Взаимодействие света с веществом и фотоны

Концепция фотона и квантовое описание поглощения и испускания света атомами лежат в основе дискретного обмена энергией между светом и веществом.

Definition

Описание света как квантов энергии и импульса (фотонов) и квантованных процессов, посредством которых атомы и молекулы поглощают и испускают их, регулируемых сохранением энергии и правилами квантовых переходов.

Scope

Эта тема охватывает квантовую природу света как дискретных фотонов и фундаментальные взаимодействия света с веществом. Она включает исторические свидетельства существования фотонов из фотоэлектрического эффекта и эффекта Комптона, энергию и импульс фотона, квантово-механическое описание поглощения, спонтанного и вынужденного излучения, правила отбора, роль плотности состояний и квантовой электродинамики резонаторов в модификации излучения, а также детектирование одиночных фотонов. Она связывает корпускулярный аспект света с атомными энергетическими уровнями и обеспечивает основу для лазерного усиления и технологий одиночных фотонов.

Core questions

• Какие экспериментальные данные показывают, что свет квантуется в фотоны?
• Какую энергию и импульс несет фотон?
• Как атомы поглощают и испускают фотоны при переходах между энергетическими уровнями?
• Как можно изменить скорость спонтанного излучения?

Key concepts

• энергия и импульс фотона
• фотоэлектрический эффект
• эффект Комптона
• поглощение и излучение
• правила отбора
• скорость спонтанного излучения
• квантовая электродинамика резонаторов
• детектирование одиночных фотонов

Key theories

Фотон и фотоэлектрический эффект

Эйнштейн в 1905 году предположил, что энергия света состоит из квантов энергии, пропорциональных частоте, объясняя фотоэлектрический эффект; эффект Комптона позже подтвердил, что фотоны также несут импульс.

Квантовая теория поглощения и излучения

Переходы между атомными энергетическими уровнями поглощают или испускают фотоны соответствующей энергии; спонтанное излучение, вынужденное излучение и поглощение рассматриваются квантово-механически, при этом скорости излучения зависят от электромагнитного окружения.

Clinical relevance

Представление о фотонах лежит в основе количественной дозиметрии света в фототерапии и фотодинамической терапии, работы детекторов одиночных фотонов в флуоресцентной микроскопии с разрешением по времени жизни и сцинтилляции в позитронно-эмиссионной томографии, а также интерпретации того, как свет передает энергию тканям.

History

Квантование энергии Планком в 1900 году и гипотеза световых квантов Эйнштейна в 1905 году ввели дискретность в излучение, причем работа по фотоэлектрическому эффекту принесла Эйнштейну Нобелевскую премию в 1921 году. Эксперимент Комптона по рассеянию в 1923 году подтвердил импульс фотона, а квантование поля Дираком в 1927 году дало современную теорию взаимодействия света с веществом.

Key figures

• Albert Einstein
• Max Planck
• Arthur Compton
• Paul Dirac

Seminal works

• loudon2000
• einstein1905

Frequently asked questions

Свет — это волна или частица?

Свет проявляет как волновые, так и корпускулярные свойства; он распространяется и интерферирует как волна, но обменивается энергией и импульсом с веществом в дискретных квантах, называемых фотонами, — это дополнительность, описываемая квантовой теорией.

Какова энергия одного фотона?

Энергия фотона равна постоянной Планка, умноженной на его частоту, поэтому свет с более высокой частотой и меньшей длиной волны, такой как ультрафиолетовый, несет больше энергии на фотон, чем свет с более низкой частотой, такой как инфракрасный.