Mengapa energi datang dalam bentuk paket?
Foton adalah paket energi yang dilepaskan oleh osilasi muatan yang terus menerus.
Tapi saya punya beberapa pertanyaan tentang ini.
Karena elektron berosilasi secara teratur saat bertransisi antar orbital lalu mengapa energi dilepaskan dalam bentuk paket dan tidak terus menerus dalam bentuk gelombang? Apa yang menyebabkan diskontinuitas dalam energi yang dilepaskan oleh elektron?
Penalaran fisik akan lebih dihargai daripada penalaran matematis.
Catatan : Dengan kata kontinu , saya mengacu pada fakta bahwa dua foton yang berurutan memiliki jarak waktu antara emisi mereka sementara gelombang hanya diproduksi secara terus menerus tanpa celah sama sekali.
Jawaban
Foton adalah partikel elementer mekanika kuantum dalam model standar teori medan kuantum yang sangat sukses . Jika Anda melihat tabel, foton tersebut setara dengan elektron, dan foton individu adalah partikel titik , bukan gelombang di ruang mana pun. Gelombang apa yang merupakan fungsi gelombang nilai kompleks matematika$Ψ$, yang satu-satunya prediksi terukurnya adalah probabilitas menemukan foton dalam (x, y, z, t) dalam ruang, sama dengan bilangan real$Ψ^*Ψ$ .
Apa yang telah Anda gambar (di versi sebelumnya) adalah deskripsi foton gratis sebagai paket gelombang, dalam teori medan kuantum, dan ini adalah paket gelombang probabilitas, bukan paket gelombang ruang dan waktu.
Karena mereka berosilasi secara teratur atau terus menerus, mengapa energi dilepaskan dalam bentuk paket?
Premisnya salah. Foton individu tidak berosilasi, lihat eksperimen ini dengan foton tunggal pada satu waktu . Ini adalah probabilitas mengukur bahwa berosilasi.
Apa yang menyebabkan terputusnya energi yang dilepaskan ??
fakta bahwa ada satu partikel yang membawanya.
Bisakah kita menghitung jarak waktu antara masing-masing foton ini (yang seharusnya ada saat kita menyebutnya sebagai paket), meskipun terlalu kecil ??
Segala sesuatu dalam mekanika kuantum yang dapat dihitung bersifat probabilistik. Akan ada probabilitas yang dapat dihitung, tergantung pada sumbernya, apakah sebuah atom, atau elektron yang melambat atau partikel bermuatan lainnya.
Seperti energi foton $hν$ dimana $ν$adalah frekuensi gelombang klasik yang terbentuk oleh ribuan foton (lihat tautan foton tunggal di atas) dan h adalah jumlah yang sangat kecil, gelombang elektromagnetik biasa, cahaya, muncul dari milyaran foton dengan cara yang dapat dihitung dengan elektrodinamika kuantum.
Karena elektron berosilasi secara teratur, mengapa energi dilepaskan dalam bentuk paket dan tidak terus menerus dalam bentuk gelombang? Apa yang menyebabkan diskontinuitas dalam energi yang dilepaskan oleh elektron?
Elektron bebas, dengan momentum tetap, tidak berosilasi. Probabilitas menemukan mereka pada (x, y, z, t), dihubungkan dengan fungsi gelombang, memiliki perilaku sinusoidal.
Elektron melambat di beberapa medan, memancarkan foton , yaitu partikel elementer, yang dengan keberadaannya mengambil energi.
Elektron yang terikat pada atom tidak berosilasi secara teratur. Mereka secara mekanis terikat kuantum di orbital pada tingkat energi tertentu dengan bilangan kuantum tertentu. Lihat orbital sederhana untuk elektron dalam hidrogen.
Sebenarnya diskontinuitas, spektrum atom, adalah salah satu alasan dasar mekanika kuantum ditemukan. Lihat jawaban saya ini .
Jawaban langsungnya adalah tidak ada yang tahu mengapa. Kami hanya tahu caranya.
Maksud saya, kami memiliki metode yang akurat untuk memprediksi angka eksperimen. Kita dapat menyelesaikan persamaan gelombang dengan metode lanjutan, seperti dalam kimia kuantum, dan menambahkan koreksi radiasi QED, misalnya.
Jadi kita tahu bagaimana tetapi tidak mengapa persamaan gelombang memperhitungkan, dan sangat akurat, untuk perilaku partikel diskrit .
Saya pikir penting bagi kita untuk meletakkan kartu kita di atas meja dan siswa tidak dilatih untuk berpikir bahwa kita memahami QM sepenuhnya.
Jawaban singkat: Emisi foton tidak berarti frekuensinya akan terputus-putus melainkan energinya akan terdiskrit, diberikan oleh $E=\hbar \omega$Hubungan Planck. Foton menurut definisi adalah objek yang energi diberikan oleh frekuensinya, oleh karena itu foton pasti diskrit.
Panjang: Pada dasarnya foton (putaran tak bermassa$1$ partikel) diberikan oleh medan kuantum $$A_{\mu}(x)=\int \frac{d^3p}{(2\pi)^3}\frac{1}{\sqrt{2\omega_p}}\sum_{j=1}^2(\epsilon_{\mu}^{i}(p)a_{p,i}e^{-ipx}+\epsilon_{\mu}^{i*}(p)a_{p,i}^{\dagger}e^{ipx})$$ Jadi, setiap kali kita memiliki foton di suatu tempat, kita tahu pasti itu telah dibuat oleh tindakan $a^{\dagger}$ di vakum $ |0\rangle$ Jadi itu pasti akan menjadi diskrit tetapi diproduksi baik oleh tindakan $e^-,e^+,p^+$ atau proses lain yang memungkinkan, pernyataan yang kuat.
Contoh produksi foton Anda dengan percepatan$*$ dari $e^-$muncul di banyak fenomena Bremsstrahlung , Radiasi siklotron , radiasi Synchrotron . Dengan risiko penyederhanaan yang berlebihan, semua proses ini dapat diwakili oleh
Jadi Anda dapat melihat foton terikat menjadi diskrit karena definisi kami. Dalam Elektrodinamika klasik, karena butiran kasar, kita menganggap foton sebagai gelombang kontinum atau EM. Mereka dibombardir dalam jumlah besar per satuan waktu sehingga kita tidak perlu mempertimbangkan keleluasaan.
Adapun keleluasaan foton selama transisi elektron antara orbit atau struktur pita. Mereka hanya dapat muncul jika elektron melakukan transisi energi yang diperlukan, mis. LED, spektrum hidrogen elektron terikat karena hanya memiliki energi diskrit untuk menghasilkan, kita terikat untuk mendapatkan frekuensi diskrit.
Tetapi di lain waktu emisi panas / radiasi benda hitam, frekuensi foton yang dipancarkan adalah kontinum sehingga hanya energi yang dibuang di sini.
Kesimpulan: Dalam kasus pertama energi dan frekuensi didiskritkan sedangkan dalam kasus kedua hanya energi yang didiskritkan jadi jika Anda meletakkan penghitung yang mencatat energi dan frekuensi foton, Anda pasti akan mendapatkan klik dalam bilangan bulat kecuali intensitas Anda sangat tinggi (tidak perlu QM) karena definisi foton kita juga untuk yang pertama tidak hanya energi foton individu akan dikaitkan dengan frekuensi tetapi frekuensi akan datang dalam langkah-langkah sementara di foton terakhir akan memiliki energi karakteristik tetapi frekuensi akan berada dalam kontinum.
$*$ akselerasi tidak ditentukan dalam QM.
Anda menulis:
Karena elektron berosilasi secara teratur saat bertransisi antar orbital lalu mengapa energi dilepaskan dalam bentuk paket dan tidak terus menerus dalam bentuk gelombang?
Saya pikir inilah alasan yang mengarah ke mekanika kuantum. Jika elektron memancarkan radiasi saat menuju orbital dengan energi lebih sedikit, Anda melihat prosesnya dengan cara elektromagnetik klasik. Elektron akan berputar ke bawah menuju inti atom sambil terus memancarkan gelombang elektromagnetik ( Bremmstrahlung dengan frekuensi yang semakin meningkat) sampai akan menabraknya.
Jelas, bukan itu masalahnya. Atom adalah konfigurasi yang stabil. Elektron dalam atom hanya dapat berada di orbital atom dan tidak ada status (eigen) di antaranya (atau dalam kombinasi linier yang dinormalisasi).
Ketika sebuah elektron jatuh kembali ke orbital dengan energi yang lebih rendah, hal ini tidak dilanjutkan oleh elektron yang berputar ke tingkat energi yang lebih rendah saat memancarkan radiasi. Seperti yang dikatakan, apa yang akan menghentikan elektron agar tidak jatuh lebih jauh? Itu terjadi dalam peristiwa yang hampir seketika.
Misalnya, elektron dalam orbital berenergi tinggi (dalam orbital eigen terkait). Ia tidak akan turun ke orbital yang lebih rendah secara kontinu sambil memancarkan bremsstrahlung kontinu (yang frekuensinya meningkat) tetapi, misalnya, dengan memancarkan satu, dua, atau lebih foton, yang bersama-sama memiliki perbedaan energi antara kedua orbital.
Foton dipancarkan sebagai paket gelombang dengan rentang frekuensi, sehingga foton tidak memiliki energi yang jelas. Tetapi keduanya tidak memiliki orbital, karena mereka menempati ruang berhingga, jadi karena hubungan ketidakpastian Heisenberg, ada juga ketidakpastian dalam momentum elektron (dan juga energi). Jadi kita berbicara tentang nilai rata-rata.
Intinya: Elektron tidak berputar ke bawah terus menerus menuju inti karena dalam kasus ini, atom tidak mungkin ada. Dan dunia akan terlihat sangat berbeda! Mekanika kuantum datang untuk menyelamatkan.
Mungkin Anda menyukai pertanyaan ini dan jawabannya.