Momentul cinetic al fotonilor si al undele electromagnetice

Momentul cinetic de lumină și undele electromagnetice

Context și explicație reală

Energia unui foton este direct legată de frecvența sa E = hν șiimpulsul unui foton este echivalentă cuenergie împărțită laviteza luminii p = E / c . Fotoni cu energii diferite transporta un impuls diferit
În afară de impulsul lor , orice foton are o altă caracteristică - momentul unghiular de spin , care este independent de frecvența sa .
Momentul unghiular de spin este de polarizare circulară în esență, pentru un foton și are doar două valori posibile : ± h/2π . Într-o reprezentare intuitivă , deoarece aceasta este o caracteristică cuantic fără corespondent clasic , momentul cinetic este momentul elicoidale a fotonului pe traiectoria sa de zbor .
Dovada experimental că un fascicul de lumină polarizată poartă un impuls unghiular a fost dovedit de Beth in 1936 .
Luminii polarizate circular care trece printr- o foaie de material schimba polarizarea sa și , prin urmare,foaia este rotită cu un unghi mic . În scopul de a amplificaefectul microscopicăschimbare de polarizare datorită reflexia luminii pe un al doilea material de foaie argintată este folosit ca în fig.1 . Foile sunt suspendate și au posibilitatea de rotație .
Când lumina incident, a părăsit trece polarizat prin foaie L , schimba polarizarea și să devină chiar polarizată . Lumina trece două ori prindoua foaie l și datorităschimbării de polarizare timpul reflecție , ajunge din nou la foaia L cu polarizare schimbat legată luminii incidente inițială . În acest fel trece de două ori prinfoaia L , sunt adăugate și să devină mai accesibilă fi măsurate efectele .

Angular001
Figura 1 . Dispozitiv Beth simplificată

Dacă sunt emise fotoni N care trec o dată pe foaie , va exista un impuls unghiular transferat la foaie egal cu : M = Nh/2pi

Experiment propune, de asemenea

O repetare a experimentului Beth cu microunde în loc de lumina pot face diferenta intre comportamentul de lumina ( IR , VIS , UV , Xray , Gamma ) si o unda electromagnetica (radio , cuptor cu microunde sau terraherz ) .
Conform teoriei cuantice real , un foton cu microunde poartă aceeași cantitate de momentului cinetic ca un foton de lumină .
Prin urmare atunci când o sursă de microunde cuaceeași putere este folosit în loc de lumină și, desigur, foile de materiale sunt schimbate cu un material transparent pentru microunde , ar trebui să fie obținute aceleași efecte .
Foaia de L trebuie să fie făcute dintr-un material de inalta cuptor cu microunde transparent deja disponibil pe piață în calitate de exemplu, filme de polipirol sau microtubuli de polianilina . Foaie L se poate face lipirea două filme de polipirolul , unul transparent pentru cuptor cu microunde și un film dopat secundar , cu capacitate de reflexie ridicat pentru microunde , acest al doilea film este, practic, oglinda argintată din experimentul caz lumina .
În realitate , folosind o sursa de microunde și straturile adaptate ,rezultatul este complet negativ și foile nu se rotesc .
Diferența fundamentală între un val și un corpuscul ceea ce privește posibilitatea de a efectua un moment cinetic . Fotoni de lumina ( de la IR la gamma ), care au un caracter corpuscular poate transporta un mic impuls unghiular .
Undele electromagnetice nu poartă un impuls unghiular și independent de rotație a componentei electrice sau magnetice de val , un electron nu are suficient timp pentru a reacționa la aceste schimbari .
Să considerăm că undele electromagnetice a lovit un electron , în prima perioadă de semi , atunci când cele electrice E crește de teren , ca în fig . 2 . În acest caz,de electroni va fi atras cătredirecția de creștere câmp electric .

Angular002
După o perioadă de semi , modificările de câmp electric direcția , și, desigur, de electroni își schimbă direcția de mișcare , de asemenea , ca in fig . 3 .

Angular003
Deoarece schimbarea de direcția câmpului electric este mai apoi 10exp ( 8 ) ori pe secundăelectroni , datorită inerției sale nu se mișcă deloc .
Prin urmare, o unda electromagnetica nu poate produce un impuls unghiular macroscopic la absorbție sau reflecție .
Interacțiunea detaliată dintre undele electromagnetice și materie vor fi descrise în studiu ulterior .
Pentruexperimentul propus , este necesar să se sublinieze faptul că , în caz de microunde ,stratul de material nu se răsucească .

Angular momentum for light and electromagnetic waves

Background and actual explanation

The energy of a photon is directly related to its frequency E=hν and the momentum of a photon is equivalent to the energy divided by the speed of light p = E/c . Photons with different energies carry a different momentum
Besides their momentum, any photon has another characteristic - spin angular momentum which is independent of its frequency.
Spin angular momentum is essentially circular polarization for a photon and has only two possible values: ±h/2π. In an intuitive representation, because this is a quantum characteristic without classical correspondent, the angular momentum is the helical momentum of the photon along its flight path.
The experimental proof that a fascicle of polarized light carries an angular momentum was proved by Beth in 1936.
The circular polarised light passing through a sheet of material change its polarisation and consequently the sheet is rotated with a small angle. In order to amplify the microscopic effect the change of polarisation due to light reflection on a second silvered material sheet is used as in fig.1. The sheets are suspended and have the possibility of rotation.
When incident light, left polarised pass through sheet L, changes its polarisation and become right polarised. Light passes two times through the second sheet l and due to the change of polarization during reflection, arrive again at sheet L with polarisation changed related to initial incident light. In this way passing two times through the sheet L, the effects are added and become more accessible to be measured.

Figure 1. Beth simplified device

If there are emitted N photons which pass once through sheet, there will be an angular momentum transferred to sheet equal with:M =Nh/2pi

Proposed further experiment

A repetition of Beth experiment with microwaves instead of light can differentiate between comportment of light (IR,VIS,UV,Xray, Gamma) and an electromagnetic wave (radio, microwave or terraherz).
According to actual quantum theory, a microwave photon carries the same amount of angular momentum like a light photon.
Consequently when a microwave source with the same power is used instead of light and of course the sheets of materials are changed with a material transparent for microwave, the same effects should be obtained.
The L sheet must be made from a high transparent microwave material already available on the market as example polypyrrole films or microtubules of polyaniline. L sheet can be made sticking two films of polypyrolle, one transparent for microwave and a secondary doped film, having high reflectivity capacity for microwave; this second film is practically the silvered mirror from the light case experiment.
In reality, using a microwave source and adapted layers, the result is completely negative and the sheets are not rotating.
The fundamental difference between a wave and a corpuscle regards the possibility to carry an angular momentum. Light photons (from IR to gamma) having a corpuscular nature can carry a small angular momentum.
Electromagnetic waves do not carry an angular momentum and independent on the rotation of electric or magnetic component of wave, an electron does not have enough time to react at this changes.
Let’s consider that electromagnetic waves hit an electron, in the first semi period, when the electric field E increases, as in fig. 2. In this case the electron will be attracted toward the direction of increasing electric field.

After a semi period, the electric field changes its direction, and of course the electron changes its direction of motion, too, like in fig. 3.

Because the change of electric field direction is made more then 10exp(8) times per second the electron due to its inertia does not move at all.
Consequently an electromagnetic wave can’t produce a macroscopic angular momentum at absorption or reflection.
The detailed interaction between electromagnetic waves and matter will be described in further study.
For the proposed experiment, it is necessary to emphasize that in case of microwaves, the layer of material does not twist.