¿La energía de un fotón es continua/discreta?

Question

Hoy he estado luchando con esta pregunta: ¿tiene un fotón libre un espectro energético continuo?

Libre significa en ningún contexto de cualquier sistema de energía (por ejemplo, un átomo, campo em). Aunque me pregunto si la cuantización del campo electromagnético es omnipresente y siempre hará que la energía sea discreta?

Edición: Esto me lleva también a la pregunta: si tenemos 2 niveles de energía (como en el hidrógeno: estado básico y primer excitado) el principio de incertidumbre nos dice, que la energía no está definida exactamente: $\Delta E\Delta t \ge \hbar$ . Por lo tanto la energía final del fotón emitido no tendrá una energía discreta, ya que sería algo así como $E_{photon} = E_{0} + \Delta E$ ¡?!

Answer 1

Fotones que vienen de los cambios en el nivel de energía de un electrón en un estado ligado (átomo, molécula, red) vienen en cortes de energía discretos.

espectro de emisión del hierro

Los fotones procedentes de la radiación emitida por las partículas cargadas en aceleración o desaceleración vienen en un espectro continuo. Radiación Bremsstrahlung

Espectro de los rayos X emitidos por un tubo de rayos X con un blanco de rodio, operado a 60 kV. La curva continua se debe al bremsstrahlung, y los picos son líneas K características del rodio. La curva llega a cero a las 21 pm, de acuerdo con la ley de Duane-Hunt, como se describe en el texto.

o la radiación de sincrotrón.

Distribución de frecuencia de la energía radiada

La radiación de cuerpo negro que emiten todos los cuerpos de materia es análogamente una transisión de energía cinética en energía electromagnética en el, a todos los efectos, espectro continuo de las soluciones del estado de la materia los campos colectivos.

No olvides que la energía de un fotón =h*nu, donde nu es la frecuencia.

Answer 2

Una partícula libre (fotón, electrón, etc.) no está restringida a niveles de energía discretos. Su longitud de onda y, por tanto, su energía, pueden tomar cualquier valor. Una onda plana, con cualquier longitud de onda que se elija, puede satisfacer la ecuación de Schrodinger para una sola partícula libre.

Una partícula libre no tiene por qué tener una energía única y precisa. Por ejemplo, un paquete de ondas (una onda cuántica que se desplaza como una bola de gas) en el espacio libre tiene un rango de energías.

Una partícula que está confinada tendrá niveles de energía discretos. Por ejemplo, un electrón en órbita alrededor de un núcleo.

Así que mecánica cuántica no siempre significa que la energía o cualquier otra propiedad esté "cuantificada".

Answer 3

Hay varias cosas en juego aquí.

1. Un fotón emitido como resultado de una transición de electrones entre dos orbitales bien definidos tiene en principio un estado bien definido
2. Sin embargo, el principio de incertidumbre limita lo bien que ese estado puede ser conocido. Has demostrado estar familiarizado con la formulación energía-tiempo del principio de incertidumbre; una transición entre dos estados de corta duración tendrá una dispersión correspondientemente mayor en su energía / longitud de onda / frecuencia
3. Hay otros procesos físicos además de las emisiones atómicas que dan lugar a fotones energéticos - en principio, cualquier energía está disponible para esos fotones (aunque, como puedes ver en la respuesta de Anna, algunas energías son más probables que otras, dependiendo del proceso)
4. El desplazamiento Doppler puede confundir aún más la imagen: las emisiones en un gas caliente pueden desplazar las emisiones (líneas espectrales) en gran medida - este ensanchamiento espectral puede utilizarse para estimar la temperatura de un gas
5. Los gases sometidos a alta presión (piense en las lámparas de descarga de alta presión - las farolas "amarillo-blanco" de antaño) tienen un ensanchamiento espectral adicional debido a la tasa de colisiones entre ellos - el tiempo entre colisiones se hace tan corto que afecta a los estados de energía como $\Delta t$ se vuelve realmente pequeño.

Por lo tanto, no es una respuesta simple "sí/no" a su pregunta, pero espero que lo anterior ayude al menos un poco.