Kvanti da ali ne?

[Roman]

Že nekaj časa me vznemirja vprašanje, ali se kvantna mehanika v resnici ukvarja s kvanti, oziroma, ali je svetloba res curek fotonov. Naj razložim, kako sem prišel do tega vprašanja.

Kvantna mehanika se je začela napovedovati že okoli leta 1600, ko se Christiaan Huygens in Isaac Newton nista mogla zediniti o naravi svetlobe. Huygens je trdil, da je svetloba valovanje in to dokazoval z uklonom oziroma interferenco, Newton pa je trdil, da je svetloba curek delcev (imenoval jih je korpuskli), in s tem pojasnjeval njen odboj. (Že tukaj mi ni jasno, zakaj se odboja svetlobe ne bi moglo razložiti z valovno mehaniko.) Za pravi začetek kvantne mehanike štejemo Planckovo rešitev problema sevanja črnega telesa in Einsteinovo rešitev problema fotoelektričnega efekta, ki ju je menda mogoče pojasniti s predpostavko, da je svetloba curek delcev. Ampak, ali je ta predpostavka res pomembna za rešitev omenjenih problemov? In ali je sploh pravilna?

Problem sevanja črnega telesa se je začel z ugotovitvijo, da energija izsevane svetlobe ni zvezno odvisna od temperature. Ko telo segrevamo, skočijo elektroni na orbite višje energije, pri padcu na orbito nižje energije pa oddajo svetlobo. Sevanje ne dokazuje delčne narave svetlobe, ampak samo to, da je za prehode elektronov na različne orbite potrebna določena energija (če ta ni dosežena, se pojav pač ne zgodi), vrnitev elektrona v orbito z nižjo energijo pa povzroči svetlobno sevanje s točno določeno diskretno energijo.

Pri fotoefektu je zgodba podobna. Elektrone svetloba izbije iz snovi, če ima dovolj energije. To pomeni, da obstaja energijski prag, ki ga mora svetloba preseči, da izbije elektron, ne pa, da je svetloba curek fotonov.

Ali obstaja še kak drug pojav, ki bi utemeljeval delčno naravo EM valovanja? Oziroma, kaj sem pomembnega spregledal?

[Aniviller]

Fotoefekt je v bistvu skoraj neposredni dokaz. Mislim da narobe razumes argument:
Ce bi bil samo nek energijski prag, bi lahko isto energijo dosegel pac z mocnejsim obsevanjem pri daljsi valovni dolzini. Ampak fotoefekt pokaze, da takrat do izbitja ne pride. En sam foton mora prinesti dovolj energije - pet fotonov z nizjo energijo ne bo imelo istega efekta!

Nekateri fotodetektorji recimo imajo dovolj visoko natancnost, da zaznavajo posamezne fotone - tam se dobro vidi, da so izhodne moci detektorja kvantizirane, ce posvetis z monokromatsko svetlobo. Tudi izsevanje posameznih fotonov je ze dobro poznano in se uporablja med drugim v kvantni kriptografiji.

Tudi pri delcnih pojavih - recimo anihilacija pozitrona in elektrona - je popolnoma jasno, da nastaneta dva gama fotona, ki ju lahko zaznas z detektorji. Vedno se izsevata v nasprotnih smereh in detektor vedno zazna en sunek pri tocno doloceni energiji.

Pri sevanju crnega telesa tudi ni nikjer omenjenih atomov, elektronov in podobnih reci (skakanje elektronov med orbitalami kvecjemu pokvari spekter crnega telesa zaradi resonance pri dolocenih energijah). Sevanje crnega telesa je povsem splosen pojav, neodvisen od snovi - ponavadi celo recemo, da je crno sevanje tisto, kar seva iz LUKNJE, ki je v toplotnem ravnovesju s telesom z doloceno temperaturo. Kvantnost tukaj lezi v dejstvu, da pri vsaki valovni dolzini votlina lahko vsebuje samo diskretne vrednosti gostote energije. Nacin, kako stene napolnijo votlino s sevanjem, tukaj ni pomemben - le nakljucen (termicen) mora biti.

[GJ]

Že nekaj časa me vznemirja vprašanje, ali se kvantna mehanika v resnici ukvarja s kvanti,

Kaj pa drugega!

oziroma, ali je svetloba res curek fotonov.

Ni nujno, lahko so samo fotoni ali pa foton. Oziroma odvisno kako gledaš!

Ali obstaja še kak drug pojav, ki bi utemeljeval delčno naravo EM valovanja? Oziroma, kaj sem pomembnega spregledal?

To kot vedno...
Prostor ni prazen, kar dokazujejo kvantne fluktuacije.
Osnovni problem nastane, ko se začne obravnavati posamezne delce. Foton je lokalna anomalija, val prostora in kot anomalija ni delček ampak del celotnega prostora oziroma sistema, če se spremeni pospešenost opazovanega sistema se spremeni tudi energija opazovanega fotona.
Foton kot samostojen delec ne obstaja.

Lep dan...

[qg]

Naprimer Feynman v njegovi knjigi "The Strange Theory of Light and Matter" kvante svetlobe enstavno predpostavi, predpostavi njegove path integrale, potem pa gre razlagat nekaj osnovnih pojavov svetlobe. Potem pa predstava kvantne mehanike in kvantne elektrodinamike postane dosti lažja.
Tudi drugačni članki se najdejo, ki fotone samo predpostavijo, a potem je vse lažje.
Včasih je potrebno dvom za nekaj časa odmisliti.

[Roman]

Fotoefekt je v bistvu skoraj neposredni dokaz.

Hm? Torej naj bi vseeno šlo za dokaz, čeprav posreden.

Mislim da narobe razumes argument

To je povsem verjetno.

En sam foton mora prinesti dovolj energije - pet fotonov z nizjo energijo ne bo imelo istega efekta!

Prav, ampak to še vedno ne pomeni, da ta foton ne bi mogel imeti tudi vmesnih energij. Po drugi strani sta energija in gibalna količina fotona zvezno odvisni od valovne dolžine. Je valovna dolžina diskretna količina?

Nekateri fotodetektorji recimo imajo dovolj visoko natancnost, da zaznavajo posamezne fotone - tam se dobro vidi, da so izhodne moci detektorja kvantizirane, ce posvetis z monokromatsko svetlobo. Tudi izsevanje posameznih fotonov je ze dobro poznano in se uporablja med drugim v kvantni kriptografiji.

Najbrž obstaja nevarnost, da bom zvenel kot Rozman, ampak vseeno se mi zdi, da pri tem ne gre za problem meritve, ampak za oddajanje svetlobe. Če oddajnik (lahko) seva (samo) diskretno svetlobo, meritev ne more pokazati drugega.

Tudi pri delcnih pojavih - recimo anihilacija pozitrona in elektrona - je popolnoma jasno, da nastaneta dva gama fotona, ki ju lahko zaznas z detektorji.

Tu gre za isti problem.

Kvantnost tukaj lezi v dejstvu, da pri vsaki valovni dolzini votlina lahko vsebuje samo diskretne vrednosti gostote energije.

Tudi tu.

Potem pa predstava kvantne mehanike in kvantne elektrodinamike postane dosti lažja.

Verjetno res, ampak interpretacija pa tudi ne more biti kakršnakoli.

Včasih je potrebno dvom za nekaj časa odmisliti.

Ampak samo v času postavljanja hipoteze.

[silvester1234]

Sam poznam precej površno področje fotonov, zato me zanima kakšne manifestacije povzročijo fotoni različnih energij na isti snovi? Je to samo
različna količina izbitih elektronov, ali samo prehodi elektronov na višje orbitale? Domnevam, da je to mešanica obojega, pač glede na vrsto snovi,
ki jo bombardiramo s fotoni. A to zavisi samo od energij fotonov, ali tudi od frekvenc, če foton gledamo kot valovanje?

[shrink]

Sam poznam precej površno področje fotonov, zato me zanima kakšne manifestacije povzročijo fotoni različnih energij na isti snovi? Je to samo
različna količina izbitih elektronov, ali samo prehodi elektronov na višje orbitale? Domnevam, da je to mešanica obojega, pač glede na vrsto snovi,
ki jo bombardiramo s fotoni.

Če je govora o fotoefektu v kovinah: En foton lahko izbije samo en elektron, če ima seveda dovolj veliko energijo. Če nima zadostne energije, ostane elektron "ujet" v snovi (v vzbujenem stanju).

A to zavisi samo od energij fotonov, ali tudi od frekvenc, če foton gledamo kot valovanje?

Energija fotona je sorazmerna s frekvenco.

[silvester1234]

Shrink hvala za pojasnila!

[LUKEC]

Po mojem,je svetloba kvantizirana(je iz kvantov) in pa nekvantizirana(je zvezna).
Po mojem mnenju je svetloba kvantizirana, če jo odda elektron, ki prehaja iz višjega energijskega v nižje energijsko stanje.
Po mojem mnenju svetloba ni kvantizirana, če jo odda elektron, ki ni vezan na atom.
Elektron, ki ni vezan na atom ima namreč poljubne energije, ki pa so višje od energij, ki jih ima elektron v atomu.

[LUKEC]

Nisem pa prepričan, če elektron ki ni vezan na atom, lahko sploh odda svetlobo ali lahko samo siplje fotone, ki ga zadenejo.
Več o tem piše Richard Feynmam v njegovih knjigah(Lectures on Physics).

[shrink]

Po mojem,je svetloba kvantizirana(je iz kvantov) in pa nekvantizirana(je zvezna).
Po mojem mnenju je svetloba kvantizirana, če jo odda elektron, ki prehaja iz višjega energijskega v nižje energijsko stanje.
Po mojem mnenju svetloba ni kvantizirana, če jo odda elektron, ki ni vezan na atom.
Elektron, ki ni vezan na atom ima namreč poljubne energije, ki pa so višje od energij, ki jih ima elektron v atomu.

Ne drži. Tudi prosti elektroni oddajajo energijo v obliki kvantov/fotonov; primer za to so elektroni v sinhrotronu.

Nisem pa prepričan, če elektron ki ni vezan na atom, lahko sploh odda svetlobo ali lahko samo siplje fotone, ki ga zadenejo.
Več o tem piše Richard Feynmam v njegovih knjigah(Lectures on Physics).

Beri zgoraj.

[LUKEC]

Čudno, Feynman ki je dobil Nobelovo nagrado, je rekel da imajo prosti elektroni lahko poljubne energije.
Vem, da za proste elektrone v kovini velja \(Ee=3RT/2\).
Ne vem, mogoče niso mišljeni isti prosti elektroni.

[shrink]

Saj jo imajo; kar ne drži, je to, da je svetloba, ki jo oddajajo (npr. sinhrotronska svetloba), ni v obliki kvantov/fotonov. Mimogrede: gre za pospešene elektrone, ki v bistvu niso povsem prosti, saj nanje vpliva magnetno polje.

Sicer pa je treba tudi povedati, da prosti elektroni fotonov ne morejo absorbirati, tako kot se dogaja, ko so vezani v atomih. Tam pravzaprav foton absorbira atom. Razlog za to je, da se v primeru prostega elektrona in fotona ne bi ohranjala vrtilna količina.

[anzovc]

In kaj se potem zgodi kadar foton zadane prosti elektron?

[shrink]

In kaj se potem zgodi kadar foton zadane prosti elektron?

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hb ... hotel.html