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Volume 34: Pages 116-149, 2021
The quantum and electromagnetic process of photon emission by the hydrogen atom
Marian Kowalskia)
Faculty of Science, Ontario Tech University, 2000 Simcoe Street, Oshawa, Ontario L1H 7K4, Canada
Light emitted from atoms during transitions of electrons from higher to lower discrete states has the form of photons carrying energy and angular momentum. This paper considers the process of emission of a single photon from the hydrogen atom by using quantum theory and Maxwell’s equations [W. Gough, Eur. J. Phys. 17, 208, 1996; L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Quantum Mechanics (Pergamon Press, Oxford, 1965); J. D. Jackson, Classical Electrodynamics (John Wiley & Son, New York, 1975, 1982); P. M. Morse and H. Feshbach, Methods of Theoretical Physics (McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1953)]. The electric and magnetic fields of a photon arise from the time-dependent quantum probability densities of the orbit and the spin current. This paper is an extension of the semiclassical description of photon emission published by the author earlier in 1999 [M. Kowalski, Phys. Essays 12, 312 (1999)]. In the semiclassical approach, the Coulomb force and a radiation resistance force have been taken into account to get time-dependent emission of the photon. In both the quantum and semiclassical cases, the transition takes place within a time interval equal to one period of the photon’s wave. The creation of a one-wavelength-long photon is supported by the results of experiments using ultrafast (ultrashort) laser pulses to generate excited atoms, which emit light pulses shorter than two photon wavelengths [F. Krausz and M. Ivanov, Rev. Mod. Phys. 81, 163 (2009); H. Kapteyn and M. Murnane, Phys. World 12, 31 (1999)].
La lumière émise par les atomes lors des transitions d'électrons d'états discrets supérieurs à inférieurs à la forme de photons porteurs d'énergie et de moment cinétique. L'article considère le processus d'émission d'un photon unique à partir de l'atome d'hydrogène en utilisant la théorie quantique et les équations de Maxwell, voir les références [[W. Gough, European Journal of Physics 17, 208, 1996; L. D. Landau, E. M Lifshitz, Quantum Mechanics (Pergamon Press 1965); J. D. Jackson, Classical Electrodynamics (John Wiley & Son, 1975, 1982); P. M. Morse, H. Feshbach ‘Methods of Theoretical Physics’, (Mcgraw-Hill Book Company, Inc., New York 1953)]]. Les champs électriques et magnétiques du photon sont créés à partir des densités de probabilité orbitale quantique et de courant de spin dépendant du temps. Cet article est une extension de la description semi-classique de l'émission de photons publiée par l'auteur plus tôt en 1999 [Marian Kowalski, Phys. Essays 12, 312 (1999)]]. Dans l'approche semi-classique, la force de Coulomb et une force de résistance au rayonnement ont été prises en compte pour obtenir l'émission du photon en fonction du temps. Dans les cas quantique et semi-classique, la transition a lieu dans un intervalle de temps égal à une période de l'onde du photon. La création d'un photon à une longueur d'onde est soutenue par les résultats d'expériences utilisant des impulsions laser ultra-rapides (ultra-courtes) pour générer des atomes excités, qui émettent des impulsions lumineuses plus courtes que deux longueurs d'onde de photons [F. Krausz, M. Ivanov, Reviews of Modern Physics 81, 163 (2009); Henry Kapteyn and Margaret Murnane, Physics World (January 1999), p. 31].
Key words: Photon Emission Process; Hydrogen Atomic States; Quantum Mechanics; Maxwell’s Theory; Electron Quantum Probability Density; Classical Electrodynamics; Photon Electromagnetic Field; Energy and Angular Momentum; One-Wavelength- Long Photon; Electromagnetic Zero-Point Field.
Received: August 29, 2020; Accepted: March 1, 2021; Published Online: April 7, 2021
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