Efecto de longitud de onda de fotones

Question

Cuando algunos de los fotones detector detecta un fotón, es un proceso instantáneo (debido a que un fotón puede ser pensado como un punto de partículas), o la detección de requerir una cantidad finita de tiempo, dependiendo de la longitud de onda de los fotones?

EDIT: supongo que lo que estoy preguntando es si un fotón tiene una longitud de onda y viaja a una velocidad finita, entonces si un fotón había una longitud de onda de 300,000,000 m, sería su interacción con el detector de última 1s? ¿O es que el principio de incertidumbre dice que un fotón con longitud de onda 300,000,000 m (y, por tanto, de energía E), no se sabe exactamente cuando golpeó el detector con una precisión mejor que 1. O es más como esto: supongamos que hay un flujo de fotones se mueven hacia el detector con longitudes de onda de la 300,000,000 m y alcanzan el detector a una tasa de 10 fotones por segundo y el detector tiene una velocidad de obturación tal de que el obturador está abierto para el 1s en un momento, es el registro de 10 fotones de accesos (registros de todos los fotones). Pero si la velocidad de obturación es de sólo 0,5 s, entonces se podría grabar 2.5 éxitos en promedio?

EDIT2: no estoy interesado en el funcionamiento práctico del detector y de la amplificación de los retrasos. Estoy mirando y el caso ideal (supongamos que el fotón es 'detectado' el instante en que un electrón es lanzado desde el primer fotomultiplicador de la placa). Es una pregunta con respecto a la teoría de la medición, no la aplicación en la práctica.

Answer 1

Es difícil responder a esta debido a que la pregunta parece estar basada en confundidos locales.

Un fotón de golpear algo que ocurre prácticamente en forma instantánea. ¿Qué sucede después de que en el proceso de la creación de algún tipo de señal, como resultado de los fotones de golpear el detector puede tomar diferentes cantidades de tiempo, dependiendo del tipo de detector.

En un fotomultiplicador, hay una cascada de electrones de golpear una secuencia de placas. El sistema está organizado de tal manera que cada placa se emiten más electrones de lo recibido, evenutally amplificando el efecto directo de los fotones de llegar al primer plato muchas veces.

En un semiconductor diodo de algunos de los cargos que se han de difundirse fuera del agotamiento de la capa antes de que la corriente puede observarse externamente.

No recuerdo el mecanismo exacto de un Cd de la célula, pero finalmente se permite más corriente pase por el mismo voltaje aplicado.

Todos estos efectos secundarios tomar tiempo, y por supuesto, también tienen algo de superior contenido de frecuencia. Por lo tanto, el resultado nunca será infinitamente delgada pulso, pero una señal de que sube y baja a lo largo del tiempo, con el pico de venir algún tiempo después de la foto en realidad se estrelló en el detector. Esto no tiene nada que ver con los fotones, y es todo acerca de las limitaciones de frecuencia y los tiempos de respuesta de otros fenómenos físicos.

Answer 2

A la dirección de su revisión cuestión, he aquí un comunicado de prensa y el papel que describe la producción de un láser de pulso con duración de 67×10^-18 s. Que corresponde a tener localizado un conjunto de fotones dentro de unos 20 nm de espacio libre. Los fotones en el pulso tenía energías en el rango 55-130 eV, o longitudes de onda de 10 a 20 nm. De modo que el pulso se comprime en aproximadamente una sola longitud de onda. Este es un mínimo de incertidumbre wavepacket, y es probablemente el mejor que usted será capaz de hacer sin la participación de más corta longitud de onda de los fotones.

Que el papel (o la bibliografía que se cita) debe darle una idea de las técnicas implicadas en la medición de estos intervalos de tiempo cortos.

Se parecen más interesados en la larga longitud de onda límite. Por ejemplo, suponga que tiene una radio AM receptor sintonizado a una estación a 1 MHz (λ = 300 m). Se tarda un microsegundo para el receptor para responder a un solo radio de fotones?

Aquí tienes de nuevo el problema de detalles prácticos inmiscuirse en su teoría de la medición. La medición de la 4 nevada de energía depositada por un único radio fotón sería una hazaña imposible de calorimetría. Una verdadera radio interacciona con una corriente coherente de radio fotones, para producir a gran escala coherente movimiento de los electrones de conducción en el circuito del receptor. Para medir este movimiento coherente tienes que esperar a que termine. Si usted podría construir un mínimo de incertidumbre wavepacket de radio AM fotones, su "detección" consistiría en observar los electrones en la antena se mueva a través de un receptor como el impulso de radio aprobada por el, que tomaría alrededor de un microsegundo.

El movimiento coherente de las cargas libres en el receptor probablemente tiene una mecánica cuántica representación como un conjunto de fonones en la degenerados gas de Fermi de electrones de conducción. Usted podría ser capaz de hacer un argumento de que los fonones de la primavera a la existencia a lo largo de toda la longitud de la antena y de la fuga en el receptor. Pero en la práctica hay muchos fonones involucrados que el problema es esencialmente clásica, así que nadie lo trata de esa manera. Sin algún mecanismo para distinguir entre los fonones que aparecen de forma instantánea y fonones que evolucionan hacia la existencia como la de los fotones que se producen poco a poco se desvanecen, tu pregunta no tiene una respuesta. Si no podemos detectar un único radio de fotones, por lo que no llegamos a saber por cuánto tiempo se necesita para detectar.

Creo que su deseo de considerar la posibilidad de una "teoría de la medición" que está divorciada de cualquier "aplicación práctica" es erróneo y no físico. Cuenta la historia de la Bohr-Einstein debates, en el que cada avance intelectual surgió como el resultado de un experimento o de un experimento real.

Answer 3

Mi experiencia con detectores de fotones, en realidad no se extienden a su ejemplo de longitud de onda. Un fotón con $\lambda = 3\times10^8$ m tendría una energía de $E = hc/\lambda \approx 4\times10^{-15}$ eV, que es una longitud de onda que se pueden encontrar en una térmica de distribución con la temperatura de la $T = E/k = 50$ pK. (Para mi sorpresa, hay un reclamo de un experimento de laboratorio para llegar al 100 pK.) No puedo pensar en cualquier detector que podría interactuar con una femtoelectronvolt de fotones, por lo que no puedo hablar por su ejemplo específico.

Para la práctica de la detección de un único fotón, usted tiene que tener algún tipo de máquina que puede tomar la microscópicas de energía de que se trate y amplificar hasta que sea visible con un sistema macroscópico. Hasta donde yo sé, las constantes de tiempo en este tipo de aparatos son en su totalidad debido a los efectos macroscópicos.

La herramienta más común para la detección de fotones individuales en el espectro infrarrojo, visible y ULTRAVIOLETA cercano es el tubo fotomultiplicador. Un único fotón libera un electrón desde el fotocátodo, con un par de eV de los restos de energía. Este "espectroscopía" es dirigido a una hoja de metal cabo de unos pocos cientos de voltios por encima del nivel del cátodo. Su colisión con este "dynode" escupe tres o cuatro más electrones, los cuales van a parar a otro dynode de unos pocos cientos de voltios más nuevo. Por encadenando varios dynodes usted puede conseguir 10⁷ electrones - un par de picocoulombs de carga de un solo fotón. Una buena rápido PMT con este tipo de ganancia responde a un solo fotón en el cátodo mediante la emisión de un pulso negativo de su ánodo de alrededor de 0,2 miliamperios que dura alrededor de 10 nanosegundos.

Sin embargo, si usted es capaz de digitalizar rápidamente el pulso de un fotomultiplicador (con un rápido osciloscopio o hardware equivalente), usted puede encontrar que mientras carga se recibe a través de unos diez nanosegundos, la forma del pulso es confiable. He escuchado de gente de la consecución de temporización de la estabilidad de alrededor de 100 picosegundos, aproximadamente el tiempo que toma para que la luz viaje de una pulgada. Esto es todavía muy grande en comparación con la longitud de onda de una óptica de fotones, por lo que cualquier variación en el tiempo real requerido para el fotón para interactuar con el cátodo es insignificante.

Por tanto, la respuesta a tu pregunta como originalmente se le pide es que la duración de un fotón del detector de medición tiene muy poca relación con cualquier hipotético duración de una sola partícula fotón-electrón la interacción.

Answer 4

La longitud de onda de un fotón está estrechamente relacionada con el mínimo posible de incertidumbre en su posición. Así, para un fotón tiene una longitud de onda de $3x10^8m$, y si suponemos que antes de la detección ya sabemos mucho acerca de los fotones como es posible, que todavía no se sabe exactamente cuándo va a ser detectado, y la incertidumbre será del orden de un segundo.

La interacción entre el fotón y el detector es, en sí misma, en principio, instantáneo, y en principio no hay límite en la precisión con la que podemos medir cuando la interacción se produjo. Es todo acerca de lo que podemos o no podemos predecir de antemano.

Answer 5

La simple respuesta es "no" no es un evento de punto. Que viola el Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Re: la Mecánica Cuántica Claude Cohen-Tannoudji o Re: Una Introducción a la Teoría y Aplicaciones de la Mecánica Cuántica Amnón Yariv.

La energía y el tiempo son conjugar las variables, por lo que la energía de un fotón y el tiempo que existe no puede ser determinado con precisión infinita / precisión. El impulso y la posición son igualmente conjugar las variables y por lo tanto, la longitud de onda (impulso) y la posición no puede ser determinado con precisión infinita / precisión. Así, desde este punto de vista, usted no puede determinar con precisión el "tiempo" que lleva a "absorber" el fotón. Realmente no se puede pensar de esto como "¿cuántas oscilaciones se tarda en liberar un electrón".

Creo que es mejor pensar en esto de dos maneras:

1. La antena de la detección de un fotón es en cierto modo como una antena. Los fotones de las oscilaciones de influir en el movimiento de los electrones en un material como el de la inducción de corriente en una antena. El uso de este semi-enfoque clásico, es fácil calcular / medir la duración de una transición y cómo se relaciona con la energía de ancho de banda de la transición. Esto implica que no es un "punto" del evento.
2. La rendija de difracción con un conteo de fotones dispositivo Cuando se mira en los experimentos con el conteo de fotones dispositivos (por ejemplo, PMT o APD) y el recuento de un evento en un tiempo (ver http://www.personal.psu.edu/agr126/doubleSlit.pdf), a continuación, a lo largo del tiempo, puede ver las propiedades de onda de los fotones.

Así, "punto"-como el comportamiento (por ejemplo, usted puede detectar un único electrón liberado por un único fotón). Se ha Hiesenberg-como el comportamiento (por ejemplo, usted no puede saber la longitud de onda a la perfección, por lo que no se puede conocer la energía a la perfección, por lo que no se puede saber el tiempo necesario para "absorber" el fotón perfectamente). También ha de onda-como el comportamiento (por ejemplo, la oscilación de la naturaleza de los fotones crea la mecánica cuántica transición a un estado más alto para producir y liberar el fotón).