Puede que el efecto fotoeléctrico se explica sin los fotones?

Question

Cordero de 1969, los estados,

Una idea errónea de que la mayoría de los físicos adquieren en sus primeros años de formación es que el efecto fotoeléctrico se requiere la cuantización del campo electromagnético para su explicación. [...] De hecho, veremos que el efecto fotoeléctrico puede ser completamente explicado sin invocar el concepto de "quanta de luz."

El documento ofrece una descripción en la que un átomo ionizado es por la luz, con el átomo de ser tratados cuántica-mecánicamente, pero la luz que está siendo tratada como un clásico de la onda.

Es cierto que todos los tratamientos estándar en los libros de texto están recibiendo esta mal?

Cordero y Scully "El efecto fotoeléctrico sin fotones", en "la Polarización, la Matière et Rayonnement," Volumen en Honor de A. Kastler (Presses Universitaires de France, París, 1969), se pueden encontrar en línea por google

Answer 1

Sí,el efecto fotoeléctrico puede ser explicado sin fotones!

Uno puede leer en

L. Mandel y E. Wolf, De Coherencia óptica y Óptica Cuántica, Cambridge University Press, 1995,

un estándar de referencia para la óptica cuántica. Las secciones 9.1-9.5 muestran que el electrón campo responde a una clásica externa de radiación electromagnética campo mediante la emisión de electrones según Poisson-la ley de las probabilidades, muy mucho como que interpretado por Einstein en términos de partículas de luz. Por lo tanto la cuántica del detector produce discretos de Poisson distribuido clics, aunque la fuente es completamente continuo, y no hay fotones a todos en la mecánica cuántica modelo. El espacio de estado de este sistema cuántico consta de multi-electrón solo a los estados. Así que aquí la multi-electrón sistema (seguido por un macroscópicas de la decoherencia proceso que conduce a la varios punto de localización de la emisión de electrones de campo) es responsable para la creación de la trama. Esto demuestra que los clics no ser tomado como una prueba de la existencia de los fotones.

Una interesante colección de artículos que explican los diferentes puntos de vista actuales en

The Nature of Light: What Is a Photon?
Optics and Photonics News, October 2003
http://www.osa-opn.org/Content/ViewFile.aspx?Id=3185

Además de la discusión se da en la entrada "El efecto fotoeléctrico" de mi física teórica de preguntas frecuentes en la http://www.mat.univie.ac.at/~neum/physfaq/physics-faq.html . Ver también las diapositivas de mis conferencias http://www.mat.univie.ac.at/~neum/ms/lightslides.pdfy http://www.mat.univie.ac.at/~neum/ms/optslides.pdf .

QED y los fotones son, por supuesto, necesaria para explicar especial que los efectos cuánticos de la luz revelada en los experimentos modernos, pero no para el efecto fotoeléctrico.

Answer 2

El Cordero-Scully papel es un buen ejemplo de cómo incluso un ganador del Premio Nobel, en ocasiones, pueden escribir un mal papel.

El contexto histórico es importante. Einstein la hipótesis de que el fotón en 1905, pero su papel se adelantó a su tiempo y no fue ampliamente aceptado. Durante décadas después, incluso una vez que la mecánica cuántica de la naturaleza del átomo fue asumida por todos los físicos, la mecánica cuántica de la naturaleza de la luz fue considerado sospechoso. Bohr fue influyente en la empujando una teoría en la que los átomos estaban cuantificadas, pero la luz se absorbe y emite era clásica. Cordero comenzó su carrera durante esta época.

Si usted lee el Cordero-Scully papel, la primera cosa que usted notará es que ellos afirman explícitamente que los fotones son absolutamente necesarias en orden a explicar fenómenos tales como la radiación de cuerpo negro, la dispersión de Compton, emisión espontánea, y el Cordero de turno. Internet kooks que están tratando de comilla de Cordero y Scully como autoridades en contra de la cuantización de la luz están muy lejos de la base.

Como en Bohr a la vieja usanza de callejón sin salida, a continuación, tratar el átomo como un quantum-sistema mecánico y el campo electromagnético como un clásico. Ellos son capaces de reproducir la relación de Einstein $E=hf-W$, donde $E$ es la energía máxima de los electrones una vez que se sale del cátodo, $h$ es la mecánica cuántica la constante de Planck, $f$ es la frecuencia de la luz, y $W$ es la energía necesaria para que el electrón escape a través de la superficie del cátodo. Esto no es particularmente sorprendente o impresionante en una degenerada cuántica/clásicos de cálculo como este; esencialmente se dice que la onda de luz tiene que tener la energía tomada de la misma en una frecuencia de resonancia del átomo, que la frecuencia tiene que coincidir con su propia frecuencia.

También muestran que la tasa de transición es distinto de cero, incluso cuando la luz se enciende por primera vez, diciendo que su resultado "ciertamente no implica el "tiempo de retardo", que algunas personas utilizan para esperar por los fotoelectrones producidos por una clásica e.m. campo." Este resultado no es tan impresionante como lo hacen sonido, desde los clásicos de predicción es lo que uno espera de un clásico de onda de luz que incide sobre la clásica átomos.

De hecho, la tasa de transición que se derivan muestra el verdadero problema con su cálculo. Para su cálculo se trata cada átomo como independiente de todos los otros átomos. Por lo tanto, si un clásico flash de luz con energía $W$ ilumina el cátodo, se puede ionizar más de un átomo, la violación de la conservación de la energía. Esto no físico resultado muestra lo contrario de lo que afirman; es muestra de que su mixtos cuántico-clásica de Frankenstein no puede proporcionar una físicamente aceptable explicación del efecto fotoeléctrico. Lo que realmente necesitan es una mecánica cuántica enredo entre las diferentes partes de los fotones del paquete de ondas, de modo que si el fotón se observa en el átomo, es la garantía de que no se observó en el átomo B. Sin esta mecánica cuántica "espeluznante acción a distancia", su teoría viola la conservación de la energía.

Este problema fue reconocido desde muy temprano en el desarrollo de la "vieja" de la teoría cuántica, y llevó a la Bohr-Kramers-Slater (BKS) de la teoría, en la que la energía y el impulso se conjetura que debe ser conservado sólo sobre una base estadística. Experimentos tan pronto como Bothe 1925 falsificó el BKS de la teoría al demostrar que cuando los rayos x fueron emitidos en una onda esférica en dos semiesférica de los detectores, los dos detectores fueron completamente anticorrelated.

Un moderno discusión de estos temas está dada por Greenstein de 2005. En la sección 2.1, se presenta por primera vez un resumen de las bodas del Cordero-Scully argumento, y luego de discutir la verificación experimental de la existencia de la anticorrelations a fin de mantener la conservación de la energía (Grangier 1986). El hecho de que este anticorrelation no fue correctamente observada con luz visible, hasta 1986, fue debido a limitaciones técnicas en la capacidad de producir fuentes de luz que se autoestados de número de fotones. Sin embargo, el equivalente anticorrelation resultado de los rayos x, ya había sido demostrado por Bothe en 1925.

Uno podría, por tanto, argumentar que las observaciones del efecto fotoeléctrico, no fueron suficientes para establecer la existencia de los fotones sin la verificación adicional de anticorrelations algunos años más tarde. Este sería erróneo, sin embargo. Desde el punto de vista de los físicos de la lectura de Einstein de 1905 papel, antes de la mecánica cuántica de la naturaleza del átomo se había establecido, en un modelo híbrido, como el Cordero o el BKS teoría no estaba disponible, y por lo tanto el efecto fotoeléctrico realmente requieren de cuantización de la luz. Uno podría argumentar que, en el contexto histórico de la época de 1913 (el modelo Bohr) 1925 (Bothe), no era viable BKS teoría de que evitar la cuantización del campo electromagnético, pero esto es extremadamente engañoso que los autores modernos, como el Cordero no admitir que nonconservation de la energía era un ingrediente.

Surgen problemas similares si uno intenta construir una teoría coherente en el que el campo gravitatorio simplemente no está cuantificada, a diferencia de las otras fuerzas fundamentales (Carlip 2008).

Bothe y Geiger, "Experimentelles zur Theorie von Bohr, Kramers y Slater," Die Naturwissenschaften 13 (1925) 440. El experimento que se describe en Bothe de 1954 el Premio Nobel de la conferencia.

Carlip, "Es la gravedad cuántica es necesario?," http://arxiv.org/abs/0803.3456

Grangier, Roger, y Aspecto, "la evidencia Experimental para un fotón anticorrelation efecto en un beamsplitter," Europhys. Lett. 1 (1986) 173 -- se pueden encontrar en línea por google

Greenstein y Zajonc, "El quantum reto: la investigación moderna sobre los fundamentos de la mecánica cuántica," Jones and Bartlett, 2005.

Answer 3

Sí, los libros de texto que están recibiendo muy mal.

La narrativa común en estas cosas es mejor resumida por el "tres clavos en el ataúd" enfoque: el cuerpo muerto siendo la teoría ondulatoria de la luz, y los tres clavos de ser el espectro de cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico y el efecto Compton. Cualesquiera que sean las dificultades de la teoría de la onda puede tener o no tener con modernos anti-experimentos de correlación, están completamente equivocados en los argumentos que se presentan para rechazar la teoría de la onda sobre la base de los "tres clavos".

La razón de que los libros de texto, y los físicos en aquellos días, aceptado esos malos argumentos es que hasta 1926 no era viable la teoría que permitió a la gente a hacer la ola en ola cálculos. Una vez Schroedinger descubrió las ecuaciones de onda, explicaciones claras estaban disponibles para todos los tres fenómenos. Voy a describir brevemente aquí.

En primer lugar, el efecto fotoeléctrico. Incluso hoy en día los modernos libros de texto mucho de la frecuencia umbral, como si fueran inexplicable por el clásico de las olas. La teoría de Schroedinger hizo inmediatamente evidente que los estados de los diferentes enery niveles están acoplados sólo cuando es excitado por las frecuencias correspondientes a la diferencia en los niveles. Sin embargo, los libros de texto siguen profesan bafflement en el efecto de frecuencia.

El otro error flagrante de los libros de texto es en el uso de la física de la sección transversal de un solo átomo para calcular la sección transversal de absorción. Incluso Scully es culpable de esto en un papel tan recientes como el de 2002 (si recuerdo el año). La física de la sección transversal es completamente equivocado incluso en la teoría de antenas; si esto fuera cierto, la radio de cristal nunca podría reunir suficiente energía para conducir, incluso en el más pequeño de los auriculares. Lo explico en mi publicación de blog sobre el radio de cristal. (Y no creo que nadie quiere discutir que usted necesita fotones para explicar la radio de cristal.)

Segundo, el Efecto Compton. Cuando me di cuenta de un semi-clásica explicación del Efecto Compton, yo pensaba que iba a ganar el Premio Nobel. Así que me sentí decepcionado al encontrar que Schroedinger había publicado exactamente la misma explicación que en 1927. Usted toma la luz y los electrones en un centro de masa del sistema, y que tenga en cuenta el sistema en el punto medio de la interacción...cuando el electrón está en una superposición de estados, la mitad de mover a la izquierda, y de la mitad hacia la derecha. Usted puede ver de inmediato que esta superposición de conjuntos de capas de carga igualmente espaciados a una distancia de 1/2-lambda, creando una perfecta red de difracción por reflexión total.

Por supuesto Compton no podía haber llegado con esta explicación, ya que él no sabía sobre ondas de electrones. Su "prueba" desacreditar la teoría ondulatoria de la luz del tratado de la electon como una pequeña cargada pelota de ping-pong.

Finalmente, el cuerpo negro espectro es un caso interesante. Extrañamente bastante, se sabe que Planck de la Ley debe prevalecer incluso si el electromagnetismo no existe, como se ejemplifica por la baja de temperatura calor específico de los sólidos. La desviación de la ley de Dulong y Petit fue (creo) reconocido por Einstein en 1905 papel. Pero es difícil argumentar que es causada por el "fotones". Seguramente debemos creer que la supresión de la alta frecuencia de los modos es una consecuencia mecánica de la Ecuación de Schroedinger.

Y si eso es así, entonces no hay necesidad de invocar "fotones" a la explicación de la extensión de la Ley de Planck para la radiación electromagnética, debido a una cuidadosa clásico argumento demuestra que la energía por modo y en cualquier frecuencia dada de la clásica e-m debe ser igual a la energía por modo de la mecánica de los osciladores en esa misma frecuencia. Me muestran cómo este cálculo funciona en una serie de artículos que culmina aquí.

En buena medida, yo también muestran de forma explícita en una posterior serie de entradas de blog que el de Copenhague "salto cuántico" entre los autoestados da el mismo campo de radiación como la de Schroedinger continua modelo de transición con los átomos que se irradia semi-clásico.

Gracias a Helder Vélez para marcar algunos de mis artículos. Sí, yo soy el kook identificados como tales por Ben Crowell, así que siéntase libre de ignorar mi post.

Answer 4

No estoy de acuerdo con OP en que no tienen en cuenta la conservación de la energía como un error fatal.

Si uno deja de $t\to\infty$ en el perturbativa calcualtion, uno se pone una buena función delta de $\delta(\epsilon_f-\epsilon_i-\manejadores\omega)$ pero en tal caso el externo de suministro de energía es infinita y no significativas de conservación de la energía argumento puede formularse, por lo que supongo que el OP debe estar hablando de lo finito en el tiempo de resultado, así que vamos a centrarnos en esto.

Siguientes OP argumento, en realidad no necesitamos ni dos átomos de ver la energía no se "conserva", un átomo es suficiente. El resultado de la perturbación armónica da la probabilidad de transición desde el estado del suelo $|g\rangle$ a la kth salir del estado $|k\rangle$ como(citando Cordero&Scully ecuación (13))

$4\left|\frac{\langle k|\sombrero x|g\rangle E_0}{\manejadores}\right|^2\frac{\sin^2\{(\epsilon_k\manejadores^{-1}-\nu)t/2\}}{(\epsilon_k\manejadores^{-1}-\nu)^2}$

donde $E_0$ es el externo onda EM E intensidad de campo. Normalmente, el elemento de la matriz $\langle k|\sombrero x|g\rangle $ puede ser distinto de cero de hasta $|k\rangle$, con arbitrariamente alta energía. Para el clásico de la luz, podemos hacer $E_0$ arbitrariamente cercano a 0, esto significa que en un número finito de $t$ el suministro de energía puede ser arbitrariamente pequeño, sin embargo, la probabilidad no es cero para la transición a una $|k\rangle$, con una energía muy alta(es decir, $\epsilon_k-\epsilon_g>$externas de suministro de energía). Si después de una medición, el átomo de hecho termina en $|k\rangle$, entonces la conservación de la energía es violado.

Sin embargo ¿cuál es la razón de esta violación? Es porque nuestra medida de la energía externa onda EM es clásica, mientras que la medida de la energía para el átomo es la mecánica cuántica. En otras palabras, estamos comparando energía inicial con algunos autovalor $\epsilon_k$ de la cuánticas de Hamilton. En una forma totalmente mecánica cuántica(es decir, no semi-clásica) del sistema, esto es exactamente lo que debemos no hacer, lo que debemos comparar la energía expectativa de valores, que es \, algo así como inicial de $\langle i|H|i\rangle$ y final de $\langle f|H|f\rangle$, pero nunca sólo algunos de los autovalores(a menos que ambas son autoestados). Así que si hacemos lo mismo en el semi-clásica de tratamiento de foto-eléctrico en efecto, vemos que la conservación de energía es satisfecho cualitativamente, porque a partir de la ecuación $(13)$ vemos que la energía expectativa de valor será proporcional $|E_0|^2$. Creo que el mismo argumento se aplica a la OP de dos átomos de experimento.

Debo decir OP argumento se justifica en un semi-clásica sistema, porque es ciertamente posible a nivel operativo. Pero mi punto es que este es un problema genérico de todos los semi-clásica de los sistemas(de hecho, no ha sido un argumento similar muestra que si la luz es tratado clásicamente, a continuación, el principio de incertidumbre de electrones puede ser violado. Ver Sakurai"Avanzada de la mecánica cuántica", página 34~35). Así que creo que es lo suficientemente bueno que Cordero y Schully podría reproducir $E=\manejadores\omega\phi$ y el de no retrasar la emisión de electrones. Si uno quiere usar la conservación de la energía como una objeción, podría decir cuántico-clásica de acoplamiento es imposible, no hay necesidad de asignar un significado especial para el efecto fotoeléctrico.

EDIT: me gustaría pasar mi último comentario al texto principal en aras de la exhaustividad. La conservación de la energía dificultad es sólo conceptual no experimental, debido a la muy original efecto fotoeléctrico sólo podía medir la energía expectativa de valores, y a partir de mi análisis anterior podemos ver la energía expectativa de valores se conservan. Incluso en un nivel conceptual, todavía hay una manera de salir, es decir, tomar la conservación de la energía para ser cierto sólo en un nivel estadístico(que por supuesto las necesidades de ensayos experimentales, y de hecho no se como Ben mencionados), y esto fue exactamente lo que Bohr propuso, debido a la misma razón. En una palabra, yo creo Cordero & Scully hizo explicar todos los aspectos experimentales del efecto fotoeléctrico.

Answer 5

Todas las anteriores explicaciones describen efectos mensurables en los extremos de energía de la interacción, no demuestran que los fotones es otra cosa que un concepto de pura conveniencia que se deriva históricamente de la temida bola de billar analogía. El "llamado" de propagación de la energía de interacción es observable sólo en los extremos y el efecto está asociado con c (velocidad de la luz), por lo que en c el tiempo y el espacio de la dilatación de hacer que los extremos esencialmente el mismo evento. Es importante despojarse a sí mismo de la antropomórficas de los límites de observabilidad. El "efecto" que se está midiendo no sólo cargan con su sesgo a una noción de tiempo y distancia, pero también a la causalidad. El punto final de los efectos no requieren que haya un fotón. La noción de que uno es un anacronismo.