Теория фотона

[GraNiNi]

Munin в сообщении #648169 писал(а):

Этот электронный газ в приповерхностном слое и отвечает в основном за поглощение и излучение света

Получается масса атомов вообще не у дел?
Но атомы-же осциллируют и эти колебания отражают запасенную ими энергию.
Если свободный электронный газ металла сбрасывает энергию в виде фотонов, то во что преобразуется колебательная энергия атомов?

Металлы я привел для примера, можно было взять и диэлектрики, где электронного газа нет, как там обстоит дело?

[VIP]

Munin в сообщении #648169 писал(а):

VIP в сообщении #648086 писал(а):

Как я понимаю, скалярная безмассовая частица вообще не может существовать.

Почему? Никаких проблем.

Ну раз состояние со спином 0 в фотоне запрещено, потому что он безмассовая частица и следовательно движется со скоростью света. А у скалярной частицы есть только состояние со спином 0.

[Munin]

GraNiNi в сообщении #648199 писал(а):

Получается масса атомов вообще не у дел?

Металлы непрозрачны, вспомните! Да, всё, что внутри - не у дел.

GraNiNi в сообщении #648199 писал(а):

Но атомы-же осциллируют и эти колебания отражают запасенную ими энергию.

Что значит "запасённую ими энергию"? Атом - штука простая, и никаких "жировых запасов" и "аккумуляторов" у него нет. У него есть энергетическое состояние, основное или возбуждённое, и возбуждённое состояние очень короткоживущее: в отдельном состоянии (атом в газе) оно часто распадается с излучением фотона, а в условиях контакта с другими атомами - часто бесстолкновительно, передавая энергию другим атомам, и в движение атомов.

GraNiNi в сообщении #648199 писал(а):

Если свободный электронный газ металла сбрасывает энергию в виде фотонов, то во что преобразуется колебательная энергия атомов?

Колебания атомов - это фононы. Фононы образуют несколько видов (как говорят, ветвей - речь о ветвях дисперсионного графика) - одна "акустическая" ветвь, и от нуля до многих "оптических" ветвей. Из них, акустические фононы не связаны с фотонами, потому что не связаны с относительными перемещениями зарядов, а вот с некоторыми оптическими фононами фотоны могут быть связаны - тогда и колебания атомов приводят к излучению фотонов. Но это больше относится к неметаллам, а в металлах электронный способ излучения играет подавляющую роль.

GraNiNi в сообщении #648199 писал(а):

Металлы я привел для примера, можно было взять и диэлектрики, где электронного газа нет, как там обстоит дело?

Существует много разных типов внутреннего устройства твёрдых тел, не только два. В их многообразии я не разбираюсь хорошо. Можно углубиться в учебники, например, Ашкрофт-Мермин.

VIP в сообщении #648212 писал(а):

Ну раз состояние со спином 0 в фотоне запрещено, потому что он безмассовая частица и следовательно движется со скоростью света. А у скалярной частицы есть только состояние со спином 0.

У безмассовых частиц запрещены состояния со спином, имеющим немаксимальную величину проекции на направление движения. Например, вообще у частиц со спином 1 бывает три состояния, по отношению к любой оси: с проекцией спина -1, 0, +1. А у фотонов, если взять ось, совпадающую с направлением движения, будет только -1 и +1 (а на другие оси - смешанные состояния). Но это же и для других спинов:
0: 0, без массы - 0
1/2: -1/2, +1/2, без массы -1/2, +1/2
1: -1, 0, +1, без массы -1, +1
3/2: -3/2, -1/2, +1/2, +3/2, без массы -3/2, +3/2
2: -2, -1, 0, +1, +2, без массы -2, +2
и так далее. Не все эти варианты реализуются реально в физике, поскольку безмассовых частиц вообще очень мало, но по крайней мере по теоретическим возможностям - это так. Гравитон имеет спин 2 и безмассовый. В теориях суперсимметрии есть частицы спина 0, 1/2 и 3/2, часто тоже безмассовые. Спины выше 2 встречаются в составных частицах (адроны, ядра), но безмассовые элементарные - что-то я не слышал.

[GraNiNi]

Спасибо, что уделяете внимание моим вопросам.
Вы, как профи, для себя, конечно представляете картину происходящих явлений, но у меня она пока не складывается, или точнее, есть представление, но нет объяснения.

Munin в сообщении #648230 писал(а):

Атом - штука простая, и никаких "жировых запасов" и "аккумуляторов" у него нет.

Под запасами я имею ввиду энергию, запасаемую в веществе, обладающего теплоемкостью, при его умеренном нагреве.
Естественно эта энергия запасется осциллирующими атомами вещества, а расходуется путем превращения в излучения ИК фотонов по мере остывания.
Как это превращение происходит?
Для атомов, отличающихся массами, частота осцилляций также будет разная, чем масса атома больше - тем меньше частота, и разница может быть в разы.
В моем представлении, в различных веществах, нагретых до одинаковой температуры, имеется свое распределение по энергиям этих осцилляторов, вокруг своей опорной частоты, определяемой массой атома.
Но мне непонятно, как из этих разных распределений возникают одинаковые спектры теплового излучения ИК фотонов.
Как бы все это препарировать на уровне акта рождения фотона электроном.

Литературу я конечно посмотрю, но по опыту знаю, что за дебрями математических выкладок, очень трудно найти простые и понятные ответы.

[fizeg]

VIP
С безмассовой скалярной частицы фундаментальных проблем не, но ее трудно удержать безмассовой потому что обычно в радиационных поправках собирается всякая гадость. В принципе их можно получить в суперсимметричных теориях, да как гольдстоуновские бозоны при спонтанном нарушении точной и некалибровочной симметрии.

Munin

Munin в сообщении #648230 писал(а):

Спины выше 2 встречаются в составных частицах (адроны, ядра), но безмассовые элементарные - что-то я не слышал.

С фундаментальными частицами высоких спинов есть проблемы. Если есть масса, то только на низких энергиях, потому что начиная с некоторого момента те же проблемы с унитарностью, что и у векторных бозонов. Если безмассовые, то калибровочная симметрия связана с некоторыми сохраняющимися токами. Для спина больше двойки у токов оказывается слишком много значков и при наличии какого-либо взаимодействия появляются проблемы с теоремами вроде Колмана-Мандулы. Вроде есть и другие проблемы. Помнится Вайнберг об этом не раз писал.
Вроде как это удается обойти только если в теории есть частицы ВСЕХ спинов, как например в струнах

[VIP]

Munin в сообщении #648230 писал(а):

VIP в сообщении #648212 писал(а):

Ну раз состояние со спином 0 в фотоне запрещено, потому что он безмассовая частица и следовательно движется со скоростью света. А у скалярной частицы есть только состояние со спином 0.

У безмассовых частиц запрещены состояния со спином, имеющим немаксимальную величину проекции на направление движения.
2: -2, -1, 0, +1, +2, без массы -2, +2
и так далее.

но из этого следует что фотон мог бы иметь спин 2. Спин 1 и спин 2 не различаются для безмассовых частиц в смысле что оба имеют только два направления поляризации. Из чего же следует что он имеет спин 1?

[fizeg]

VIP
Дело не только в количестве поляризаций, но и как объект меняется относительно преобразований Лоренца и возможных взаимодействиях (одно с другим тесно связано)

[VIP]

fizeg в сообщении #648339 писал(а):

VIP
Дело не только в количестве поляризаций, но и как объект меняется относительно преобразований Лоренца

Поясните пожалуйста.

И наконец, хотя я понимаю почему фотон бозон. Из следствия что оператор обобщенных координат $\hat{Q}_{k\alpha}$ и оператор обобщенных импульсов $\hat{P}_{k\alpha}$ имеют правило коммутации
$\hat{P}_{k\alpha}\hat{Q}_{k\alpha}-\hat{Q}_{k\alpha}\hat{P}_{k\alpha}=-i$
но само правило в БЛП, IV стр. 21 не выводится, просто говорится что оно должно быть таким.
Как я понимаю оно является следствием того что мы применяем здесь скобку Пуассона? Именно поэтому здесь стоит минус а не плюс, тогда был бы фермион.
То есть, как я понимаю из того факта что электромагнитное поле имеет классический аналог, то мы должны использовать форму коммутатора эквивалентную форме скобок Пуассона, и никак иначе?

[Munin]

GraNiNi в сообщении #648324 писал(а):

Вы, как профи, для себя, конечно представляете картину происходящих явлений, но у меня она пока не складывается, или точнее, есть представление, но нет объяснения.

А я подзабыл, какой у вас уровень. Если напомните, будет легче ориентироваться.

GraNiNi в сообщении #648324 писал(а):

Под запасами я имею ввиду энергию, запасаемую в веществе, обладающего теплоемкостью, при его умеренном нагреве.
Естественно эта энергия запасется осциллирующими атомами вещества, а расходуется путем превращения в излучения ИК фотонов по мере остывания.

Атом - штука довольно "элементарная", с термодинамической точки зрения. У него есть несколько возбуждённых уровней, но они на довольно большом расстоянии от основного - обычно где-то единицы - десятые доли эВ. Комнатная температура - см. мою подпись :-) - 0,025 эВ, то есть энергии $kT$ в среднем не хватает на то, чтобы возбудить эти уровни. (Их заселённость даётся примерно множителем $e^{-E/kT},$ так что вообще говоря, возбуждённых атомов в моле вещества ($N_A\sim 10^{23}$) достаточно, но в качестве доли от общего количества - мало.)

Так что энергия, запасаемая в веществе, "хранится" в нём не внутри атомов, а в энергии движения атомов, и в потенциальной энергии их взаимодействий друг с другом. Почему неправильно считать их отдельными "осциллирующими" атомами, я уже говорил выше, могу повторить. В уже двухатомной молекуле появляются энергетические уровни колебательных и вращательных возбуждений, расположенные гораздо плотнее, чем уровни отдельного атома, а в многоатомной молекуле они расположены ещё плотнее (количество уровней растёт, а приходятся они на один и тот же диапазон энергии - до энергии ионизации). В пределе в твёрдой фазе уровни расположены уже так плотно, что неотличимы от континуума. Но каждый уровень - это возбуждение сразу всех атомов, или по крайней мере многих (тысячи и миллионы, например), а вовсе не одиночных "атомных осцилляторов".

На что расходуется энергия колебаний - зависит от такой обычной штуки, как механизмы теплопроводности. Часть колебаний передаётся окружающим телам, часть излучается. Часто излучается далеко не большая часть энергии. Кроме того, как именно излучаются ИК-фотоны - дело не всегда простое, хорошо если есть море электронов, как в металле, а иначе кристаллу приходится придумывать сложности, ведь колебания атома как целого - электрически нейтральны, и электромагнитную волну возбудить не могут.

GraNiNi в сообщении #648324 писал(а):

В моем представлении, в различных веществах, нагретых до одинаковой температуры, имеется свое распределение по энергиям этих осцилляторов, вокруг своей опорной частоты, определяемой массой атома.

Ну так ещё раз: вещество (когда оно не газ, а твёрдая или жидкая фаза) представляет собой не "атомные осцилляторы", а другие осцилляторы, и у них нет "опорной частоты", а есть огромные энергетические зоны, в которых они могут принимать энергии. По этим зонам заселённость распределяется в зависимости от статистики, в частности для фононов (это бозоны) работает статистика Бозе $1/(e^{E/kT}-1),$ вдали от нуля приближённо равная $e^{-E/kT}.$

GraNiNi в сообщении #648324 писал(а):

Но мне непонятно, как из этих разных распределений возникают одинаковые спектры теплового излучения ИК фотонов.

Никак. Потому что когда атомы живут по отдельности, например, в виде газа, то у них и спектры разные. А когда они собираются вместе, то у них осцилляторы другие.

GraNiNi в сообщении #648324 писал(а):

Литературу я конечно посмотрю, но по опыту знаю, что за дебрями математических выкладок, очень трудно найти простые и понятные ответы.

Трудно, если относиться к делу спустя рукава, и на выкладки смотреть как баран на новые ворота, а не пытаться их читать и понимать. Да, это требует труда, и поначалу непросто. Ну а вы чего хотели?

GraNiNi в сообщении #648324 писал(а):

Как бы все это препарировать на уровне акта рождения фотона электроном.

На уровне акта рождения фотона электроном - проще всего рассмотреть два случая: переход в отдельном атоме, например, атоме водорода, и переход в непрерывном спектре (свободный электрон не излучает, ну надо какой-то потенциал ввести).

VIP в сообщении #648334 писал(а):

но из этого следует что фотон мог бы иметь спин 2. Спин 1 и спин 2 не различаются для безмассовых частиц в смысле что оба имеют только два направления поляризации.

Спин - это не только количество направлений поляризации, но ещё и конкретная величина (грубо говоря, хотя бы, собственный момент импульса, переносимый одной частицей). Так что спин фотона 1, а спин гравитона 2, по независящим от числа направлений поляризации обстоятельствам. Скорее наоборот, это число поляризаций определяется спином. Но даже хотя их и две и там и там, они разные. Две линейные поляризации фотона переходят одна в другую при повороте прибора на 90°, а две линейные поляризации гравитона переходят одна в другую при повороте прибора на 45°.

-- 23.11.2012 01:27:18 --

VIP в сообщении #648376 писал(а):

И наконец, хотя я понимаю почему фотон бозон.

Про теорему о связи спина со статистикой рассказывал Фейнман в книжке, кажется, "Элементарные частицы и законы физики" (совместной с Вайнбергом).

[VIP]

Munin в сообщении #648389 писал(а):

Про теорему о связи спина со статистикой рассказывал Фейнман в книжке, кажется, "Элементарные частицы и законы физики" (совместной с Вайнбергом).

Не в этом дело. Связь спина со статистикой понятна. Непонятно как получили эту формулу в БЛП, из которой они сделали вывод что это бозон.

[GraNiNi]

Munin в сообщении #648389 писал(а):

Кроме того, как именно излучаются ИК-фотоны - дело не всегда простое,

Вот это меня и интересует.

Все что Вы описали с уровнями колебательного и вращательного возбуждения мне понятно и знакомо (по образованию я химик, но не теоретик).
Я намеренно все упрощаю и избегаю говорить о молекулах, их спектрах ИК излучения, кристаллах, фононах, плазмонах, поляритонах и пр.
Меня интересует механизм образования сплошного теплового (Планковского) спектра, который у всех веществ одинаков, будь это металл, кристалл или жидкость, когда они нагреты до одинаковой температуры.
То есть, основная мысль - вещества разные, а спектры излучения - одинаковы.
Как эта одинаковость возникает?
Это должно быть просто, но суть от меня ускользает.

[Physman]

GraNiNi в сообщении #648427 писал(а):

То есть, основная мысль - вещества разные, а спектры излучения - одинаковы.

Дело в том, что при выводе распределения Планка нигде не фигурирует род вещества. Единственное, что принимается за данность, это бозонный характер частиц. Атомы обычно можно считать бозонами. (Посмотрите 8 том ФЛФ, как вам предложил Munin). Конечно, нужно помнить, что формула Планка выведена в рамках модели. Солнечный спектр, например, ею хорошо описывается, но далеко не совпадает с ней. Формула Планка по сути даёт только плавную огибающую спектра.

[Munin]

GraNiNi в сообщении #648427 писал(а):

Я намеренно все упрощаю и избегаю говорить о молекулах, их спектрах ИК излучения, кристаллах, фононах, плазмонах, поляритонах и пр.

А нельзя этого делать. Получается переупрощение, вещь недопустимая. Нельзя, например, обсуждать вывод на орбиту спутников, пользуясь моделью Земли на трёх китах, - выводы, которые получатся, не будут иметь к реальности никакого отношения. Это одна из базовых ошибок.

Объединение атомов в молекулы и кристаллы существеннейшим, определяющим образом влияет на спектры и механизмы излучения, значит, нельзя эти обстоятельства сбрасывать со счётов. По сути, излучают с этого момента уже не атомы, а молекулы, кристаллы.

GraNiNi в сообщении #648427 писал(а):

Меня интересует механизм образования сплошного теплового (Планковского) спектра, который у всех веществ одинаков, будь это металл, кристалл или жидкость, когда они нагреты до одинаковой температуры.

Даже просто в таком виде это неверно. Вспомните про кристаллы типа кристаллической серы, или про жидкости типа воды. Но самое главное - включите в своё рассмотрение газы. И вы увидите, что спектр у них вовсе не сплошной планковский, а произведение планковского на картину узких линий.

Теперь задачу можно разделить. Оказывается, спектр не для всех веществ одинаковый, а распадается на два множителя, один из которых одинаковый, а другой - разный. Один зависит от температуры, другой - от вещества (а от температуры не зависит). Просто для тех примеров, которые вы рассматривали, второй множитель оказался одинаковым, в том диапазоне, который вы рассмотрели, и с приемлемой для вас погрешностью. Вот почему это произошло, я и пытался вам рассказать.

GraNiNi в сообщении #648427 писал(а):

Это должно быть просто, но суть от меня ускользает.

Потому что вы намеренно избегаете говорить о том, что именно и отвечает на ваш вопрос. Бывает такое. Ничего страшного, если вовремя исправить.

-- 23.11.2012 16:28:39 --

Physman в сообщении #648497 писал(а):

Дело в том, что при выводе распределения Планка нигде не фигурирует род вещества. Единственное, что принимается за данность, это бозонный характер частиц. Атомы обычно можно считать бозонами.

Э нет, речь о том, что фотоны - бозоны. А это уже гарантированно точно, а не "обычно можно считать". А излучающие частицы могут быть любой статистики, главное, что они находятся в т.-д. равновесии и между собой, и с фотонами - тогда фотоны автоматически принимают форму планковской кривой - умножить на коэффициенты излучения/поглощения, зависящие от частоты.

-- 23.11.2012 16:30:55 --

Munin в сообщении #648527 писал(а):

умножить на коэффициенты излучения/поглощения, зависящие от частоты

Последнее - только для описания излучения вещества, а если приводить вещество в равновесие с фотонами, то фотоны на всех частотах станут планковскими, просто за разное характерное время, обратное коэффициенту излучения/поглощения.

[Physman]

Munin в сообщении #648527 писал(а):

фотоны - бозоны. А это уже гарантированно точно, а не "обычно можно считать"

Простите, пожалуйста, думаю одно, пишу другое. Я, конечно, хотел написать "фотоны" вместо "атомы". Насчёт "гарантированно точно" - много ведь дискуссий по этому поводу. Фотоны во многом ведут себя как бозоны. Но я опасаюсь резких высказываний типа "фотон-бозон". (Ну это ведь всё равно, что говорить про спин фотона. Спином это свойство стоит назвать, или как-то по-другому... - аналог спина - есть.)

[VIP]

Ладно, фотон не имеет амплитуды вероятности, имеет только волновую функцию. Это говорит что он не квантомеханический объект, а квантополевой. Но для него существует только вторичное квантование, и вот это вторичное квантование производится из формулы в Лившице БЛП, IV стр. 21 что я привел выше. Вот как её получить используя только электродинамику и процедуру вторичного квантования, без априорного утверждения что фотон бозон? Ведь они фактически получают вывод что он бозон из результата вторичного квантования, неужели как я рассуждали?
Или это накладывается как аксиома для процесса квантования электромагнитного поля? Что не есть хорошо.