Question:
L'effet photoélectrique peut-il être expliqué sans photons?
user4552
2013-06-15 21:29:07 UTC
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Lamb 1969 déclare,

Une idée fausse que la plupart des physiciens acquièrent dans leurs années de formation est que l'effet photoélectrique nécessite la quantification du champ électromagnétique pour son explication. [...] En fait nous verrons que l'effet photoélectrique peut être complètement expliqué sans invoquer le concept de "quanta de lumière".

Le papier donne un description dans laquelle un atome est ionisé par la lumière, l'atome étant traité de manière quantique mais la lumière étant traitée comme une onde classique.

Est-il vrai que tous les traitements standards dans les manuels se trompent?

Lamb et Scully "L'effet photoélectrique sans photons", dans "Polarisation, Matière et Rayonnement", Volume en l'honneur d'A. Kastler (Presses Universitaires de France, Paris, 1969) - peut être trouvé en ligne par googler

voir aussi la discussion sur https://www.physicsforums.com/threads/lamb-and-the-photoelectric-effect-without-photons.372653/
Au moins un livre standard d'introduction à la physique ne se trompe pas - _Physics_ par Resnick, Halliday et Krane;5e éd., Wiley, NJ.
Une question étroitement liée est de savoir si les lasers peuvent être expliqués sans photons.Il nous est toujours ouvert: https://physics.stackexchange.com/questions/408539/is-a-purely-classical-description-of-lasers-possible
Neuf réponses:
#1
+42
Arnold Neumaier
2014-08-18 17:55:09 UTC
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Oui, l'effet photoélectrique peut s'expliquer sans photons!

On peut le lire dans

L. Mandel et E. Wolf, Optical Coherence and Quantum Optics, Cambridge University Press, 1995,

une référence standard pour l'optique quantique. Les sections 9.1-9.5 montrent que le champ électronique répond à un champ de rayonnement électromagnétique externe classique en émettant des électrons selon les probabilités de la loi de Poisson, très similaires à celles interprétées par Einstein en termes de particules lumineuses. Ainsi, le détecteur quantique produit des clics discrets distribués de Poisson, bien que la source soit complètement continue et qu'il n'y ait pas du tout de photons dans le modèle de mécanique quantique. L'espace d'états de ce système quantique se compose uniquement d'états multiélectroniques. Donc, ici, le système multi-électrons (suivi d'un processus de décohérence macroscopique qui conduit à la localisation de points multiples du champ d'électrons émis) est responsable de la création du motif de points. Cela prouve que les clics ne peuvent pas être considérés comme une preuve de l'existence de photons.

Une collection intéressante d'articles expliquant différentes vues actuelles se trouve dans

  The Nature of Light : What Is a Photon? Optics and Photonics News, octobre 2003 http://www.osa-opn.org/Content/ViewFile.aspx? Id = 3185  

Une discussion plus approfondie est donnée dans le entrée «L'effet photoélectrique» de ma FAQ sur la physique théorique à http://www.mat.univie.ac.at/~neum/physfaq/physics-faq.html. Voir aussi les diapositives de mes conférences http://www.mat.univie.ac.at/~neum/ms/lightslides.pdf et http://www.mat.univie.ac .at / ~ neum / ms / optslides.pdf.

Le QED et les photons sont bien sûr nécessaires pour expliquer les effets quantiques spéciaux de la lumière révélés dans les expériences modernes, mais pas pour l'effet photoélectrique.

+1 parce que c'était le genre de chose que j'attendais comme réponse à cette question, plutôt que l'auto-réponse en haut.Je ne peux pas croire que cette réponse soit si basse.
Vous êtes silencieux sur le fait qu'une telle explication viole la conservation de l'énergie.
@BenCrowell: L'énergie n'est jamais conservée dans les interactions avec les champs externes.Ce n'est donc pas un contre-argument valable.
L'énergie est toujours conservée.Si vous n'êtes pas clair sur ce raisonnement, vous voudrez peut-être lire ma réponse.
@BenCrowell: Par rapport à vous, je considère un scénario légèrement différent où l'on ne peut pas demander des économies d'énergie parce que le champ extérieur fournit l'énergie.Pour un pendule forcé (situation tout à fait analogue), l'énergie n'est pas non plus conservée.
+1 la propriété mécanique quantique de la lumière n'est révélée que si l'on prépare la lumière dans certains états spéciaux.Et étudier ces effets est une entreprise distincte.Pas l'effet photoélectrique.
#2
+33
user4552
2013-06-15 21:29:07 UTC
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L'article de Lamb-Scully est un bon exemple de la façon dont même un lauréat du prix Nobel peut parfois écrire un mauvais article.

Le contexte historique est important. Einstein a émis l'hypothèse du photon en 1905, mais son article était en avance sur son temps et n'était pas largement accepté. Pendant des décennies après, même une fois que la nature mécanique quantique de l ' atome a été assumée par tous les physiciens, la nature mécanique quantique de la lumière a été considérée comme suspecte. Bohr a joué un rôle important dans la promotion d'une théorie dans laquelle les atomes étaient quantifiés, mais la lumière qu'ils absorbaient et émettaient était classique. Lamb a commencé sa carrière à cette époque.

Si vous lisez l'article de Lamb-Scully, la première chose que vous remarquez est qu'ils déclarent explicitement que les photons sont absolument nécessaires pour expliquer des phénomènes tels que le rayonnement du corps noir, Compton diffusion, émission spontanée et décalage de Lamb. Tous les internautes qui essaient de citer Lamb et Scully comme des autorités contre la quantification de la lumière sont loin de la base.

Comme dans l'approche sans issue à l'ancienne de Bohr, ils traitent ensuite l'atome comme une mécanique quantique système et le champ électromagnétique comme un système classique. Ils sont capables de reproduire la relation d'Einstein $ E = hf-W $ , où $ E $ est le énergie maximale de l'électron une fois qu'il quitte la cathode, $ h $ est la constante de Planck de mécanique quantique, $ f $ est la fréquence de la lumière, et $ W $ est l'énergie nécessaire à l'électron pour s'échapper à travers la surface de la cathode. Ce n'est pas particulièrement surprenant ou impressionnant dans un calcul quantique / classique bâtard comme celui-ci; essentiellement, il dit simplement que l'onde lumineuse doit avoir l'énergie retirée à une fréquence de résonance de l'atome, cette fréquence doit correspondre à sa propre fréquence.

Ils montrent également que le taux de transition est différent de zéro même lorsque la lumière est allumée pour la première fois, en disant que leur résultat "n'implique certainement pas le 'retard' auquel certaines personnes s'attendaient pour les photoélectrons produits par un champ em classique . " Ce résultat n'est pas aussi impressionnant qu'ils le font paraître, puisque la prédiction classique est ce que l'on attend d'une onde lumineuse classique frappant des atomes classiques .

En fait, la vitesse de transition ils dérivent montre le vrai problème avec leur calcul. Leur calcul traite chaque atome comme indépendant de tous les autres atomes. Par conséquent, si un flash classique de lumière avec de l'énergie $ W $ illumine la cathode, il peut ioniser plus d'un atome, violant ainsi la conservation de l'énergie. Ce résultat non physique montre le contraire de ce qu'ils prétendent; cela montre que leur Frankenstein mixte quantique-classique ne parvient pas à fournir une explication physiquement acceptable de l'effet photoélectrique. Ce dont ils ont vraiment besoin, c'est d'un enchevêtrement de mécanique quantique entre les différentes parties du paquet d'ondes du photon, de sorte que si le photon est observé à l'atome A, il est garanti de ne pas être observé à l'atome B. Sans cette action fantasmagorique de la mécanique quantique à distance, "leur théorie viole la conservation de l'énergie.

Ce problème a été reconnu très tôt dans le développement de la" vieille "théorie quantique, et il a conduit à la Bohr-Kramers-Slater (BKS) théorie, dans laquelle l'énergie et l'élan étaient supposés être conservés uniquement sur une base statistique. Des expériences dès Bothe 1925 ont falsifié la théorie BKS en montrant que lorsque des rayons X étaient émis dans une onde sphérique dans deux détecteurs hémisphériques, les deux détecteurs étaient complètement anticorrélés.

Une discussion moderne de ces questions est donnée par Greenstein 2005. Dans la section 2.1, ils présentent d'abord un résumé de l'argument Lamb-Scully, puis discutent de la vérification expérimentale de l'existence des anticorrélations nécessaires pour maintenir la conservation de énergie (Grangier 1986). Le fait que cette anticorrélation n'ait pas été observée avec succès avec la lumière visible jusqu'en 1986 était dû à des limitations techniques sur la capacité de produire des sources de lumière qui étaient des états propres du nombre de photons. Cependant, le résultat d'anticorrélation équivalent avec les rayons X avait déjà été démontré par Bothe en 1925.

On pourrait donc soutenir que les observations de l'effet photoélectrique n'étaient pas suffisantes pour établir l'existence de photons sans vérification supplémentaire des anticorrélations quelques années plus tard. Ce serait toutefois trompeur. Du point de vue des physiciens lisant l'article d'Einstein de 1905, avant que la nature de la mécanique quantique de l'atome ne soit établie, un modèle hybride comme celui de Lamb ou la théorie BKS n'était pas disponible, et donc l'effet photoélectrique nécessitait vraiment une quantification de la lumière. On pourrait soutenir que, dans le contexte historique de la période allant de 1913 (le modèle de Bohr) à 1925 (Bothe), il y avait une théorie BKS viable qui évitait la quantification du champ électromagnétique, mais cela est extrêmement trompeur lorsque des auteurs modernes tels que Lamb ne parviennent pas à admettre que la non-conservation de l'énergie était un ingrédient.

Des difficultés similaires surviennent si l'on tente de construire une théorie cohérente dans laquelle le champ gravitationnel n'est tout simplement pas quantifié, contrairement aux autres forces fondamentales (Carlip 2008).

Bothe et Geiger, "Experimentelles zur Theorie von Bohr, Kramers und Slater", Die Naturwissenschaften 13 (1925) 440. L'expérience est décrite dans la conférence du prix Nobel de Bothe en 1954.

Carlip, "La gravitation quantique est-elle nécessaire?", http://arxiv.org/abs/0803.3456

Grangier, Roger et Aspect, "Preuve expérimentale d'un effet anticorrélation de photons sur un séparateur de faisceau", Europhys. Lett. 1 (1986) 173 - peut être trouvé en ligne sur Google

Greenstein et Zajonc, «Le défi quantique: recherche moderne sur les fondements de la mécanique quantique», Jones et Bartlett, 2005.

notez qu'un traitement semi-classique de la diffusion Compton (que Schrödinger a dérivé en 1927) * obtient * une partie de la physique correcte - mais pas la totalité (comme avec l'effet photoélectrique, vous avez besoin de QED pour cela); notez également qu'une approche semi-classique qui attribue les clics d'un détecteur dans des expériences optiques à la nature quantique du détecteur (au lieu du champ) peut être plus proche de la réalité que l'image naïve de particules de photons frappant le détecteur - un photon QED est intrinsèquement délocalisé et ne doit pas être confondu avec des paquets d'ondes localisés (que nous appelons parfois aussi des photons)
D'après ce dont je me souviens, il est certainement vrai que, dans le contexte de l'effet photoélectrique, les manuels donnent généralement l'impression que c'est * juste * la discrétion des photodétections qui prouve la nature quantique de la lumière - ce serait plus éclairant ( désolé) s'ils mentionnaient que la discrétion existe également dans les théories semi-classiques, mais qu'elle conduit à des difficultés de conservation de l'énergie.
@twistor59: *, il serait plus éclairant (désolé) s'ils mentionnaient que la discrétion existe également dans les théories semi-classiques, mais qu'elle conduit à des difficultés de conservation de l'énergie. * Une telle approche soulèverait la question de savoir pourquoi les théories semi-classiques valent même la peine d'être examinées. Les raisons pour lesquelles ils ont été examinés sont obscures et historiques de l'OMI et n'intéressent pas beaucoup les étudiants modernes. Il y a une infinité de fausses théories que nous pourrions mettre en place pour nos étudiants et ensuite abattre. Dans quelle mesure cela doit être fait, c'est une question de goût.
@BenCrowell Je ne suis pas d'accord avec votre dernier commentaire. Pour vous suivre, nous ne devrions jamais enseigner la loi de Newton, car elle n'a * pas beaucoup d'intérêt pour les étudiants modernes *? Au fait, votre réponse est vraiment excellente, même si j'effacerais la première phrase. Je modifie également subtilement l'interprétation généralement lorsque je discute avec des amis. Je préfère argumenter que ni l'atome ni le champ lumineux ne sont quantifiés (de manière provocante), mais c'est plutôt l'énergie * d'échange * entre les deux sous-systèmes qui est quantifiée.
@BenCrowell Et je modérerais certainement aussi la motivation de Lamb et Scully. Je crois qu'ils ont tout d'abord essayé de rendre hommage à Kastler. Habituellement, vous y consacrez des articles vraiment originaux, que vous présenterez également devant un public incroyablement spécialisé et compétent. C'est clairement ce qu'ils ont fait: changer la mentalité de tous ceux qui assistaient à cette conférence, ou au moins installer des doutes dans leur esprit.
Re: votre avant-dernier paragraphe qui commence "On pourrait donc ...". Cela n'a pas de sens de dire qu '"une expérience a établi l'existence de X au moment où elle a été exécutée, mais plus tard X a cessé d'être établi par l'expérience parce qu'un théoricien a proposé une explication alternative". Au lieu de cela, on dirait que "les gens * pensaient * que X a été établi par l'expérience, mais ensuite un théoricien a montré que c'était une erreur".
-1: Il est facile d'écarter un vieux papier de 50 épis.Mais essayez de faire de même avec la collection d'articles de 2003 cités dans ma réponse!
@BenCrowell D'après ce que j'ai lu dans votre réponse et dans l'article original, je pense qu'il n'est pas justifié de dire que «l'article de Lamb-Scully est un bon exemple de la façon dont même un lauréat du prix Nobel peut écrire un mauvais article».Tout ce que vous faites remarquer, comme le fait qu'à l'époque d'Einstein, il n'y avait pas de théorie «semi-classique» est également souligné dans l'article.Je pense que le papier est bon, comme on peut s'y attendre de la part du prix Nobel.
Excellente analyse, un peu nette mais éclairante.
#3
+17
Marty Green
2013-06-16 20:55:25 UTC
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Oui, les manuels se trompent complètement.

Le récit commun sur ces choses est mieux résumé par l'approche «trois clous dans le cercueil»: le cadavre étant la théorie des ondes de la lumière, et les trois clous étant le spectre du corps noir, l'effet photoélectrique et l'effet Compton. Quelles que soient les difficultés que la théorie des vagues peut ou non avoir avec les expériences modernes d'anti-corrélation, ils ont complètement tort dans les arguments qu'ils présentent pour rejeter la théorie des vagues sur la base des «trois clous».

La raison Les manuels scolaires et les physiciens de l'époque acceptaient ces faux arguments, c'est que jusqu'en 1926, il n'existait pas de théorie viable permettant aux gens de faire des calculs vague sur vague. Une fois Schrodinger a découvert les équations d'ondes, des explications claires étaient disponibles pour les trois phénomènes. Je vais les décrire brièvement ici.

Tout d'abord, l'effet photo-électrique. Même aujourd'hui, les manuels modernes font une grande partie du seuil de fréquence, comme s'il était inexplicable par les ondes classiques. La théorie de Schrödinger a immédiatement montré que les états de différents niveaux d'énergie ne sont couplés que lorsqu'ils sont excités par des fréquences correspondant à la différence de ces niveaux. Pourtant, les manuels continuent de se déclarer perplexes face à l'effet de fréquence.

L'autre erreur flagrante des manuels est d'utiliser la section physique d'un seul atome pour calculer la section efficace d'absorption. Même Scully se rend coupable de cela dans un document aussi récent que 2002 (si je me souviens l'année). La section physique est complètement fausse, même dans la théorie des antennes; si c'était vrai, une radio à cristal ne pourrait jamais collecter suffisamment d'énergie pour alimenter même le plus petit des écouteurs. Je l'explique dans mon blogpost à la radio de cristal . (Et je ne pense pas que quelqu'un veut dire que vous avez besoin des photons pour expliquer la radio en cristal.)

Deuxièmement, l'effet Compton. Quand j'ai trouvé une explication semi-classique de l'effet Compton, j'ai pensé que j'allais gagner le prix Nobel. J'ai donc été déçu de constater que Schrodinger avait publié exactement la même explication en 1927. Vous prenez la lumière et l'électron dans un système de centre de masse, et vous considérez le système au point médian du interaction ... lorsque l'électron est dans une superposition d'états, à moitié en mouvement vers la gauche et à moitié en mouvement vers la droite. Vous pouvez voir tout de suite que cette superposition met en place des couches de charge également espacées à une distance de $ \ frac {1} {2} \ lambda $, créant un réseau de diffraction parfait pour une réflexion totale.

Bien sûr , Compton n'aurait pas pu trouver cette explication car il ne connaissait pas les ondes électroniques. Sa «preuve» démystifiant la théorie des ondes de la lumière traitait l'électron comme une petite balle de ping-pong chargée.

Enfin, le spectre du corps noir est un cas intéressant. Curieusement, on sait que la loi de Planck doit prévaloir même si l'électromagnétisme n'existait pas, comme l'illustre la chaleur spécifique à basse température des solides. L'écart par rapport à la loi de Dulong et Petit a été (je pense) reconnu par Einstein dans un article de 1905. Mais il est difficile de dire qu'elle est causée par des "photons". Nous devons sûrement croire que la suppression des modes haute fréquence n'est ici qu'une conséquence mécanique de l'équation de Schrödinger.

Et si tel est le cas, alors il n'est pas nécessaire d'invoquer des "photons" pour expliquer l'extension de la loi de Planck au spectre électromagnétique, car un argument classique prudent montre que l'énergie par mode à une fréquence donnée du champ classique em doit être égale à l'énergie par mode des oscillateurs mécaniques à cette même fréquence. Je montre comment ce calcul fonctionne dans une série d'articles aboutissant ici.

Pour faire bonne mesure, je montre aussi explicitement dans une série ultérieure de billets de blog que le "saut quantique" de Copenhague entre les états propres donne le même champ de rayonnement que le Schrodinger modèle de transition continue avec les atomes rayonnant de manière semi-classique.

Merci à Helder Velez d'avoir signalé certains de mes articles. Oui, je suis le kook identifié comme tel par Ben Crowell, alors n'hésitez pas à ignorer mon message.

Personne ne conteste que les théories semi-classiques telles que Bohr-Kramers-Slater (ou les rehashs par Lamb ou vous) peuvent expliquer * certains * aspects de ces phénomènes. Une théorie viable doit expliquer * toutes * les observations. * Quelles que soient les difficultés que la théorie des vagues peut ou non avoir avec les expériences modernes d'anti-corrélation [...] * «Moderne» est trompeur. BKS a été proposé en 1924, puis réfuté en 1924-1925 dans une série d'expériences de Bothe et Geiger, dont l'une a observé exactement les anticorrélations prédites par la théorie des photons.
La question porte spécifiquement sur l'effet photoélectrique, donc le matériel sur la diffusion Compton et le rayonnement du corps noir est hors sujet. Cependant, une image semi-classique de la diffusion Compton ne peut pas expliquer (1) un changement de longueur d'onde dans la limite du rayonnement incident de faible intensité, ou (2) les résultats de l'expérience de coïncidence électrons-rayons X de Bothe-Geiger de 1924 .
Ben, les manuels contestent précisément ces aspects de ces phénomènes qui peuvent s'expliquer par une bonne approche semi-classique. Et je ne parle pas de BKS ... vous n'avez évidemment pas eu le temps dans les 16 minutes depuis que j'ai posté pour lire les articles où je montre comment c'est fait.
Ben, c'est toi qui a introduit Compton et Black Body dans la discussion, pas moi. Donc tu ne devrais pas me reprocher d'être "hors sujet". Il n'y a rien non plus dans le post original sur l'anti-corrélation. La question était de savoir si les «manuels» avaient tort, ce qui signifie que je penserais aux manuels de premier cycle communs avec leur récit des «trois clous». Je pense avoir répondu à la question.
#4
+11
Jia Yiyang
2013-06-17 17:47:56 UTC
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Je ne suis pas d'accord avec OP en ce que je ne considère pas la conservation de l'énergie comme un défaut fatal.

Si on laisse $ t \ to \ infty $ dans le calcul perturbatif, on obtient une jolie fonction delta $ \ delta (\ epsilon_f- \ epsilon_i- \ hbar \ omega) $ mais dans ce cas, l'approvisionnement en énergie externe est infini et aucun argument significatif de conservation de l'énergie ne peut être formulé, donc je suppose que OP doit parler du résultat en temps fini, donc concentrons-nous sur ceci.

En suivant l'argument de OP, en fait, nous n'avons même pas besoin de deux atomes pour voir que l'énergie n'est pas "conservée" - un atome suffit. Le résultat de la perturbation harmonique donne la probabilité de transition de l'état fondamental $ | g \ rangle $ à l'état excité $ k $ e $ | k \ rangle $ comme (en citant l'équation de Lamb & Scully (13)),

$$ 4 \ left | \ frac {\ langle k | \ hat x | g \ rangle E_0} {\ hbar} \ right | ^ 2 \ frac {\ sin ^ 2 \ {(\ epsilon_k \ hbar ^ {- 1 } - \ nu) t / 2 \}} {(\ epsilon_k \ hbar ^ {- 1} - \ nu) ^ 2} $$

où $ E_0 $ est le champ E de l'onde EM externe force. Normalement, l'élément de matrice $ \ langle k | \ hat x | g \ rangle $ peut être non nul jusqu'à $ | k \ rangle $ avec une énergie arbitrairement élevée. Pour la lumière classique, nous pouvons rendre $ E_0 $ arbitrairement proche de $ 0 $, cela signifie que dans un $ t $ fini, la fourniture d'énergie peut être arbitrairement petite, mais la probabilité est non nulle pour la transition vers un $ | k \ rangle $ à très haute énergie (ie, $ \ epsilon_k- \ epsilon_g> \ text {approvisionnement en énergie externe} $). Si après une mesure, l'atome finit effectivement à $ | k \ rangle $, alors la conservation de l'énergie est violée.

Cependant, quelle est la raison de cette violation? C'est parce que notre mesure d'énergie pour les ondes électromagnétiques externes est classique alors que la mesure d'énergie pour l'atome est de la mécanique quantique. En d'autres termes, nous comparons l'énergie initiale avec une valeur propre $ \ epsilon_k $ de l'hamiltonien quantique. Dans un système entièrement quantique mécanique (c'est-à-dire non semi-classique), c'est exactement ce que nous ne devrions pas faire; ce que nous devrions comparer sont les valeurs d'espérance d'énergie, c'est-à-dire quelque chose comme $ \ langle i | H | i \ rangle $ initial et $ \ langle f | H | f \ rangle $, mais jamais seulement quelques valeurs propres (à moins que les deux ne soient états propres). Donc, si nous faisons de même dans le traitement semi-classique de l'effet photo-électrique, nous voyons que la conservation de l'énergie est satisfaite qualitativement, car à partir de l'équation $ (13) $, nous voyons que la valeur de l'espérance d'énergie sera proportionnelle à $ | E_0 | ^ 2 $. Je crois que le même argument s'applique à l'expérience à deux atomes d'OP.

Je dois dire que l'argument d'OP est justifié pour un système semi-classique, car il est certainement opérationnellement possible. Mais mon point est qu'il s'agit d'un problème générique de tous les systèmes semi-classiques (en fait, il y a eu un argument similaire montrant que si la lumière est traitée de manière classique, alors le principe d'incertitude pour l'électron peut être violé. Voir la page "Mécanique quantique avancée" de Sakurai 34 ~ 35). Donc je pense que c'est assez bien que Lamb et Scully puissent reproduire $ E = \ hbar \ omega- \ phi $ et l'émission d'électrons sans retard. Si l'on veut utiliser la conservation de l'énergie comme une objection, on pourrait tout aussi bien dire que le couplage quantique-classique est impossible, il n'est pas nécessaire d'attribuer une signification particulière à l'effet photoélectrique.

Je voudrais déplacer mon dernier commentaire vers le texte principal par souci d'exhaustivité. La difficulté de conservation de l'énergie n'est que conceptuelle et non expérimentale, car l'effet photoélectrique très original ne pouvait mesurer que les valeurs d'espérance d'énergie, et d'après mon analyse ci-dessus, nous voyons que les valeurs d'espérance d'énergie sont conservées. Même au niveau conceptuel, il y a encore une issue, c'est-à-dire que la conservation de l'énergie n'est vraie qu'au niveau statistique (ce qui nécessite bien sûr un test expérimental, et en fait, comme Ben l'a mentionné), et c'est exactement ce que Bohr proposé, pour exactement la même raison. En un mot, je crois que Lamb & Scully a expliqué tous les aspects expérimentaux de l'effet photoélectrique.

Bonne réponse, +1. Je pense que nous ne différons que par l'accent. * Si l'on veut utiliser la conservation de l'énergie comme une objection, on pourrait tout aussi bien dire que le couplage quantique-classique est impossible, il n'est pas nécessaire d'attribuer une signification particulière à l'effet photoélectrique. * Je suis d'accord. L'effet photoélectrique n'est qu'un exemple qui démontre l'impossibilité générale du couplage quantique-classique. Mais historiquement, c'était l'un des premiers et les plus importants exemples de ce type dans le développement de la mécanique quantique, et sur le plan pédagogique, c'est une intro plus agréable que l'effet Compton ou le rayonnement du corps noir.
Le problème avec tous vos arguments de «conservation de l'énergie» est qu'ils ne peuvent jamais être vérifiés expérimentalement. Le dispositif qui mesure l'électron prétendument précoce est inévitablement un tube avec une alimentation de 1200 volts ou quelque chose de ce genre, qui est clairement capable de fournir l'énergie nécessaire à l'événement de détection. Il n'y a aucune raison de penser que l'énergie de détection devait provenir du "photon".
@MartyGreen: Nonsense. Par exemple, dans un tube Geiger-Mueller, le photon doit initialement ioniser une molécule. Jusqu'à ce que cette ionisation initiale se produise, vous n'obtiendrez ni avalanche ni amplification, car le gaz syndiqué est un isolant. La conservation statistique ou absolue de l'énergie est exactement le problème testé par les expériences Bothe-Geiger de 1924-1925, pour lesquelles Bothe a reçu le prix Nobel.
Ben, il est difficile de voir comment vous pouvez être absolument sûr qu'une partie de l'énergie pour cette ionisation ne provenait pas de l'alimentation électrique de 1200 VDC. Vous devriez lire mon article sur le siphonage quantique, lié ailleurs sur cette page par Helder Velez, où j'explique comment ces types de processus peuvent fonctionner. Dans mon article, j'explique comment cela fonctionne pour le cas de la plaque photographique, mais je pense que le compteur Geiger est le même en principe.
@BenCrowell : Mais la difficulté ne se situe qu'au niveau conceptuel, du moins lorsque seule l'expérience d'origine des effets photoélectriques est à l'étude, car dans la configuration d'origine, seules les valeurs d'espérance d'énergie peuvent être mesurées. Comme la conservation statistique par rapport à la conservation absolue de l'énergie n'a pas été testée auparavant, la conservation absolue de l'énergie était préférable de ne pas être considérée comme vraie sans condition. Je suis toujours d'avis que l'explication de Lamb & Scully est assez bonne pour l'expérience d'effet photoélectrique historique.
@BenCrowell: J'ai pensé que c'était un bon sujet à connaître pour les étudiants de premier cycle, alors j'ai fait des diapositives et donné une conférence aux étudiants de premier cycle sur mon lieu de travail, vous êtes reconnu. J'ai fait ces diapositives un peu à la hâte, j'espère que ce n'est pas trop mal: https://docs.google.com/file/d/0B05X6KgjQAM-Y1FBazZvdGlNeHc/edit
vous pourriez être intéressé par ma réponse.
#5
+1
Eric Reiter
2019-07-22 23:44:14 UTC
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L'effet photoélectrique peut être expliqué sans photons. Tout d'abord, définissons «photon». Ce n'est pas une chose comme un paquet d'ondes. S'il vous plaît, ce n'est pas non plus un clic de détection. C'est un phénomène dualiste. Un photon ira d'une manière ou d'une autre au niveau d'un séparateur de faisceau, mais si vous reconverrez le faisceau, vous développerez un motif d'interférence. C'est une citation approximative de Bohr (ref 1) expliquant la vision d'Einstein d'un photon. Cela résume le fonctionnement de la mécanique quantique (QM): une onde de probabilité guide un événement d'absorption. La principale caractéristique de ce modèle est qu'une émission d'un quanta se terminera par un total d'un quanta. Si le quanta se divise en deux, il peut produire deux demi-quanta. QM est généralement géré dans ce sens un à un. Il existe une alternative mal comprise à ce modèle. Elle a été appelée hypothèse d'accumulation et théorie du chargement. Nous l'appelons le modèle de seuil (TM). Comprendre l'effet photoélectrique sans photons, c'est voir la faille de QM et comprendre la TM. Nous montrons par l'analyse des expériences passées et par de nouvelles expériences, comment QM échoue. Veuillez regarder ce que disent les expériences, pas les gens. Ces expériences incluent l'effet photoélectrique, l'élément de temps dans l'effet photoélectrique, l'effet Compton, la diffraction de charge, les tests de corps noir, la diffraction de molécules géantes et les tests de coïncidence par division de faisceau (voir site Web, réf 2).

Le test le plus important de ces tests est le test de coïncidence par division de faisceau. Ce test est célèbre pour montrer la propriété des particules d'aller d'une manière ou d'une autre à un séparateur de faisceau, tout comme dans la définition d'Einstein du photon. Ce test a été décrit avec la lumière visible, mais maintenant nous le faisons avec des rayons gamma. On montre récemment comment le taux de clics du détecteur coïncident au-delà du séparateur de faisceau peut largement dépasser le taux de chance accidentelle. La mécanique quantique prédit le hasard. Le hasard est facilement déterminé par (fenêtre de temps) (taux de singles du détecteur 1) (taux de singles du détecteur 2) = (taux de chance), voir réf (3). Le cadmium-109 n'émet qu'un seul gamma lors de la désintégration spontanée. On le sait grâce au test sandwich: un test de coïncidence avec sa paire de détecteurs sur les côtés opposés du radio-isotope, à courte portée (voir Knoll réf 3). Le Cd-109 émet également un rayon X, mais nous éliminons cela avec des discriminateurs électroniques de hauteur d'impulsion. Nous réglons les discriminateurs pour lire les impulsions au-dessus des deux tiers de la hauteur caractéristique assignée à son photo-pic gamma de 88 KeV. Des tests antérieurs ont montré que la hauteur des impulsions est proportionnelle à la fréquence électromagnétique, et elle est également proportionnelle à leur soi-disant énergie photonique, en électron-volts. Ici, nous n'utilisons eV que par commodité car nous ne croyons pas aux photons.

Maintenant, pour mon test, nous utilisons les mêmes isotopes, détecteurs, composants électroniques, réglages de hauteur d'impulsion que ceux utilisés dans le test sandwich, mais nous apportons deux changements. 1) Nous plaçons les deux détecteurs d'un côté du radio-isotope de telle sorte que le gamma doit passer par le premier détecteur pour être reçu par le deuxième détecteur. 2) Nous rendons le premier détecteur plus fin afin que la probabilité d'atteindre l'un ou l'autre détecteur soit la même. Cette géométrie en tandem divise l'énergie de la même manière que la géométrie d'un séparateur de faisceau, mais elle fonctionne mieux. Le résultat est généralement 15 fois le taux de chance accidentelle. Le résultat est hautement reproductible mais dépend des détails de la configuration. Ce n'est pas un cas particulier. L'effet fonctionne avec d'autres isotopes, d'autres détecteurs (iodure de sodium, HpGe) et différentes géométries. Si vous croyez aux photons, cet effet deux pour un viole apparemment la conservation de l'énergie. L'énergie est toujours conservée, mais maintenant nous comprenons comment un état préchargé doit exister à partir des échanges d'énergie précédents. Si vous effectuez ce test avec de la lumière visible, vous regardez du bruit. Faire le test avec des rayons gamma donne le punch pour surmonter le bruit. Si vous effectuez le test avec un détecteur dont l'efficacité d'effet Compton est supérieure à l'efficacité photoélectrique, vous verrez du bruit et vous penserez que QM est correct. Les détecteurs et les rayons gamma que nous avons utilisés ont été choisis pour la réponse photoélectrique dominante. Les nouveaux tests avec les rayons gamma montrent qu'il n'y a pas de photons.

On pourrait objecter en citant de nombreux tests similaires qui soutiennent les photons.Examinez-les attentivement.Vous verrez souvent une supercherie de polarisation.Une émission atomique polarisée d'un $ hf $ d'énergie sera acheminée par un séparateur de faisceau polarisé pour aller dans un sens ou dans l'autre, vous faisant ainsi penser que leur test confirme le photonmodèle. $ E = hf $ est toujours vrai, mais ne l’appelons pas un photon.J'aime l'appeler un h-new en l'honneur de Planck.TM est vraiment une extension de la deuxième théorie de Planck (4).En outre, l'un de ces tests explique-t-il comment ils définissent leurs discriminateurs de hauteur d'impulsion?Je ne les vois jamais le montrer.Il s'avère que la distribution de hauteur d'impulsion utilisant la lumière visible monochromatique avec n'importe quel détecteur est trop large pour faire la distinction entre un QM ou un TM.Si vous réglez le discriminateur trop haut, vous fausserez apparemment QM;si vous le réglez trop bas, vous prouvez apparemment QM.

TM appelle un état préchargé. Dans l'effet photoélectrique, l'état préchargé est la quantité d'énergie cinétique électronique. Ce même effet deux pour un est mis en évidence dans mes tests similaires de coïncidence par division de faisceau avec le rayon alpha. L'atome se divise comme une vague. Ces tests ne décrivent pas simplement les propriétés des vagues; ils révèlent l'échec des tests réputés pour le maintien de la propriété des particules. Pour voir comment un tel état préchargé est possible, il faut un ajustement conceptuel de nos constantes physiques. Décrivons pour l'électron: la constante de charge $ e $ , la constante de masse $ m $ et celle de Planck $ h $ . Pour voir comment un état pré-chargé et des ondes de matière sont possibles, nous prenons ces constantes pour exprimer des maxima, révélés dans nos expériences. Dans cette théorie, nous ne voyons pas de sous- $ e $ mais nous pouvons comprendre qu'il existe néanmoins. Dans les tests qui affichent les propriétés d'onde, il existe des ratios de $ e / m $ , $ h / e $ , $ m / h $ . Par exemple, si vous voyez un ratio $ e / m $ dans une équation, cela signifie que l'expérience associée à cette équation peut avoir $ e / 2 $ et $ m / 2 $ , mais vous ne le saurez pas. Les équations qui ne montrent pas ces rapports simples sont des cas où les ondes se tiennent ensemble, nous avons affaire à des particules réelles et ces systèmes ne se diffractent pas. Je viens de décrire les points importants de ma découverte pour éliminer la dualité onde-particule, et plus précisément, comment voir l'effet photoélectrique sans photons. Les écrits sur mon site Web (2) montrent une dérivation de l'effet photoélectrique, le reliant à l'équation deBroglie. Comprendre l'effet photoélectrique sans photons, c'est transcender la dualité onde-particule et remodeler notre physique la plus fondamentale.

(1) Bohr, Physique atomique et connaissance humaine, voir page 50
(2) http://www.thresholdmodel.com
(3) Knoll, détection et mesure du rayonnement
(4) Kuhn, Théorie du corps noir et la discontinuité quantique 1894-1912

#6
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Peter Russell
2015-02-07 15:29:54 UTC
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Toutes les explications ci-dessus décrivent des effets mesurables aux points terminaux de l'interaction énergétique, elles ne démontrent pas les photons comme autre chose qu'un concept de pure commodité qui dérive historiquement de l'analogie redoutée de la boule de billard. La "soi-disant" propagation de l'énergie d'interaction n'est observable qu'aux extrémités et l'effet est associé à c (la soi-disant vitesse de la lumière), donc à c, la dilatation du temps et de l'espace fait des extrémités essentiellement le même événement. Il est important de se débarrasser des limites anthropomorphiques de l'observabilité. L '«effet» que vous mesurez n'est pas seulement chargé de votre biais sur une notion de temps et de distance, mais aussi sur la causalité. Les effets de point final ne nécessitent pas qu'il y ait un photon. La notion même de un est un anachronisme.

#7
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millie wave
2017-03-04 01:37:08 UTC
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La réponse de Ben Crowell contient la graine d'une réponse différente, où il a écrit que Lamb & Scully aurait besoin d'ajouter un "auto-enchevêtrement" non local à leur modèle de vague uniquement.D'accord, ajoutons cette fonctionnalité d'auto-enchevêtrement.En d'autres termes, l'absorption des ondes quantiques est quantifiée et implique la non-absorption ailleurs ... même si le détecteur absorbant est placé loin du reste de l'expérience (ce qui suggère un effet en arrière dans le temps afin d'empêcher l'absorption audétecteurs atteints plus tôt par d'autres parties de la vague).

Remarque: les expériences qui falsifient les "ondes classiques" ne falsifient pas nécessairement les ondes non classiques (quantiques) et ne prouvent donc pas les particules.Nous devrions donc ignorer les réponses et les articles cités qui plaident pour les particules quantiques en argumentant contre les ondes classiques.

#8
  0
juanrga
2018-08-02 03:02:06 UTC
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Tout effet d'électrodynamique classique ou quantique peut être expliqué sans photons.

Les photons ne sont pas réels, mais simplement un moyen de simplifier les interactions directes particule-particule. Au lieu d'écrire

$$ \ mathrm {e} _1 + \ mathrm {e} _2 \ rightarrow \ mathrm {e} _1 '+ \ mathrm {e} _2' $$

pour un processus où l'électron $ \ mathrm {e} _1 $ perd de l'énergie, nous soustrayons l'électron environnemental pour obtenir

$$ \ mathrm {e} _1 \ rightarrow \ mathrm {e} _1 '+ [\ mathrm {e} _2' - \ mathrm {e} _2] $$

Le terme entre parenthèses est ce que nous appelons photon

$$ \ mathrm {e} _1 \ rightarrow \ mathrm {e} _1 '+ \ gamma $$

Toutes les propriétés du photon (masse, énergie, spin) peuvent en être dérivées

Masse: $ m_ \ gamma \ equiv m _ {\ mathrm {e} _2 '} - m _ {\ mathrm {e} _2} = 0 $.

Énergie: $ E_ \ gamma \ equiv E _ {\ mathrm {e} _2 '} - E _ {\ mathrm {e} _2} $.

Spin: $ S_ \ gamma \ equiv S _ {\ mathrm {e} _2 '} - S _ {\ mathrm {e} _2} = (\ pm1 / 2 - \ pm1 / 2) = (-1,0, 0, + 1) $.

Au lieu de cela, les postuler, comme le fait la théorie des champs.

Un examen de base de l'électrodynamique sans photons peut être trouvé dans les deux travaux suivants:

L'électrodynamique classique en termes d'action directe interparticulaire. 1949, Rév. Mod. Phys. 21 (3), 425 à 433. Wheeler, John Archibald; Feynman, Richard Phillips

Cosmologie et électrodynamique d'action à distance. 1995, Rév. Mod. Phys. 67 (1), 113 à 155. Hoyle, F .; Narlikar, J. V.

#9
-4
user34793
2014-05-28 13:54:37 UTC
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Non! En fait, l'existence de photons est cruciale pour l'effet photoélectrique. Pour comprendre pourquoi il en est ainsi, pensez à la collision de la boule de billard, les photons entrent en collision avec un électron dans un métal avec une fonction de travail spécifique, l'électron absorbe à son tour l'énergie du photon; au lieu de réfléchir complètement la lumière, selon la théorie classique des ondes de lumière.

Vous venez de dire que les photons sont une condition suffisante pour expliquer l'effet photoélectrique.Mais vous n'avez pas expliqué si elles sont une condition nécessaire.
Ce n'est pas tout à fait vrai ... Veuillez lire la dernière phrase de mon commentaire ...


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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