Enerji neden paketler şeklinde gelir?
Fotonlar, sürekli yük salınımı ile salınan enerji paketleridir.
Ama bununla ilgili bazı sorularım var.
Yana elektronlar salınmaya düzenli ederken orbitalleri arasındaki geçiş yapan daha sonra neden enerji şeklinde salınır paketler ve sürekli olarak değil dalgalar halinde? Elektronlar tarafından salınan enerjideki bu süreksizliğe ne sebep olur ?
Fiziksel bir muhakeme, matematiksel bir muhakemeden daha çok takdir edilecektir.
Not : Sürekli kelimesi ile , iki ardışık fotonun emisyonları arasında zaman boşluğuna sahip olduğu, dalgaların ise hiçbir boşluk olmadan sürekli olarak üretildiği gerçeğinden bahsediyorum.
Yanıtlar
Fotonlar , çok başarılı kuantum alan teorisi standart modelinde kuantum mekaniksel temel parçacıklardır . Tabloda bakarsak, bunlar elektron ile eşit ve tek tek fotonlar olan nokta parçacıklar , değil dalgalar herhangi uzayda. Matematiksel karmaşık değer dalga fonksiyonu nedir dalgalar$Ψ$, ölçülebilir tek tahmini uzayda (x, y, z, t) 'de bir foton bulma olasılığı olan , gerçek sayıya eşit$Ψ^*Ψ$ .
Çizdiğiniz şey (önceki versiyonda), kuantum alan teorisinde bir dalga paketi olarak ücretsiz bir fotonun tanımıydı ve bu bir uzay ve zaman dalgası dalga paketi değil , bir olasılık dalgası paketidir .
Düzenli veya sürekli salındıkları için enerji neden paketler şeklinde salınır?
Önerme yanlış. Tek tek fotonlar salınmaz, bu deneyi bir seferde tek fotonlarla görün . Öyle olasılık bunu bu gidip ölçüm.
Açığa çıkan enerjide bu süreksizliğe ne sebep olur?
onu taşıyan tek bir parçacık olduğu gerçeği.
Bu fotonların her biri arasındaki zaman aralığını (onları paket olarak söylediğimizde var olması gerekir), çok küçük olsa bile hesaplayabilir miyiz?
Kuantum mekaniğinde hesaplanabilen her şey olasılıklıdır. Kaynağa, bir atom veya yavaşlayan bir elektron veya başka bir yüklü parçacık olup olmadığına bağlı olarak hesaplanabilir bir olasılık olacaktır.
Bir fotonun enerjisi olduğu gibi $hν$ nerede $ν$Binlerce fotonun biriktirdiği klasik dalganın frekansıdır (yukarıdaki tek fotonların bağlantısına bakın) ve h çok küçük bir sayıdır, sıradan elektromanyetik dalgalar, ışık, kuantum elektrodinamiğiyle hesaplanabilen bir şekilde zilyonlarca fotondan ortaya çıkar.
Elektronlar düzenli olarak salındığına göre, neden enerji sürekli olarak dalga şeklinde değil de paketler şeklinde salınıyor? Elektronlar tarafından salınan enerjideki bu süreksizliğe ne sebep olur?
Sabit momentumlu serbest elektronlar salınım yapmaz. Dalga fonksiyonuyla bağlantılı olarak onları (x, y, z, t) 'de bulma olasılığı sinüzoidal davranışa sahiptir.
Bazı alanlarda yavaşlayan elektronlar, fotonları , yani varoluşları ile enerjiyi alan temel parçacıkları yayarlar .
Atomlar bağlanmış elektronlar yok düzenli salınım. Spesifik kuantum sayıları ile belirli enerji seviyelerinde orbitallerde kuantum mekanik olarak bağlanırlar. Bir hidrojendeki elektronlar için basit orbitallere bakın .
Aslında süreksizlik, atomların spektrumları, kuantum mekaniğinin icat edilmesinin temel nedenlerinden biridir. Bu cevabıma bakın .
Doğru cevap, kimsenin nedenini bilmemesidir. Sadece nasıl olduğunu biliyoruz.
Demek istediğim, deneysel sayıları tahmin etmek için doğru yöntemlerimiz var. Örneğin, kuantum kimyasında olduğu gibi dalga denklemlerini gelişmiş yöntemlerle çözebilir ve QED ışınım düzeltmelerini ekleyebiliriz.
Bildiğimiz Yani nasıl ama neden davranışlarından, bu yüzden çok doğru denklemler hesap dalga ve ayrık parçacıklar .
Kartlarımızı masaya yatırmamızın ve öğrencilerin QM'yi tam olarak anladığımızı düşünecek şekilde eğitilmemesinin önemli olduğunu düşünüyorum.
Kısa cevap: Foton emisyonu, frekanslarının süreksiz olacağı anlamına gelmez, enerjilerinin ayrık olacağı anlamına gelmez. $E=\hbar \omega$Planck ilişkisi. Tanıma göre fotonlar, frekansı tarafından verilen enerjiye sahip bir nesnedir, dolayısıyla ayrık olmaları zorunludur.
Uzun olan: Temelde fotonlar (kütlesiz dönüş$1$ parçacık) kuantum alanı tarafından verilir $$A_{\mu}(x)=\int \frac{d^3p}{(2\pi)^3}\frac{1}{\sqrt{2\omega_p}}\sum_{j=1}^2(\epsilon_{\mu}^{i}(p)a_{p,i}e^{-ipx}+\epsilon_{\mu}^{i*}(p)a_{p,i}^{\dagger}e^{ipx})$$ Yani ne zaman bir yerde bir fotonumuz olsa, onun eylemi tarafından yaratıldığından emin oluruz. $a^{\dagger}$ vakumda $ |0\rangle$ bu nedenle ayrık olması zorunludur, ancak $e^-,e^+,p^+$ veya başka herhangi bir uygulanabilir süreç, güçlü ifade.
İvme ile foton üretimi örneğiniz$*$ nın-nin $e^-$Bremsstrahlung , Cyclotron radyasyonu , Senkrotron radyasyonu gibi birçok fenomende görülür . Aşırı basitleştirme riski altında, tüm bu süreçler şu şekilde temsil edilebilir:
Böylece, bizim tanımımız nedeniyle bir fotonun ayrık olmaya mahkum olduğunu görebilirsiniz. Klasik Elektrodinamikte, kaba taneciklenme nedeniyle, fotonları bir süreklilik veya EM dalgaları olarak alırız. Birim zamanda o kadar çok sayıda bombardımana tutuluyorlar ki, ihtiyatlılığı dikkate almamıza gerek yok.
Elektronların yörüngeler veya bant yapısı arasında geçişi sırasında fotonların ayrıklığına gelince. Sadece elektronlar gerekli enerji geçişini yaparsa var olabilirler, örn. LED, bağlı elektronun hidrojen spektrumunu üretmek için yalnızca ayrık enerjiye sahip olduğundan, ayrık frekansı elde etmemiz gerekiyor.
Ancak diğer zamanlarda termal emisyon / siyah cisim radyasyonu, yayılan fotonun frekansı bir sürekliliktir, bu nedenle burada yalnızca enerji ayrıştırılır.
Çıkarım: İlk durumda hem enerji hem de frekans ayrıklaştırılırken, ikinci durumda yalnızca enerji ayrıklaştırılır, bu nedenle foton enerjisini ve frekansını kaydeden bir sayaç koyarsanız, yoğunluğunuz çok yüksek olmadığı sürece tamsayılar halinde tıklama almanız kaçınılmazdır (hayır QM ihtiyacı) çünkü foton tanımımızdan dolayı aynı zamanda ilki için de sadece tek tek fotonların enerjisi frekansla ilişkili olmayacak, aynı zamanda frekans adım adım gelecekken, sonraki fotonlarda karakteristik enerjiye sahip olacak ancak frekans süreklilikte olacaktır.
$*$ QM'de ivme tanımlanmamıştır.
Sen yaz:
Orbitaller arasında geçiş yaparken elektronlar düzenli olarak salındığına göre, neden enerji sürekli olarak dalga şeklinde değil de paketler şeklinde salınıyor?
Kuantum mekaniğine yol açan nedenin tam olarak bu olduğunu düşünüyorum. Elektronlar, daha az enerjili bir yörüngeye giderken radyasyon yayarsa, süreci klasik elektromanyetik bir yolla izliyorsunuz demektir. Elektron, atomun çekirdeğine doğru spiral olarak aşağıya inerken, sürekli olarak elektromanyetik dalgalar ( artan frekansla Bremmstrahlung ) yayar ve içine çarpana kadar.
Açıkçası, durum bu değil. Atomlar kararlı konfigürasyonlardır. Bir atomdaki elektronlar yalnızca atomun yörüngelerinde bulunabilir ve aralarında (veya bunların normalleştirilmiş doğrusal kombinasyonunda) hiçbir (öz) durum bulunmaz.
Bir elektron daha düşük enerjili bir yörüngeye geri düştüğünde, bu, elektronun radyasyon yayarken daha düşük enerji seviyesine spirallenmesiyle ilerlemiyor. Söylendiği gibi, elektronun daha fazla düşmesini ne durdurur? Neredeyse anlık bir olayda olur.
Örneğin, yüksek enerjili bir orbitaldeki elektron (ilişkili öz-orbitalde). Sürekli bremsstrahlung (frekansı artmaktadır) yayarken sürekli bir şekilde daha düşük bir yörüngeye inmez, ancak örneğin, birlikte iki yörünge arasındaki enerji farkına sahip olan bir, iki veya daha fazla foton yayarak.
Fotonlar, bir dizi frekansa sahip dalga paketleri olarak yayılır, bu yüzden iyi tanımlanmış bir enerjileri yoktur. Ancak, sonlu bir uzay parçasını işgal ettikleri için orbitaller de yoktur, bu nedenle Heisenberg'in belirsizlik ilişkileri nedeniyle, elektronun momentumunda da (dolayısıyla enerjide) bir belirsizlik vardır. Yani ortalama değerlerden bahsediyoruz.
Sonuç olarak: Elektronlar çekirdeğe doğru sürekli olarak spiral yapmazlar çünkü bu durumda atomlar var olamazdı. Ve dünya çok farklı görünürdü! Kuantum mekaniği kurtarmaya geldi.
Belki bu soruyu ve cevaplarını beğenirsiniz.