¿Cómo encuentran la energía de un fotón?

El haz de luz clásico, una onda electromagnética, emerge de millones de fotones que viajan con velocidad.$c$y construirlo.

La energía de un fotón es$E=h\times \nu$, dónde$h$la constante de Planck y$\nu$es la frecuencia que aparecerá en una onda clásica formada por fotones de esta energía. La forma en que esto sucede se explica matemáticamente aquí , pero no es fácil de entender sin la mecánica cuántica y la teoría de campos. El fotón en sí no oscila en (x,y,z,t). Solo viajando con velocidad$c$.

La energía de la onda clásica viene dada por la intensidad media, por ejemplo, para una onda plana se puede escribir

donde aqui$E$es el campo eléctrico de la onda luminosa clásica.

La energía individual de$h\nu$de fotones se sumarán a la energía transferida por la onda electromagnética colectiva.

La velocidad del fotón es fija y no cambia a menos que haya una interacción, como en la dispersión de Compton . Es una partícula elemental del modelo estándar .

El modelo teórico, llamado electrodinámica cuántica, está tan bien validado con datos experimentales que uno puede identificar la energía del fotón con la frecuencia del haz de luz clásico y usar configuraciones de interferencia clásicas. Se han observado fotones individuales de haces de luz de frecuencia conocida a través del experimento de doble rendija, como puntos en una pantalla. La existencia de fotones y su frecuencia con asociación energética está bien validada.

Cuando las energías se vuelven grandes, como en los rayos X y los rayos gamma, diferentes técnicas de laboratorio pueden identificar la energía de un solo fotón, como con el efecto fotoeléctrico, y con los calorímetros electromagnéticos en experimentos de partículas que identifican rayos gamma únicos de gran energía.

Por ejemplo, este evento de Higgs a gamma gamma :

Las líneas verdes muestran la energía depositada en los calorímetros por cada gamma. Se le conoce como fotón porque no interacciona en las cámaras de seguimiento, y deposita la energía en las electromagnéticas.

asi que a tus preguntas

¿Podemos aislar un único fotón?

Sí, como se ve arriba.

¿Es un fotón el conjunto completo de oscilaciones durante el lapso de un segundo? ¿Podemos considerar un fotón de luz roja como una sola oscilación del campo EM que dura solo 1 segundo/4*10^14 segundos?

No. Como se ha dicho, el fotón es una partícula elemental y el haz de luz clásico viaja sobre trillones de fotones, cada uno de los cuales contribuye en sinergia con una pequeña parte de los campos eléctrico y magnético del campo electromagnético.

Para plantearlo de otra manera, ¿cambia la energía si la unidad de tiempo se reduce a la mitad o se duplica?

No, la energía del fotón siempre es igual a$h\nu$, para todo el espectro.$ν$está allí para un fotón solo como un identificador para informar qué tipo de haz de luz generará un trillón de tales fotones de energía, consulte la tabla .

Existe una conexión mecánica cuántica matemática entre las soluciones electrodinámicas clásicas y la solución mecánica cuántica, porque las ecuaciones de Maxwell están cuantizadas y dan lugar a la función de onda del fotón. En la función de onda, que es compleja, es decir, no medible, existen los mismos E nd B y$ν$que será construido por trillones de fotones. Esta es la frecuencia que aparece en el experimento de la doble rendija , un fotón a la vez. Es en la probabilidad de detección del fotón que la frecuencia juega un papel.

Preguntas en un comentario:

si haces oscilar una carga 3000 veces en 1/10000 de segundo obtienes un fotón que se descarga$3\times 10^7\ h$de energía cuando golpea algo

Las unidades no son comprensibles, pero no, una carga oscilante no dará un fotón, dependerá de los valores límite y dará un espectro de frecuencias clásicas que estará compuesto por innumerables fotones.

La forma más fácil de medir la energía de un fotón es hacer una reacción usando el efecto fotoeléctrico. El fotón golpea una superficie, elimina un electrón, y se puede evitar que el electrón se lleve la carga fuera de la superficie aplicando un pequeño voltaje de atracción en esa superficie (esto se denomina "potencial de frenado").
Es un experimento que generalmente se realiza con un fototubo de vacío y MUCHOS fotones, todos de la misma energía (color). Puede ajustar el potencial de frenado hasta que el fototubo no genere ninguna corriente cuando se ilumine. El potencial de frenado (voltaje) multiplicado por la carga de un electrón es la estimación de la energía del fotón (hay algunas correcciones para el material del fototubo y no funciona bien con fotones de baja energía).

Es conveniente utilizar la longitud de onda como unidad de medida cuando se trata de fotones, pero en realidad comienza con la frecuencia a la que oscila el fotón. Conocemos la velocidad de la luz y si la difractas de una superficie a otra podemos medir las distancias usando el Teorema de Pitágoras para determinar la frecuencia o longitud de onda. Un fotón que oscila a 400THZ y viaja a la velocidad de la luz completará una oscilación cada 700 nm. ¿La energía (frecuencia) de un fotón no cambia si la unidad de tiempo se reduce a la mitad o se duplica? La longitud de onda no es una onda, es solo la distancia que viaja un fotón en una oscilación. La velocidad permanece igual y si el fotón tiene menos energía (frecuencia más baja), la llamada longitud de onda será más larga.

Creo que te confundes porque intentas imaginar un fotón en un marco clásico. No hay (desafortunadamente) una forma precisa de explicar qué es un fotón sin el uso de la mecánica cuántica. Un fotón es mucho más complicado que simplemente "un conjunto de oscilaciones durante el lapso de un segundo": es en esencia un cuanto de excitación del campo electromagnético en el vacío. Sé que puede sonar un poco técnico, pero necesita el marco de la teoría cuántica de campos (más precisamente, la electrodinámica cuántica ) para comprender completamente la naturaleza del fotón.

Hay una serie de experimentos clásicos que se volvieron a realizar de una "manera cuántica" que podrían dar una respuesta a algunas de sus dudas (muy legítimas) sobre el tema. Por ejemplo, muchas versiones del famoso experimento de la doble rendija de Young se han estudiado con fotones individuales o en otras situaciones complicadas que revelan la naturaleza cuántica de la luz.

Trabajé en el firmware del láser de femtosegundo Maitai. Cada pulso de luz dura aproximadamente 20 fs. La luz infrarroja a 800 nm tiene tiempo de completar unas 100 oscilaciones.

La tasa de repetición es de 80 MHz. El ciclo de trabajo es 1/1000, por lo que dada una potencia media de 2,5 vatios, la intensidad del pulso de luz es equivalente a 2,5 megavatios.

Mi entendimiento es que un solo fotón es en realidad una oscilación sinusoidal que comienza en cero, sube para alcanzar un pico positivo, baja hasta un pico negativo y vuelve a cero.

El análisis de Fourier nos dice que tal forma de onda necesitaría una gran cantidad (infinita) de armónicos para generar utilizando la suma de ondas sinusoidales que se extienden en el pasado y el futuro indefinidamente. Ahí es donde interviene la física cuántica, que permite que un electrón absorba una sola oscilación y salte instantáneamente a uno o más niveles de energía.

El equivalente con onda de sonido sería, supongamos que un montón de guitarras colocan mesas y produzco una onda de sonido a 441 Hz. Si la primera guitarra está bien afinada, solo captaría una onda a 440 hz. La siguiente guitarra tiene una cuerda afinada de manera imperfecta, por lo que su frecuencia de resonancia es de 441 Hz. Esa cuerda captaría toda la energía de la onda sonora y comenzaría a vibrar mientras que todas las demás cuerdas de esa misma guitarra no detectarían nada. Y toda la otra guitarra alrededor no percibiría ninguna vibración de molécula de aire porque toda la energía de la onda ha sido absorbida por completo por la cuerda de la segunda guitarra.

La energía de un fotón corresponde a la frecuencia que se puede medir con un prisma, un equivalente óptico de una FFT. El efecto fotoeléctrico es otra forma de medir la energía usando un voltaje de bloqueo como se describe en otra respuesta. La longitud de onda, por supuesto, cambia con la velocidad de propagación.