¿Cómo podemos probar que un fotón se absorbe solo una vez?

Vale la pena contemplar el experimento de la doble rendija, un fotón a la vez.

La siguiente secuencia de imágenes muestra un resultado típico observado en una película colocada detrás de las rendijas en un experimento de dos rendijas de un solo fotón , para aumentar los tiempos de exposición:

segunda diapositiva

última diapositiva, por economía de espacio, el enlace original está roto, pero aquí todavía se puede ver la secuencia de tiempo .

Debido a que estamos observando fotones individuales, todo el experimento debe realizarse en una habitación oscura para evitar la luz de fondo. También la parte más sensible del experimento (cámara e intensificador de imagen) se colocan en una caja negra para evitar la dispersión de la luz del láser. El intensificador de imagen es una parte esencial de este experimento. Con el intensificador, cada fotón se amplifica por un factor de hasta un millón, de modo que la señal generada por cada fotón a la salida del intensificador (una pantalla de fósforo) se puede detectar con una película sensible o una cámara CCD.

En este caso, la probabilidad de que el intensificador absorba completamente el fotón único es 1, por construcción.

pero cuanto más fuerte sea la radiación, mayor será el número medio esperado de detecciones en un área.

En este caso, la energía del fotón individual no hará la diferencia siempre que esté dentro de los niveles de energía disponibles en la pantalla de fósforo. Aparecerá un punto.

En general, el calificativo "más fuerte" para los fotones es incorrecto. Los fotones pueden ser de alta energía o de baja energía.

En el experimento descrito, donde los fotones se liberan uno a la vez, no hay botones, la intensidad clásica de la fuente (proporcional al número de fotones) se reduce para que llegue un fotón en un tiempo delta (t). Delta(t) varía debido a las incertidumbres cuánticas, pero un láser emitirá pequeños fotones de energía delta(E) y no hay problema en decidir que un fotón golpea el intensificador.

Es razonable preguntarse si la cuantificación de la energía electromagnética solo se cuantifica para la interacción con la materia (y también con el resultado fotoeléctrico), y no intrínsecamente. Pero puede pensar en un fotón en sí mismo como un paquete cuantificado de energía electromagnética, y luego darse cuenta de que necesita una teoría para explicar cuándo, dónde y cómo está involucrado con la materia (y, a veces, incluso dispersa otros paquetes cuantificados de energía electromagnética) . La teoría con la que terminas es la teoría estándar.

Pero generalmente no tenemos botones que produzcan un fotón (sé que dijiste que era un experimento mental). Lo que generalmente calculas es que conoces la velocidad (c) y el tamaño (L) del aparato, cuánto tiempo (L/c) pasa cada fotón en vuelo y cuántos fotones por hora y notas que el tiempo total en vuelo (en realidad, solo la suma del tiempo de vuelo de cada fotón) es mucho menor que el tiempo total del experimento, por lo que puede concluir (demasiado alegremente) que probablemente la mayoría, si no todos, los fotones viajaron solos. Pero para saberlo con seguridad tendrías que prestar mucha atención a la detección. Y, de hecho, no podemos concluir que es un proceso de Poisson porque en realidad no son totalmente independientes al 100 %, pero podemos intentar que se acerque porque en el límite de uno a la vez están muy cerca de independiente.

Entonces, en la práctica, en general, puede dividir el tiempo de un experimento normal en regiones de tiempo del tamaño exacto para que el número esperado de fotones sea uno. Pero no será Poisson. Solo se acercaría al Poisson por intervalos de tiempo con mucho menos de un fotón esperado

La razón de la falla es que cuando hay un fotón, la probabilidad de un segundo es un poco mayor que la probabilidad del primero. Los electrones hacen lo contrario. Entonces, si desea enviar electrones a través de una doble rendija uno a la vez, es más fácil concluir que van uno a la vez.

La palabra absorción significa que el fotón tuvo que terminar su vida y convertirse en energía de excitación del átomo en el material. El fotón puede interactuar con la materia de tres maneras: foto-efecto, dispersión Compton y producción de pares. Solo en el segundo proceso sobrevive el fotón.

Experimentalmente, la absorción (en términos de efecto fotográfico) se observa en los detectores como un pico único de cierto nivel de energía (para una fuente gamma monocromática). Dado que se absorbe toda la energía, debe dar una respuesta de detector específica dentro de su resolución.

Si el fotón no se absorbe sino que se dispersa en el interior, libera una parte de su energía que se destina a la ionización del átomo, esta energía se ve como un espectro bastante plano entre 0 y la energía del fotón (pico). También es posible que el fotón se disperse una o varias veces dentro del material y luego se absorba, luego verá que esto también se ve como un pico de energía total. de lo contrario, puede escapar del volumen activo del detector y dejar el fondo de Compton.

Entonces, respondiendo a su pregunta, no es posible tener múltiples absorciones, pero sí, es posible tener múltiples efectos de dispersión. Luego, debe construir una matriz (geometría de cuadrícula o pila) de detectores relativamente delgados (más delgados que la longitud de dispersión promedio), y luego tiene la oportunidad de observar los efectos de dispersión en varias capas.

Lo que preguntes depende del método de detección. Si el método de detección se basa en la absorción del fotón con emisión de electrones, entonces se puede absorber 1 fotón 1 vez. Este es el efecto fotoeléctrico, y la conservación de la energía muestra que la energía del fotón no puede ser menor que la energía de ionización de 1 electrón.

Si estamos interesados ​​en obtener la dispersión Compton, un fotón con alta energía es dispersado inelásticamente por las partículas en su camino. A altas energías, la longitud de onda del fotón puede ser lo suficientemente pequeña como para que el fotón vea el electrón en el átomo en su camino, y no el átomo completo. En cada evento de dispersión, el fotón deja parte de su energía a la partícula sobre la que se dispersó. El electrón retrocede debido a la colisión con el fotón, y el momento lineal del fotón disminuye, mientras que su longitud de onda aumenta .