता है"।

आप पूछ रहे हैं "यदि एक परमाणु में ऊर्जा का स्तर असतत है तो सभी आवृत्तियों पर प्रकीर्णन क्यों हो सकता है?"

अब अवशोषण के मामले में, आप सही हैं, असाध्य ऊर्जा स्तर (परमाणुओं / अणुओं में) क्वांटम यांत्रिक घटना का कारण बनते हैं जहाँ हम प्रयोगों से देखते हैं, कि एक फोटॉन को अवशोषित करने के लिए, फोटॉन की ऊर्जा का मिलान करने के लिए (या उससे अधिक) की आवश्यकता होती है ) परमाणु / इलेक्ट्रॉन प्रणाली के कुछ ऊर्जा स्तरों के बीच ऊर्जा का अंतर। अब यह लोचदार बिखरने के लिए मामला नहीं है। अब लोचदार बिखरने के मामले में, बिखरने की घटना की संभावना फोटॉन की तरंग दैर्ध्य और परमाणु / अणु के आकार के बीच एक संबंध पर निर्भर करती है।

रेले का प्रकीर्णन तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करता है और नीला प्रकाश सबसे अधिक बिखरा हुआ है। इसका मतलब है कि सूर्य से दूर की दिशाओं से आने वाली रोशनी में नीले रंग की ओर भारित स्पेक्ट्रम होता है।

आकाश नीला और सूर्य पीला क्यों है?

आप पूछ रहे हैं "उच्च आवृत्तियों (नीली रोशनी) के लिए क्वांटम स्पष्टीकरण क्या है जो अन्य आवृत्तियों की तुलना में बहुत अधिक (फ्रीक ^ 4) बिखरे हुए हैं?"

और हम बिखरने वाले सुंदर क्यूएम घटना के लिए गए, जहां फोटॉन की तरंग दैर्ध्य और परमाणु / अणु के आकार के बीच संबंध सबसे अधिक मायने रखता है। रेले के बिखरने के मामले में, परमाणुओं / अणुओं का आकार बहुत छोटा होता है फिर फोटॉनों की तरंग दैर्ध्य।

विकिरण के तरंग दैर्ध्य की तुलना में बहुत कम कणों द्वारा प्रकाश या अन्य विद्युत चुम्बकीय विकिरण का मुख्य रूप से लोचदार बिखरना है। प्रकीर्णन (~ λ means 4) की मजबूत तरंग दैर्ध्य निर्भरता का मतलब है कि छोटी (नीली) तरंग दैर्ध्य लंबे (लाल) तरंगदैर्घ्य की तुलना में अधिक दृढ़ता से बिखरे हुए हैं।

https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering

अब चूंकि परमाणुओं / अणुओं के आकार बहुत छोटे हैं, इसलिए जिन फोटोन की तरंगदैर्ध्य की हम बात कर रहे हैं (आपके मामले में दिखाई दे रहे हैं), वे छोटे (छोटे) तरंगदैर्घ्य वाले फोटॉन तब अधिक लंबे समय तक बिखरे रहते हैं, जिससे आकाश का नीला रंग दिखाई देता है।