一个电子吸收和重新发射一个光子需要多少时间?

时间:2021-10-13 09:04:53   作者:
电子对光子的吸收是所有物理学中最精确模拟的现象之一,特别是费曼的量子场论——量子电动力学(QED)。因此,任何对学习这一领域的真实物理感兴趣的人都有非常丰富的资源可以学习更多。费曼的一本通俗易懂的书《量子电动力学》(QED)是一个很好的起点。在这本书中,费曼成功地在不使用任何数学的情况下,准确地解释了他的量子电动力学理论的基本原理。

一个电子吸收和重新发射一个光子需要多少时间

与其简单地给你一个数字或方程式,请允许我提出一些更有力的建议。我要用你的问题作为一个例子来说明如何分析问题并想出如何解决它,如果它是可以解决的。

(1)用最熟悉的词语表达你的问题。

当你问一个电子吸收和重新发射一个光子需要多长时间时,这正确地用量子术语表述了这个问题。但是如果你把它们反过来想想经典的问题是什么呢?重点是你说的重新发射。所以,我们讨论的不是像炭黑这样的电子吸收并保留电子。但当我们说光穿过某物,却没有被某物永久吸收时,我们称之为透明度。

如果透明物质对穿过它们的光没有影响,光就会穿过它们,就好像那里什么都没有一样。但任何看过光的人都知道事实并非如此。眼镜会使光线重新聚焦,钻石会使光线闪烁,鱼缸会奇怪地弯曲角度,并像镜子一样在某些角度反射,棱镜会弯曲并分离光的频率。因此,虽然透明材料不能永久吸收光,但它们至少必须暂时吸收并重新发射光,否则它们将无法实现这种效果。这也是量子电动力学所说的:物质与光的所有相互作用归结为带电粒子对光的吸收和再发射,而电子无疑是这类粒子中最重要的。

这很好。这意味着我们已经把量子术语翻译成更熟悉的东西:透明的东西也一定是从它的电子中吸收和发射光子。

(2)使用这种新的、更熟悉的形式,寻找一种更简单的测试方法。

探测一个电子吸收和重新发射的光子需要极其复杂和昂贵的设备。但是现在我们很确定透明只是大规模的光子吸收/再发射,那么用什么来代替单个原子呢?答案当然是使用一大块玻璃、晶体或水,寻找它是如何延迟光子的,并弄清楚如何将结果缩小到单个原子。那容易多了!

检查您需要的数据是否已经存在。这似乎是显而易见的,但你会惊讶地发现,人们经常会投入到没有真正提供新数据的实验中。人们总是应该首先检查是否已经有了好的数据。这不仅可以节省时间,还可以极大地放大你所做的任何新测试的影响。

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所以,这是到目前为止更新的批量延迟计划:用玻璃照射光线,看看延迟了多少,然后弄清楚这是如何转化为每次吸收/重新发射的延迟的。但是,再一次,直接测量光穿过一块玻璃的速度是非常困难和昂贵的,需要超快的激光、超快的摄影和一流的计时器。当然,有一个更简单、更简单的方法来回答这个问题,因为有很多关于许多材料的光学特性的数据。

这条线索就在关于任何透明材料的特性的首批数据之一——折射率中。以下是折射率的定义:

一个电子吸收和重新发射一个光子需要多少时间

然而,还有第二个问题,即光必须通过多少电子才能产生给定的延迟。这是相当合理的假设,对任何一个原子或分子的吸收和再发射是由一个电子处理的,因为光子保持完整,并继续移动到下一个原子或分子后,它被延迟。

因此,有多少电子捕获并抛掷光子的问题就变成了有多少原子或分子在它的路径上。没有这个数据,就没有办法回到最初的每个电子延迟(假设每个原子延迟一次)的问题。
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