에너지가 패킷 형태로 나오는 이유는 무엇입니까?
광자는 전하의 지속적인 진동에 의해 방출되는 에너지 패킷입니다.
하지만 이것에 대해 몇 가지 질문이 있습니다.
때문에 전자는 진동 정기적 동안 오비탈 사이의 전이가 다음 이유 에너지가 형태 해제 패킷 이 아닌 연속 파동의 형태? 전자에 의해 방출 된 에너지에서 이러한 불연속성 을 일으키는 원인은 무엇입니까 ?
물리적 추론은 수학적 추론보다 더 높이 평가 될 것입니다.
참고 : 연속 이란 단어 는 두 개의 연속 광자가 방출 사이에 시간 간격이있는 반면 파동은 간격이 전혀없이 계속해서 생성된다는 사실을 의미합니다.
답변
광자는 매우 성공적인 양자 장 이론 표준 모델 에서 양자 역학적 기본 입자입니다 . 이 표를 보면, 그들은 전자와 어깨를 나란히하며, 각각의 광자는 점 입자 , 하지 파도 어떤 공간이다. 어떤 파도가 수학 복잡한 값 파동 함수입니다$Ψ$, 측정 가능한 예측은 공간의 (x, y, z, t)에서 실제 숫자와 동일한 광자를 찾을 확률입니다.$Ψ^*Ψ$ .
이전 버전에서 그린 것은 양자 장 이론에서 파동 패킷 으로 자유 광자에 대한 설명이었고 공간 및 시간 파동 파동 패킷 이 아니라 확률 파동 패킷 입니다.
그들은 규칙적으로 또는 지속적으로 진동하기 때문에 왜 에너지가 패킷 형태로 방출됩니까?
전제는 잘못되었습니다. 개별 광자는 진동하지 않습니다 . 한 번에 하나의 광자를 사용하는이 실험을 참조하십시오 . 그것은 인 확률 그것을 그 진동을 측정.
방출 된 에너지에서 이러한 불연속성의 원인은 무엇입니까?
그것을 운반하는 단일 입자라는 사실.
너무 작은 경우에도 각 광자 사이의 시간 간격을 계산할 수 있습니까?
계산할 수있는 양자 역학의 모든 것은 확률 적입니다. 원자, 감속 전자 또는 다른 하전 입자인지 여부에 따라 계산 가능한 확률이 있습니다.
광자의 에너지는 $hν$ 어디 $ν$수천 개의 광자가 축적되는 고전파의 주파수이며 (위의 단일 광자의 링크 참조) h는 매우 적은 수의 일반 전자기파, 빛이며 양자 전기 역학으로 계산할 수있는 방식으로 수백만 개의 광자에서 발생합니다.
전자가 규칙적으로 진동하기 때문에 왜 에너지는 파동의 형태가 아닌 패킷 형태로 방출됩니까? 전자에 의해 방출 된 에너지에서 이러한 불연속성을 일으키는 원인은 무엇입니까?
고정 된 운동량의 자유 전자는 진동하지 않습니다. 파동 함수와 연결된 (x, y, z, t)에서 찾을 확률은 정현파 동작을합니다.
일부 장에서 감속 된 전자는 광자 , 즉 기본 입자를 방출 하며, 이는 그 존재에 의해 에너지를 제거합니다.
원자에 결합 된 전자 는 규칙적으로 진동 하지 않습니다 . 그것들은 특정 양자 수를 가진 특정 에너지 수준에서 궤도에서 양자 기계적으로 결합됩니다. 수소의 전자에 대한 단순 궤도 를 참조하십시오 .
실제로 원자의 스펙트럼 인 불연속성은 양자 역학이 발명 된 기본적인 이유 중 하나입니다. 내 대답을 참조하십시오 .
정답은 아무도 이유를 모른다는 것입니다. 우리는 방법 만 알고 있습니다.
내 말은 우리가 실험 수를 예측하는 정확한 방법을 가지고 있다는 의미입니다. 예를 들어 양자 화학에서와 같이 고급 방법으로 파동 방정식을 풀고 QED 복사 보정을 추가 할 수 있습니다.
따라서 우리는 파동 방정식이 이산 입자 의 거동을 설명하는 방법을 알지만 그 이유를 알 수 없습니다 .
나는 우리가 우리의 카드를 테이블 위에 놓고 학생들이 우리가 QM을 완전히 이해한다고 생각하도록 훈련받지 않는 것이 중요하다고 생각합니다.
짧은 대답 : 광자의 방출은 주파수가 불 연속적이라는 의미가 아니라 에너지가 다음과 같이 이산화된다는 것을 의미합니다. $E=\hbar \omega$플랑크 관계. 정의에 따른 광자는 주파수에 의해 주어진 에너지를 가진 물체이므로 이산 적입니다.
긴 것 : 기본적으로 광자 (질량없는 스핀-$1$ 입자)는 양자 장으로 주어집니다. $$A_{\mu}(x)=\int \frac{d^3p}{(2\pi)^3}\frac{1}{\sqrt{2\omega_p}}\sum_{j=1}^2(\epsilon_{\mu}^{i}(p)a_{p,i}e^{-ipx}+\epsilon_{\mu}^{i*}(p)a_{p,i}^{\dagger}e^{ipx})$$ 그래서 어딘가에 광자가있을 때마다 우리는 그것이 $a^{\dagger}$ 진공 상태에서 $ |0\rangle$ 따라서 그것은 불 연속적이지만 $e^-,e^+,p^+$ 또는 다른 실행 가능한 프로세스, 강력한 진술.
가속에 의한 광자 생성의 예$*$ 의 $e^-$많은 현상 Bremsstrahlung , Cyclotron 방사선 , 싱크로트론 방사선에 나타납니다 . 지나치게 단순화 될 위험이있는 경우 이러한 모든 프로세스는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
그래서 우리의 정의 때문에 광자가 이산 적이라는 것을 알 수 있습니다. 고전적인 전기 역학에서 거친 입자로 인해 우리는 광자를 연속체 또는 EM 파로 취합니다. 그들은 우리가 이산 성을 고려할 필요가없는 단위 시간당 너무 많은 수의 폭격을 받고 있습니다.
궤도 또는 밴드 구조 사이의 전자 전이 중 광자의 이산성에 관해서. 전자가 필요한 에너지 전이를 수행하는 경우에만 존재할 수 있습니다. LED, 결합 된 전자의 수소 스펙트럼은 생성 할 이산 에너지 만 가지고 있기 때문에 이산 주파수를 얻을 수밖에 없습니다.
그러나 열 방출 / 흑체 복사의 경우 방출 된 광자의 주파수는 연속체이므로 여기에서는 에너지 만 이산화됩니다.
요약 : 첫 번째 경우에는 에너지와 주파수가 모두 이산화되고 두 번째 경우에는 에너지 만 이산화되므로 광자 에너지와 주파수를 기록하는 카운터를 배치하면 강도가 매우 높지 않은 경우 정수로 클릭을 얻을 수 있습니다 (아니요 QM의 필요) 전자에 대한 광자 의 정의 로 인해 개별 광자의 에너지는 주파수와 관련 될뿐만 아니라 주파수는 단계적으로 올 것이고 후자의 광자는 고유 한 에너지를 가지지 만 주파수는 연속적 일 것입니다.
$*$ 가속은 QM에서 정의되지 않았습니다.
당신은 쓰기:
전자가 궤도 사이를 전환하는 동안 규칙적으로 진동하기 때문에 왜 에너지가 파동의 형태가 아닌 패킷 형태로 방출됩니까?
이것이 바로 양자 역학을 이끈 이유라고 생각합니다. 전자가 에너지가 적은 궤도로 향하는 동안 방사선을 방출한다면, 당신은 고전적인 전자기 방식으로 그 과정을보고있는 것입니다. 전자는 원자핵을 향해 나선형으로 내려 가면서 전자파 ( Bremmstrahlung) 가 계속해서 전자파 ( 주파수가 증가하는 Bremmstrahlung) 를 방사 하여 분쇄합니다.
분명히 이것은 사실이 아닙니다. 원자는 안정적인 구성입니다. 원자의 전자는 원자의 궤도에만 상주 할 수 있으며 그 사이 (또는 이들의 정규화 된 선형 조합)에는 (고유) 상태가 없습니다.
전자가 더 낮은 에너지를 가진 궤도로 다시 떨어질 때, 이것은 방사선을 방출하는 동안 낮은 에너지 수준으로 나선형으로 내려가는 전자에 의해 진행되지 않습니다. 말했듯이, 전자가 더 이상 떨어지지 않도록 무엇을 멈출까요? 거의 즉각적인 이벤트에서 발생합니다.
예를 들어, 고 에너지 궤도의 전자 (관련 고유 궤도). 연속적인 bremsstrahlung (주파수가 증가하고 있음)을 방출하는 동안 연속적인 방식으로 낮은 궤도로 하강하지는 않지만, 예를 들어 두 궤도 사이에 에너지 차이를 갖는 하나, 둘 또는 그 이상의 광자를 방출합니다.
광자는 다양한 주파수의 웨이브 패킷으로 방출되므로 잘 정의 된 에너지가 없습니다. 그러나 궤도는 유한 한 공간을 차지하고 있으므로, 하이젠 베르크의 불확실성 관계로 인해 전자의 운동량 (따라서 에너지)에도 불확실성이 있습니다. 그래서 우리는 평균값에 대해 이야기하고 있습니다.
결론 : 전자는 원자가 존재할 수 없기 때문에 핵을 향해 계속해서 나선형으로 내려 가지 않습니다. 그리고 세상은 매우 다르게 보일 것입니다! 양자 역학이 구출되었습니다.
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