¿Un fotón también es una onda Maxweliana?

Question

Un fotón se asocia con las ecuaciones $h\nu$$\frac{hc}{\lambda}$.

Mi libro (Serway la Física Moderna) dice que Einstein explicó el efecto fotoeléctrico, asumiendo que el clásico frente de onda tuvo su energía distribuida a través de paquetes, con la energía de $h\nu$. (Me han dicho que esto está mal en otros lugares, pero no es crucial a mi pregunta de todos modos).

Con esta foto me imagino que el Maxwellian de onda está repleta de fotones, y no es demasiado difícil de digerir que la energía de un fotón podría ser dado por $h\nu$ donde $\nu$ es la frecuencia de la Maxwellian de onda.

Pero, ¿qué acerca de un único fotón producido, por ejemplo, en una transición electrónica de un átomo? Lo que hace la frecuencia o longitud de onda variable en su energía de una longitud de onda o frecuencia? Es también de un clásico Maxwellian onda? Lo que significa que un solo fotón tiene un completo plano de la onda asociada?

¿Cómo es esto Maxwellian onda distribuidas en el espacio? Es la imagen común de los fotones como un poco de espermatozoides correcta, entonces?

Answer 1

El maxwellian de onda es un fenómeno emergente de una gran multitud de los fotones con la frecuencia de la maxwellian de onda. Esto se explica en esta entrada de blog por Lubos Motl. Yo te daré mi experimentales de la interpretación de este:

Un fotón como una mecánica cuántica entidad dispone de una función de onda. Esta función de onda es una solución de la forma de las ecuaciones de Maxwell, donde las derivadas en la ecuación se convierten en operadores de la mecánica cuántica, que operan en el psi de los fotones. Hay variables que describen la función de onda, incluyendo la polarización y fases. No es de extrañar que la frecuencia es la misma para ambos usos de las ecuaciones de Maxwell.

Las fases de manera coherente construir hasta el macroscópico clásica de la onda. Me parece que esta cifra útil :

la izquierda y la mano derecha de la polarización circular, y su asociado angular momenta.

Nota de la dirección del espín del fotón, +1 o -1 para su dirección. Es la imparcialidad de la macroscópico de onda que refleja esto. Las fases en las soluciones de los fotones de la acumulación de los campos y la polarización circular en este sencillo ejemplo.

Answer 2

De hecho, hay un camino por el cual "un fotón" puede ser pensado como un Maxwellian de onda.

Estamos tratando aquí con el campo electromagnético cuantizado. Si la EM campo está en un fotón estado , entonces uno puede calcular de dos campos vectoriales a partir de la EM campo del estado que:

1. Cumplir con las ecuaciones de Maxwell para el espacio libre de la propagación y
2. Únicamente definir el fotón estado.

Por lo tanto, uno puede interpretar la información contenida en el Maxwellian campos como equivalente al conocimiento de un fotón estado de los campos EM. Para cada clásico freespace solución a las ecuaciones de Maxwell, hay una correspondiente de un fotón de estado y por el contrario.

Estrictamente hablando, esta idea sólo funciona con "libre de fotones", es decir, entre los eventos de interacción con otros campos cuánticos, por lo que el número de fotones puede ser pensado como ser conservados para el análisis.

Las cantidades que satisfacen las ecuaciones de Maxwell y que definen a la de un fotón de estado son como se discute más en mi respuesta aquí a la física que SE pregunta "Relación entre la ecuación de Onda de la luz y los fotones de la función de onda?".

Answer 3

Imaginar que el espacio-tiempo es emergente, no es un pre-existentes marco que contiene fotones, ondas o partículas. Si el espacio-tiempo emerge en el nivel individual de los quanta o fotones, se podría decir que no hay exceso de espacio y tiempo hay para que una onda se propagan a través de. Pero a grandes distancias, como el fotón interactúa con otros elementos de nuestro universo, presenta complementariedad de las ondas y partículas, dependiendo de la naturaleza de la interacción o la medición.

Esto encaja con Niels Bohr de la noción de complementariedad, que dice que los objetos cuánticos tienen características que son complementarios, que no pueden ser medidos simultáneamente con el 100% de quien lo contempla. El total de la naturaleza de un fotón puede necesitar ser descrito como una partícula y una onda en el fin de capturar todas sus posibilidades y propiedades.

Serway (la Física para Científicos e Ingenieros, 1992, pág. 1171) dice que las longitudes de onda largas, tales como las ondas de radio constan de fotones con tan poca energía que le lleva muchos fotones lograr un receptor para la detección de ocurrir. En tales casos, es difícil o imposible de detectar la naturaleza de la partícula de cada fotón. Longitudes de onda más cortas, sin embargo, se compone de fotones de alta energía, que se tarda menos de ellos para provocar la detección, y son más propensos a ser detectable en forma de partículas.

Answer 4

Resulta que la luz puede ser pensado como una onda y una partícula bajo diferentes condiciones. Por ejemplo, como Cort Amón descrito, el experimento de Doble Rendija demostró que la luz tenía propiedades de difracción. Por otro lado, el efecto fotoeléctrico se considera a la luz como partículas de luz llamadas fotones con energía $hf$. Otro experimento es la dispersión de Compton efecto donde la luz se dijo para impartir el impulso de un electrón. Una masa de partículas da un electrón impulso! Estoy asumiendo que usted está en su segundo o tercer año de la física (ya que es cuando he usado Serway), la mecánica cuántica es difícil así que no se desanime si usted no puede envolver su cabeza en torno a un concepto. Muchos otros están pasando por la misma lucha.

Answer 5

Buscar en la dualidad Onda-partícula. Es una parte importante de la Mecánica Cuántica, que responde a su pregunta.

Un resumen rápido: la luz no es sólo una ola, no sólo una partícula. En algunas situaciones se comporta como una onda; en otras se comporta como una partícula.

En algunas situaciones, ni onda ni partícula suficientemente describir la realidad. Un sólido ejemplo de esto es el Fotón Único Experimento de Doble Rendija. La mecánica cuántica describe la luz de forma diferente (como lo que se llama una "forma de onda"), y QM del modelo coincide con lo que realmente sucede en un experimento de doble rendija. Ni el clásico onda ni clásico de fotones modelos de hacer un buen trabajo de modelado de lo que sucede.