Доказывает ли фотоэффект "корпускулярную природу света"?

[rustot]

вот честно не помню такого. что фотоны всуе поминали, что свет состоит из фотонов, это было, а чтоб хоть как то в деталях не помню. может это недавно появилось

[Munin]

Разумеется, никаких деталей. Единственная формула про фотоны - пресловутая $E=h\nu.$

[apex]

Вообще говоря для объяснения фотоэффекта (в т.ч. количественного) достаточно квантования вещества. Я уже давно далёк от этого, потому ограничусь цитатой (Скалли М.О., Зубайри М.С. Квантовая оптика, с. 24 и далее):

[Munin]

Одного фотоэффекта, взятого по отдельности, - может быть. Но совокупность квантовых опытов приводит к необходимости квантования в том числе и поля (то есть, к необходимости существования фотонов). Например, статистика Бозе-Эйнштейна: формула Планка, законы индуцированного излучения и лазеры.

[DimaM]

Munin в сообщении #934600 писал(а):

Например, статистика Бозе-Эйнштейна: формула Планка, законы индуцированного излучения и лазеры.

Кажется, еще эффект Комптона.

[Munin]

Я как-то подбирал целый список опытов, с указанием, какой из них что доказывает, из многих аспектов понятия "фотон". Комптон да, был. Но он скорее доказывет, что фотон - механическая частица: имеет энергию и импульс.

[apex]

Munin в сообщении #934600 писал(а):

Одного фотоэффекта, взятого по отдельности, - может быть. Но совокупность квантовых опытов приводит к необходимости квантования в том числе и поля (то есть, к необходимости существования фотонов). Например, статистика Бозе-Эйнштейна: формула Планка, законы индуцированного излучения и лазеры.

Да, безусловно это так.
Однако не так много проблем где квантование поля действательно необходимо. Та же $E=\hbar \omega$ — чисто квантовомеханическая формула, квантование поля для неё не требуется.
Вынужденное излучение (в отличии, кстати, от спонтанного) может быть получено для кванотванного осциллятора (или атома) в классическом электромагнитном поле. То же касается лазеров (естественно, не во всех деталях, однако — во многих). Не говоря уже о том, что для лазеров на свободных электронах имеется вполне приемлемая количественная чисто классическая теория.
Квантование же поля необходимо для объяснение более «тонких» деталей, таких как непуассоновский свет, эффект Казимира, лэмбовский сдвиг.

-- Сб ноя 22, 2014 18:54:35 --

DimaM в сообщении #934618 писал(а):

Munin в сообщении #934600 писал(а):

Например, статистика Бозе-Эйнштейна: формула Планка, законы индуцированного излучения и лазеры.

Кажется, еще эффект Комптона.

К примеру, здесь — эффект Комптона в полуклассическом рассмотрении

[Munin]

apex в сообщении #934750 писал(а):

Однако не так много проблем где квантование поля действательно необходимо.

Ну, я так думаю, это зависит от того, где смотреть. В физике высоких энергий - на каждом шагу. А на атомном уровне, или каком-нибудь ещё выше (химия, кондмат) - наверное, нет. Ну разве что лазеры и какая-нить нелинейная оптика.

apex в сообщении #934750 писал(а):

Вынужденное излучение (в отличии, кстати, от спонтанного) может быть получено для кванотванного осциллятора (или атома) в классическом электромагнитном поле.

Может быть получено, но качественно. Не все законы вынужденного излучения можно так воспроизвести. Нельзя - коэффициенты Эйнштейна, например.

apex в сообщении #934750 писал(а):

Не говоря уже о том, что для лазеров на свободных электронах имеется вполне приемлемая количественная чисто классическая теория.

Ну, не все же лазеры - на свободных электронах :-)

В общем, все эти возражения верны, но не отменяют того факта, что поле квантуется, и это вполне обосновано экспериментами.

[apex]

И всё же я немного позанудствую.

Во-первых если идти до конца, то поле в любом случае придётся квантовать. Уже хотя-бы потому, что квантовая механика вместе с классической электродинамикой дают внутренне противоречивую теорию.

Однако для объяснения многих «ширпотребных» эффектов этого не требуется. Причем действительно очень и очень многих.

Выражения для коэффициентов Эйнштейна получаются в полуклассическом (т.е. КМ + классическая электродинамика) изложении в теории возмущений. И это не качественный результат, не методический выкрутас, а именно тот путь которым идут при решении такого рода задач. То же касается практически всей нелинейной оптики, включая существенно квантовые тонкости навроде лазеров без инверсии населенностей.

Весь юмор ситуации в том, что практически единственный существенный результат, который невозможно получить в последовательном полуклассическом изложении — это наличие как раз-таки спонтанного излучения (т.е. излучательных переходов в отсутствие внешнего поля)! Ну и, естественно, всех родственных вопросов: в случае лазера это задача нахождения ширины линии генерации.

Однако тут имеется вполне общепринятый (хотя и совершенно непоследовательный) приём — понятие о вакуумных флуктуациях (стохастическая электродинамика). Скажем спонтанное излучение можно свести к вынужденному в присутствии вакуумных флуктуаций. И так решаются (со всеми значимыми нюансами) уже почти что любые задачи взаимодействия электромагнитного излучения с веществом (про физику высоких энергий судить не берусь). Однако остаются и пробелы. К примеру, интерферометрия интенсивностей которой на практике измеряют диаметры звёзд.

Ну и в качестве методической закуски — полностью классическое (т.е. вообще без КМ) рассмотрение эффекта Комптона. Причем весьма поучительное (The classical theory is presented and the quantum rules for the interaction of an electromagnetic wave with a charged particle are established).

[vlapay]

apex в сообщении #934971 писал(а):

Ну и в качестве методической закуски — полностью классическое (т.е. вообще без КМ) рассмотрение эффекта Комптона. Причем весьма поучительное (The classical theory is presented and the quantum rules for the interaction of an electromagnetic wave with a charged particle are established).

Это как - полностью классический вывод, в котором фигурирует постоянная Планка?

[Munin]

apex в сообщении #934971 писал(а):

Во-первых если идти до конца, то поле в любом случае придётся квантовать. Уже хотя-бы потому, что квантовая механика вместе с классической электродинамикой дают внутренне противоречивую теорию.

Ну, +1.

apex в сообщении #934971 писал(а):

Однако для объяснения многих «ширпотребных» эффектов этого не требуется. Причем действительно очень и очень многих.

Ещё раз: речь идёт не просто о каких-то эффектах, а о некоторых свойствах и соотношениях этих эффектов. Для каждого эффекта можно найти такие его свойства, которые полуклассическим рассмотрением воспроизвести нельзя.

apex в сообщении #934971 писал(а):

Весь юмор ситуации в том, что практически единственный существенный результат, который невозможно получить в последовательном полуклассическом изложении — это наличие как раз-таки спонтанного излучения (т.е. излучательных переходов в отсутствие внешнего поля)!

Так вроде, один из коэффициентов Эйнштейна как раз ему и отвечает. У вас взаимно противоречивые параграфы?

apex в сообщении #934971 писал(а):

Ну и, естественно, всех родственных вопросов: в случае лазера это задача нахождения ширины линии генерации.

В случае атома - ширина линии излучения, так?

[amon]

Munin в сообщении #935281 писал(а):

В случае атома - ширина линии излучения, так?

С шириной линии излучения лазера все хитрее. Она, в общем случае, не совпадает ни с шириной контура усиления (линии излучения), ни с шириной резонаторной линии, а определяется из уравнения, аналогичного уравнению Ван-дер-Пола (почему-то у нас пишут Поля), для ламповых генераторов.

-- 24.11.2014, 01:49 --

Munin в сообщении #935281 писал(а):

Так вроде, один из коэффициентов Эйнштейна как раз ему и отвечает. У вас взаимно противоречивые параграфы?

Обычно городится такая конструкция. Соотношения Эйнштейна, связывающие сечения спонтанного и вынужденного излучения. Штука термодинамическая, квантовой механики не требует. Вынужденное излучение - процесс, обратный поглощению фотона. Сечения равны, а сечение поглощения благополучно считается обычной квантовой механикой. После этого все раскручивается в обратную сторону. Так что процедура непротиворечивая.

[Munin]

amon в сообщении #935348 писал(а):

Штука термодинамическая, квантовой механики не требует.

Ну да, только в этот момент надо предположить, что спонтанное излучение вообще не ноль.

[amon]

Munin в сообщении #935427 писал(а):

Ну да, только в этот момент надо предположить, что спонтанное излучение вообще не ноль.

Это (не ноль) из термодинамики следует. Другое дело, что в нерелятивистской квантовой механике все стационарные состояния живут вечно и термодинамический результат из нее не получить. Об этом, как я понял, apex и говорил.

[Munin]

amon в сообщении #935478 писал(а):

Это (не ноль) из термодинамики следует.

Не-а. В принципе не может из неё следовать. Потому что термодинамика - теория, которая всегда накладывается поверх детальной микротеории. Те процессы, которых микротеория не позволяет, их и термодинамика позволять не имеет права. Вспомните пример: возьмём прямоугольный резонатор с идеальными стенками, и фотоны в нём будут вечно пребывать в исходном распределении по энергиям, пока в него не введут бесконечно малую неидеальность - "пылинку Планка", которая придёт с излучением в тепловое равновесие, и распределение станет планковским. Термодинамика не требует, чтобы фотоны начали взаимодействовать между собой - не имеет права - а всего лишь рапортует, что время установления теплового равновесия ушло в бесконечность.

Конечно, этот не ноль следует из унитарности гамильтониана, например. Но для этого обе составляющие подсистемы - и электрон, и поле - должны быть квантованными. Для чисто квантовых систем есть аналогичный закон - теорема Лиувилля о сохранении фазового потока. А для полуклассических систем никаких таких законов нет.