¿Qué hace un fotón emitido por un átomo como el "look"?

Question

Considere la posibilidad de la emisión de un fotón cuando un átomo se desintegra de un estado excitado a su estado fundamental. En la mayoría de los casos, este fotón emitido es representado como una pequeña ola-paquete de ser expulsados por el átomo en una dirección definida. Sin embargo, la óptica cuántica nos dicen que los fotones son esencialmente asociados con la amplitud de la onda plana modos de la formación de un campo electromagnético. Por lo tanto, la pequeña ola de paquete de la representación parece bastante sospechoso...

¿Qué hace el fotón emitido realmente "look" como entonces ?

Suponiendo que el fotón emitido tiene un correspondiente longitud de onda mucho mayores que el tamaño del átomo, el átomo esencialmente, debe comportarse como un pequeño dipolo eléctrico. Por lo tanto, teniendo en cuenta toda la vida de ampliación, a mí me parece que el fotón debe propagar lejos del átomo como un pulso bipolar de emisión. Es esto correcto ?

Answer 1

@G. Smith es absolutamente correcto de la escritura

Pero todo el mundo tiene su propia idea de lo que es "realmente" ocurre en la mecánica cuántica.

Así que voy a añadir mi moneda de diez centavos. En realidad, yo no quería hablar acerca de lo que es realmente sucediendo. Más bien, acerca de cómo la mecánica cuántica describe un fotón. Es tiene algunas peculiaridades, derivadas de su fuga en masa. Pero aparte que un fotón tiene un estado, el cual será diferente de acuerdo a cómo fue emitida, desde donde, y así sucesivamente.

Si consideramos el caso habitual de un átomo en un estado excitado que emite un fotón por saltar a un estado de energía inferior, más a menudo será un eléctrico del dipolo de transición y el fotón tiene una el estado de la clase @Andrew Steane representado. Lo que quiero enfatizar es que en tal estado el fotón tiene un impulso vector totalmente indeterminado en cuanto a su dirección, incluso a pesar de que la probabilidad no es el misma en todas las direcciones, siendo máxima en el plano ecuatorial y el cero en los polos.

Por el contrario impulso magnitud está muy bien definido, como la energía (para un fotón $E=cp$). No exactamente definida, sin embargo. Como ya se ha comentó fotones de estado no es una fija, pero con un tiempo de la dependencia, a decir de manera exponencial en descomposición. La traducción en la frecuencia de energía de dominio, la energía del fotón tiene una de Lorenz se extendió alrededor de un valor promedio, por lo general, pequeñas atómica transiciones.

Pero las cosas extrañas que a veces puede suceder, por ejemplo, quantum beats(ver artículo de wikipedia "quantum beats"). Si el átomo era preparared en un superposición de dos estados vecinos, cuando decae, se emite un fotón en una superposición de energía diferente autoestados. Este estado exhibe una oscilación de comportamiento, revelado por un oscilante probabilidad de detección en diferentes momentos. (Por supuesto, esto no se puede cant visto lo cual significa un solo átomo. Un conjunto de átomos debe ser preparada en el mismo estado en el mismo tiempo).

Así que no es una cuestión de gustos en la descripción de un fotón. Es que - como todo sistema cuántico - puede ser revelado a través de diferentes aparatos de medición de las diferentes variables observables. E. g. si el detector es un CCD o similares, vamos a estar midiendo fotones posición. Si se envía en una rejilla de su número de onda (es decir, su energía) se mide y así sucesivamente. Este es QM.

Answer 2

Buena pregunta! Mi respuesta es la misma que la G. Smith, pero le da un poco más de información sobre el temporal de parte. En primer lugar voy a resumir las observaciones experimentales, a continuación, compartir lo que esta imagen me sugiere.

En primer lugar, vamos a estar de acuerdo en que tenemos un átomo que es preparado cada vez que en el mismo específicos del estado excitado, con una bien definida $z$ eje (impuesta por un pequeño campo magnético aplicado), y colocamos detectores de fotones en varios lugares, espere un clic (como la llegada de fotones) y, a continuación, repita. Observamos la siguiente:

1. La detección de los fotones de tiempo después de cada preparación se distribuye con un decaimiento exponencial de la distribución, con una constante de tiempo dada por el natural curso de la vida de la atómica estado excitado.

2. La distribución espacial es el dipolo de emisión de patrón, como las ondas de una antena. Es decir, en su mayoría por al lado de un anillo en forma de patrón.

Cada fotón puede ser dicho para ser una excitación de un modo o de recolección de los modos del campo electromagnético, donde por un modo , nos referimos a una distribución en el espacio y el tiempo. Las observaciones anteriores nos dicen la distribución espacial y temporal de la forma de los modos que intervienen en la emisión de fotones de un átomo (y esto está de acuerdo con las predicciones de la teoría cuántica). Así que en lugar de el pequeño paquete de ondas que usted menciona, me encuentro a mí mismo imaginando una onda electromagnética que rodea el átomo, en este dipolo patrón, que oscila a la frecuencia de emisión, con una amplitud en la fuente (el átomo) que decae exponencialmente con el tiempo.

Sin embargo, como G. Smith dice, puede que si te gusta abandonar esta ola de imagen y simplemente optar por una partícula que va de un lugar a otro en línea recta, y la matemática de la onda (la forma de la modalidad), cuando se eleva al cuadrado, cuenta la distribución de probabilidad sobre las direcciones y en el tiempo.

En resumen, mi respuesta dice que su propia intuición estaba en lo correcto. La única cosa que me gustaría modificar en su pregunta es la estrecha relación entre la palabra "fotones" y la palabra "de onda plana". Las ondas planas son sólo una manera de descomponer el campo (una si te gusta). Cuando decimos "un fotón" por lo general significa que la expectativa de valor del número de operador es 1, pero esto solo excitación puede ser distribuido a través de múltiples modos en una superposición.

Answer 3

El fotón que sale con una dirección y una polarización que tienen una determinada distribución de probabilidad. La tasa de emisión espontánea por ángulo sólido como el átomo de transiciones desde el estado inicial $i$ a final del estado de $f$ es

$$\frac{dw_{if}}{d\Omega}=\frac{\alpha\omega_{if}^3}{2\pi c^2}\sum_{j=1,2}|\vec{\epsilon}_j\cdot\vec{d}_{if}|^2$$

donde $\alpha$ es la constante de estructura fina, $\omega_{if}$ es la frecuencia de la transición, $c$ es la velocidad de la luz, $\vec{\epsilon}_j$ son dos de polarización ortogonal vectores unitarios perpendiculares a la dirección de la emisión, y $\vec{d}_{if}$ es el elemento de la matriz del momento dipolar entre el estado inicial $i$ y el estado final $f$.

La dependencia de la dirección y la polarización es, probablemente, en consonancia con el flujo de la energía y el impulso de un clásico dipolo eléctrico oscilante, pero yo no lo he comprobado.

Creo que el fotón emitido como un punto de partículas (pero con un vector de polarización) que viaja en línea recta desde el átomo al dispositivo de medición. Es simplemente más probabilidades de salir en algunas direcciones que en otras, y a preferir ciertas polarizaciones. Pero todo el mundo tiene su propia idea de lo que es "realmente" ocurre en la mecánica cuántica.

Answer 4

Creo que autoestados del Hamiltoniano libre (los "fotones" cuya energía está cuantizada) pueden ser ondas planas $|\,\vec{k}\,\rangle$, como usted dijo. Pero aquí el saliente estado es también un momento angular eigenstate por lo que la base correcta es la esférica ondas $|klm\rangle$. Aunque estas ondas son esféricos y salir en todas las direcciones, cuando se detecta este fotón en una pantalla, se derrumba aproximadamente a una energía eigenstate.

(En general, sin embargo, es posible que el saliente puede ser una superposición de estados con diferentes frecuencias e incluso diferentes números de fotones, siempre y cuando estos estados son consistentes con el estado final de los fotones. La propagación de la frecuencia podría venir desde el impulso de la incertidumbre en el átomo.)