양자 산란에 대한 설명
왜 하늘이 푸른 지 이해하는 데 도움이되는 양자 산란에 대한 설명을 찾고 있습니다. 나는이 웹 사이트에서 하늘의 모든 이전 스레드가 파란색인지 확인했지만 광자가 전자에서 산란하는 메커니즘을 제공하거나 Rayleigh 산란으로 대답하지 않습니다. 현재 공진 광자 주파수가 흡수되고 다시 방출된다는 것을 알고 있으며 라만 산란이 가능하다는 것을 알고 있습니다.
내 세 가지 질문은 다음과 같습니다.
- 산란 중에 광자와 전자는 어떻게됩니까? 흡수 및 재 방출? 그냥 '바운스'등?
- 원자의 에너지 수준이 이산 적이라면 왜 모든 주파수에서 산란이 발생할 수 있습니까?
- 더 높은 주파수 (청색광)가 다른 주파수보다 훨씬 더 많이 (freq ^ 4) 산란된다는 양자 설명은 무엇입니까?
대답 할 수있는 친절한 사람이 무거운 수학을 피하고 더 많은 물리적 설명 / 해석을 제공 할 수 있다면 대단히 감사하겠습니다.
답변
한 번에 모든 질문에 답하려고 노력할 것입니다. 고전적인 설명에서 EM 필드는 원자의 전기 쌍극자 모멘트에 결합되어 필드와 함께 진동하도록합니다. 필드에 빈도가있는 경우$\omega$, 진동 진폭 (따라서 산란파)은 요인에 따라 달라집니다. $(\omega - \omega_0)^{-1}$ 어느 정도 힘을 얻었습니다. $\omega_0$ 원자의 공명 주파수입니다.
이제 양자 설명에서 우리는 광자의 생성 / 소멸과 에너지 상태 사이의 점프 측면에서 모든 것을 분석합니다. 레일리 산란 (탄성 산란의 한 유형)의 경우 초기 및 최종 광자 에너지는 다음과 같습니다.$\hbar \omega$, 초기 및 최종 원자 에너지는 예를 들어 기저 상태 에너지와 동일합니다. $E_0$. 광자의 전파 방향에만 변화가 있습니다. 원자는 여전히 쌍극자 모멘트를 가지고 있지만 이제는 서로 다른 에너지의 원자 상태 사이 의 전이 와 관련이 있으므로 원자가 EM 장과 상호 작용할 때마다 상태 사이를 '점프'해야합니다. 이제 계산에서 수행하는 작업을 설명하겠습니다.
우리는 원자와 방사선 장의 산란, 초기 상태와 최종 상태에 대해 두 가지만 알고 있습니다. 처음에는 에너지와 함께 들어오는 광자가 있습니다.$\hbar\omega$ 및 방향 $\mathbf{k}$원자는 바닥 상태에 있습니다. 이제 세 가지 일이 발생할 수 있습니다.
- 광자는 원자에 흡수되어 (원자가 광자를 소멸) '가상 상태'(에너지를 보존 할 필요가 없기 때문에 '가상')라고하는 더 높은 에너지 상태로 점프하게합니다. 그런 다음 원자는 에너지와 함께 광자를 방출합니다 (원자가 광자를 생성 함).$\hbar \omega$ 및 방향 $\mathbf{k}'$ 바닥 상태로 돌아갑니다.
- 원자는 에너지와 함께 광자를 방출 (원자가 광자를 생성) $\hbar\omega$ 및 방향 $\mathbf{k}'$초기 광자가 여전히 들어오는 동안 가상 상태로 이동합니다. 그런 다음 원자는 들어오는 광자를 흡수하고 (원자가 광자를 소멸 함) 바닥 상태로 돌아갑니다.
- 원자는 들어오는 광자를 흡수하는 동시에 나가는 광자를 생성하고 (동시 생성과 소멸) 바닥 상태를 유지합니다.
모든 경우에 에너지는 항상 시작과 끝에서 보존되지만 반드시 중간에있는 것은 아닙니다. 초기 및 최종 상태에만 액세스 할 수 있기 때문에 문제가되지 않으며 그 사이에 발생한 일을 측정 할 수 없습니다. 이제 계산은 동일한 기반에서 세 가지 프로세스를 처리하므로 모두 방향이있는 최종 광자를 찾을 확률에 기여합니다.$\mathbf{k}'$ 에너지 $\hbar\omega$. 얻을 계산$\omega^4$ 약간 인위적이며 간단한 용어로 설명하는 방법을 찾을 수 없었지만 다시 원자와 필드의 상호 작용은 요인에 따라 달라집니다 $(\omega - \omega_0)^{-1}$, 계산이 끝나면 다음과 같은 기능인 횡단면을 얻게됩니다. $\omega^4$, 적어도 $\omega \ll \omega_0$.
따라서 원자는 시작과 끝에서 에너지를 보존해야하기 때문에 그 사이의 에너지 보존을 '위반'할 수 있으므로 모든 주파수의 광자와 상호 작용할 수 있습니다 (그러나 상호 작용은 $\omega$ 전환 주파수에 가깝습니다. $\omega_0$).
Rayleigh 산란의 경우 양자 산란에 대한 설명과 하늘이 파란색 인 이유를 요청합니다.
광자가 원자와 상호 작용할 때 다음 세 가지가 발생할 수 있습니다.
탄성 산란 (Rayleigh 산란 또는 예를 들어 거울 반사),이 경우 광자는 에너지 수준과 위상을 유지하고 각도를 변경합니다.
비탄성 산란 (재료 가열),이 경우 광자는 에너지의 일부를 원자에 제공하고 각도를 변경합니다.
흡수, 광자는 모든 에너지를 전자 / 원자 시스템에 제공하고 광자는 더 이상 존재하지 않습니다.
이제 하늘의 푸른 빛의 주된 원인 인 레일리 산란은 탄성 산란입니다. 광자는 흡수되지 않고 존재하지 않습니다. 광자는 에너지 수준을 유지하고 각도를 변경합니다.
"산란하는 동안 광자와 전자는 어떻게됩니까? 흡수되고 재 방출됩니까? 그냥 '바운스'됩니다 '등?"
탄성 산란 인 레일리 산란의 경우 흡수되지 않고 존재하지 않습니다. 광자를 작은 당구 공으로 상상할 수는 없지만 어떤 의미에서는 당신이 말하는 것처럼 그냥 "튀어 나온다".
"원자의 에너지 수준이 이산 적이라면 왜 모든 주파수에서 산란이 발생할 수 있습니까?"
이제 흡수의 경우, 당신이 맞습니다. descreteness 에너지 준위 (원자 / 분자)는 우리가 실험에서 볼 수있는 양자 역학적 현상을 일으 킵니다. 광자가 흡수 되려면 광자의 에너지가 일치해야합니다. ) 원자 / 전자 시스템의 특정 에너지 수준 사이의 에너지 갭. 이제 이것은 탄성 산란의 경우가 아닙니다. 이제 탄성 산란의 경우 산란 이벤트의 확률은 광자의 파장과 원자 / 분자의 크기 사이의 관계에 훨씬 더 많이 의존합니다.
레일리 산란은 파장에 따라 달라지며 청색광이 가장 많이 산란됩니다. 그것은 우리가 태양으로부터 멀어지는 방향에서 오는 빛이 청색을 향해 가중 된 스펙트럼을 가지고 있음을 의미합니다.
하늘색과 태양은 왜 노란색입니까?
당신은 "더 높은 주파수 (청색광)가 다른 주파수보다 훨씬 더 많이 (freq ^ 4) 산란된다는 양자 적 설명은 무엇입니까?"
그리고 우리는 산란이라는 아름다운 QM 현상에 도달했습니다. 여기서 광자의 파장과 원자 / 분자의 크기 사이의 관계가 가장 중요합니다. 레일리 산란의 경우 원자 / 분자 크기는 광자의 파장보다 훨씬 작습니다.
방사선의 파장보다 훨씬 작은 입자에 의한 빛 또는 기타 전자기 방사선의 주로 탄성 산란입니다. 산란 (~ λ-4)의 강한 파장 의존성은 더 짧은 (파란색) 파장이 더 긴 (적색) 파장보다 더 강하게 산란된다는 것을 의미합니다.
https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering
이제 원자 / 분자의 크기가 우리가 말하는 광자의 파장보다 훨씬 작기 때문에 (귀하의 경우에는 볼 수 있음), 더 작은 (짧은) 파장의 광자가 더 오래 산란되어 하늘의 파란색이 나타납니다.