Spin van een foton

[Andy]

Gedag,

Ik had een vraagje in verband met de spin van een foton. Ik, en enkele medestudenten, hadden zo'n vaag gevoel dat een foton een spinloos deeltje was, wat blijkt fout te zijn: wikipedia geeft immers spin=1. Er zijn verschillende redenen waarom we dachten dat de spin 0 was, de voornaamste 2 zijn:

1. Elektronen zitten in orbitalen rond de kern van een atoom. Wanneer we nu licht laten invallen op een atoom, kan dat elektron naar een hoger orbitaal gaan en verdwijnt het foton. Een elektron heeft spin 1/2, een foton spin 1 => er is geen behoud van spin. Ok, toegegeven, je kan spin niet zomaar optellen, maar toch...

2. Het zeemaneffect neem je toch niet waar bij fotonen? als je een lichtbundel door een magneet laat reizen, zal hij zich dan opsplitsen? Finja, zoals elektronen dat doen, mooi twee lijnen vormen in plaats van een verdeling (ten gevolge van de spin)?

't Is eigenlijk een beetje schandalig dat we dit niet echt inzien... Kan iemand enkele dingen weerleggen?

dank!

Andy

[eendavid]

doordat fotonen aan de lichtsnelheid bewegen, kunnen ze enkel spin parallel of antiparallel aan de bewegingslijn hebben. Dit is de reden dat een stern-gerlach effect (wat vermoed ik hetgene is dat je bedoelt in puntje 2) niet zal optreden.

Over je eerste vraag, het foton kan ook een spinflip doen, zodat de totale component van de spin behouden zal blijven. De spin van je elektron kan dus veranderen (maar hoeft dat niet te doen, afhankelijk van langs welke as we kijken, en van of het foton zelf een spinflip ondergaat).

[Math-E-Mad-X]

doordat fotonen aan de lichtsnelheid bewegen, kunnen ze enkel spin parallel of antiparallel aan de bewegingslijn hebben. Dit is de reden dat een stern-gerlach effect (wat vermoed ik hetgene is dat je bedoelt in puntje 2) niet zal optreden.

Plus het feit dat fotonen geen lading hebben, dus sowieso niet door magneten beïnvloed worden.

[eendavid]

er is geen reden om zo sarcastisch te doen.

maar je hebt gelijk natuurlijk

[TD]

Zonder spin geen polarisatie, dacht ik? Zoals we weten is licht te polariseren

[eendavid]

inderdaad.

merk wel op dat je 2 vrijheidsgraden hebt om te polariseren, en ook 2 toegelaten spintoestanden +1 en -1. op het eerste zicht zou je er 3 verwachten voor een spin-1 deeltje(ook 0), maar het blijkt dat spin-0 toestanden voor massaloze deeltjes onfysisch zijn.

[TD]

Mooi, ik was al aan het twijfelen en had al bijna spijt van m'n gokje. Ik kon al niet meer direct bedenken waarom, maar ik herinner me een bijvraag tijdens m'n mondeling examen van quantumfysica. Bij een vraag over bosonen en fermionen ging het perfect tot aan de laatste bijvraag:

Prof: En wat is de spin van een foton dan bijvoorbeeld?

TD (die wist dat het geheel moest zijn maar antwoordde zonder nadenken): 0?

Prof: En polarisatie dan?

TD: 1 dan

[Math-E-Mad-X]

inderdaad.

merk wel op dat je 2 vrijheidsgraden hebt om te polariseren, en ook 2 toegelaten spintoestanden +1 en -1. op het eerste zicht zou je er 3 verwachten voor een spin-1 deeltje(ook 0), maar het blijkt dat spin-0 toestanden voor massaloze deeltjes onfysisch zijn.

Waarom zijn die onfysisch dan?

[eendavid]

ik heb weinig zin het ganse verhaal te doen, vermits je het waarschijnlijk al kent: ik doel op gans het Gupta-Bleuler gedoe.

[sirius]

Plus het feit dat fotonen geen lading hebben, dus sowieso niet door magneten beïnvloed worden.

euummmm... in nulde orde ben ik het met je eens, maar ik kan me wel een aantal feynman diagrammen voorstellen waarin een foton opsplitst in een positron electron paar, en zo alsnog een invloed ondervindt van het magnetisch veld.

Hoe weet je zo zeker dat die termen geen invloed gaan hebben?

[Math-E-Mad-X]

euummmm... in nulde orde ben ik het met je eens, maar ik kan me wel een aantal feynman diagrammen voorstellen waarin een foton opsplitst in een positron electron paar, en zo alsnog een invloed ondervindt van het magnetisch veld.

Hoe weet je zo zeker dat die termen geen invloed gaan hebben?

oke, daar zit (misschien) wat in.

ik heb weinig zin het ganse verhaal te doen, vermits je het waarschijnlijk al kent: ik doel op gans het Gupta-Bleuler gedoe.

Als het echt zo'n enorm verhaal is kan ik me voorstellen dat je daar geen zin in hebt nee, laat maar zitten (toch bedankt)

Van Gupta-Bleuler heb ik nog nooit gehoord trouwens. Komt waarschijnlijk omdat ik vrij snel afgehaakt ben met QFT. Veel te veel eindeloos rekenwerk naar mijn smaak dus ben meer de wiskunde kant opgegaan.

[eendavid]

Van Gupta-Bleuler heb ik nog nooit gehoord trouwens. Komt waarschijnlijk omdat ik vrij snel afgehaakt ben met QFT. Veel te veel eindeloos rekenwerk naar mijn smaak dus ben meer de wiskunde kant opgegaan.

begrijpelijk. je moet inderdaad veel werken om een beperkt resultaat.

Gupta-Bleuler kwantiseert de elektromagnetisch potentiaal-viervector A (die van

\(F^{\mu\nu}=\partial^{\mu}A^{\nu}-\partial^{\nu}A^{\mu}\)

), en slaagt er in via ijkvrijheid in om tot 2 fysische vrijheidsgraden te komen (je geraakt dus van 2 vrijheidsgraden af). Redelijk tof en kort naar kwantumveldtheoretische maat, maar toch enkele bladzijden werk.

[Math-E-Mad-X]

wederom bedankt

[aaargh]

euummmm... in nulde orde ben ik het met je eens, maar ik kan me wel een aantal feynman diagrammen voorstellen waarin een foton opsplitst in een positron electron paar, en zo alsnog een invloed ondervindt van het magnetisch veld.

Hoe weet je zo zeker dat die termen geen invloed gaan hebben?

Omdat om een elektron-positron paar te kunnen maken, het foton genoeg energie moet hebben. Een kleine berekening wijst me op een freuentie bvan 246 EHz (exahertz = 10^18 Hz). Dat komt overeen met harde gammastraling. Voor de meeste fotonen is het dus redelijk verwaarloosbaar.

[Math-E-Mad-X]

Ik denk dat jij hier de energie bedoeld die nodig is om reele elektronen en positronen te maken. Terwijl sirius het hier volgens mij over virtuele fotonen heeft.