Terminología: significado de un cuanto

Cuando la gente dice que un fotón es un cuanto de luz, ¿está hablando de 2 tipos diferentes de cuantizaciones en una frase? Para cuantificar algo, tomas algo continuo y lo haces discreto (más o menos). Energía en una onda de luz de frecuencia F es continua en (1) valor y (2) ubicación. La energía se distribuye en el espacio y si juegas con la perilla de amplitud, puedes hacer que su energía varíe continuamente a cualquier valor que desees. Decir que su energía está cuantificada en pasos de h F significa que la energía de la onda no puede variar continuamente a medida que juegas con la perilla de amplitud. La energía sólo puede rebotar entre diferentes norte h F niveles Sin embargo, ¿esto no significa que la energía tenga que venir en paquetes? Puedo imaginar una ola con energía cuantificada norte h F distribuida continuamente en el espacio (por lo tanto, su energía se cuantifica pero la energía no se cuantifica espacialmente en paquetes. Físicamente, desde una perspectiva clásica, cuantificar la energía no tiene sentido. Sin embargo, matemáticamente/lógicamente, cuantificar la energía de la onda pero no cuantificar la ubicación de la energía está completamente bien Ver procesamiento de señal: señal de amplitud discreta + dominio de tiempo continuo, o dominio discreto + rango continuo, o amplitud discreta y dominio discreto en cuyo caso tiene una señal completamente digital). Por otro lado, decir que la energía te golpea en paquetes (en lugar de golpearte continuamente como en la física clásica) no implica que la energía de esos paquetes deba cuantificarse.

Entonces, ¿un fotón es energía de luz cuantizada en valor y energía cuantizada espacialmente?

Pregunto porque creo que la terminología se vuelve confusa entre diferentes fuentes y personas. Por lo que deduzco, cuando la gente dice que una onda está cuantificada (o algo por el estilo), ya tienen en mente la dualidad onda-partícula. Entonces, en el fondo de su mente, ya cuantificaron la ubicación espacial de la energía (en partículas). Por lo tanto, cuando dicen 'cuantificar la onda' con la oración anterior ya en mente, se refieren específicamente al valor de la energía.

Respuestas (3)

El efecto fotoeléctrico, la radiación de cuerpo negro y los experimentos de doble rendija de un solo fotón a la vez muestran que la onda electromagnética clásica, llamada luz, está formada por entidades que pueden actuar como partículas de energía h*nu.

Este es el experimento de doble rendija de un solo fotón a la vez que muestra que los fotones con energía = h*nu dejan una huella puntual en la "pantalla", y su densidad de probabilidad acumula el patrón de interferencia electromagnética clásica que se espera de la luz clásica de frecuencia nu.

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La parte de cuantización significa que las energías son discretas, no un continuo para la frecuencia específica de la luz clásica. Un paquete de energía incide en la pantalla.

Esto ha llevado a que el fotón sea una partícula elemental en el modelo estándar de la física de partículas elementales.

La luz no se "cuantifica" al cortarla en piezas de energía hnu. Es más complicado que eso y necesita las herramientas de la teoría de campos para comprender el modelo. Como partícula mecánica cuántica elemental, el fotón tiene una función de onda que obedece a una ecuación de Maxwell cuantificada . Las ondas electromagnéticas clásicas emergen de un gran conjunto de fotones según la teoría cuántica de campos, y todo el sistema, clásico y mecánico cuántico, es consistente.

Cuando dices que la luz está formada por partículas de energía h v , para que quede claro, está tomando energía del sentido clásico y cuantificando su ubicación (partículas) y cuantificando su valor ( h v )?
Una partícula mecánica cuántica tiene una función de onda cuyo complejo conjugado al cuadrado dará la densidad de probabilidad para encontrar la partícula en (x, y, z) en el tiempo t. Vea una respuesta mía más extensa sobre el mismo tema aquí physics.stackexchange.com/ preguntas/303458/… . "cuantificar" significa una medida definida. La ubicación es probabilística, se encontró experimentalmente que la energía era h nu la frecuencia de la onda electromagnética clásica que puede ser construida por una gran cantidad de fotones h nu. Es lo que nos dio la naturaleza.
Puedo ver por qué discrepa con la palabra cuantizar. No cuando digo cuantificar la energía en unidades de h F pero cuantificar espacialmente la energía en paquetes/partículas. Aquí solo estoy usando la palabra cuantizar en el sentido de pasar de continuo a discreto. La materia se 'cuantifica' en átomos. Puedo ver por qué prefiere no decir que la energía se cuantifica espacialmente en paquetes porque los fotones se describen mediante una función de onda y, por lo tanto, tienen una densidad de probabilidad. No obstante, incluso con funciones de onda, cada medida de posición da un valor preciso. Solo obtiene diferenciales porque toma muchas medidas diferentes.
Sin embargo, ya sea que usemos la palabra cuantizar o no, desde una perspectiva clásica, la energía pasa de estar dispersa continuamente en el espacio a grumos discretos en el espacio. Esto parece una cuantización espacial de la energía. Pero creo que veo tu punto

Sí.

  • La energía se cuantiza cuando tienes, por ejemplo, confinamiento como en un átomo, o una partícula en una caja (piensa en los modos de ondas estacionarias en una cuerda, ya que ahora la partícula se describe mediante una función de onda). Entonces, cuando un sistema de este tipo emite o absorbe energía, lo hace en cuantos de energía.

  • Y cuando modela la luz como fotones, entonces, dado que son partículas, están, dentro de las limitaciones del principio de incertidumbre, espacialmente localizadas ("ubicación espacial cuantificada" en palabras de OP).

Por supuesto, esa es una respuesta ingenua, que no es QFT, que quizás ya esté aclarando, pero deja espacio para explicaciones más profundas.

Si y no.

Primero el Sí: No hay una sola cuantización, sino muchas cuantizaciones. Para no volvernos filosóficos, miremos la historia.

  • 1900, la ley de Planck de la radiación del cuerpo negro describe la energía de la radiación cuantizada en jorobas de h .
  • 1905, el efecto fotoeléctrico de Einstein describe la luz como cuantizada espacialmente en fotones. Cada fotón transporta la energía cuantificada. h v . Como nota al margen, esta no es en realidad la "prueba" de que la luz está cuantizada, porque obtenemos el mismo resultado si tratamos la luz como continua y el sólido cuantizado. La "prueba" de la cuantización de la luz es en realidad el efecto Compton .
  • 1913, Bohr cuantifica el momento angular de los átomos, explicando así por qué los electrones acotados no irradian.
  • ...
  • Muchos años después, la QED introduce la llamada segunda cuantización.

Ahora el No:

Puedo imaginar una ola con energía. norte h F distribuidos continuamente en el espacio.

¿En realidad? ¿Cómo se ve una ola así? Tomemos la energía de un solo fotón verde y supongamos que distribuimos su energía a lo largo del sistema solar. La amplitud de esta onda casi continua será demasiado pequeña para que cualquier detector pueda medirla.

Gracias por su respuesta. norte h F es solo un numero En la física clásica, la energía es continua y, por supuesto, las ondas tienen energía. Nada impide clásicamente que una onda tenga una energía norte h F ya que la energía es continua (tiene razón, aunque la cuantización de la energía destruye la teoría de la radiación clásica tal como la conocemos, ya que requiere suavidad de la energía). Mi esfuerzo fue mostrar que la cuantización de energía no implica cuantización espacial y viceversa. ¿Está de acuerdo con esta afirmación? Parece que estás diciendo que Planck cuantizó la energía y luego Einstein/Compton cuantificó espacialmente la energía.
Como traté de señalar: estoy de acuerdo contigo en que hay diferentes tipos de cuantizaciones. Es decir, energía, momento angular, espacial (no es que el espacio en sí tenga que cuantificarse, sino que la luz puede cuantificarse en paquetes de ondas)...
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