Разбирането на двойствеността на частиците и вълните на електромагнитното излъчване (светлина) е от основно значение за разбирането на квантовата теория и други явления, както и на природата на светлината. Едно от най-големите научни разработки през предходния век е откритието, че много малки обекти не се подчиняват на същите правила като ежедневните предмети.
Какво представляват електромагнитните вълни?
С прости думи, електромагнитните вълни са просто известни като светлина, въпреки че понятието светлина понякога се използва за определяне на видимата светлина (това, което може да бъде открито от окото), а друг път се използва по-общо за обозначаване на всички форми на електромагнитни радиация.
За да разберем напълно електромагнитните вълни, е важно да разберем понятието за поле и връзката между електричеството и магнетизма. Това ще бъде обяснено по-подробно в следващия раздел, но по същество електромагнитни вълни (светлинни вълни) се състоят от вълна от електрическо поле, трептяща в равнина, перпендикулярна (под прав ъгъл) на магнитно поле вълна.
Ако електромагнитното излъчване действа като вълна, тогава всяка конкретна електромагнитна вълна ще има честота и дължина на вълната, свързани с нея. Честотата е броят на трептенията в секунда, измерена в херци (Hz), където 1 Hz = 1 / s. Дължината на вълната е разстоянието между гребените на вълните. Продуктът на честотата и дължината на вълната дава скоростта на вълната, която за светлина във вакуум е приблизително 3 × 108 Госпожица.
За разлика от повечето вълни (като звукови вълни например), електромагнитните вълни не се нуждаят от среда, през която да преминат се разпространяват и следователно могат да преминат вакуума на празното пространство, което правят със скоростта на светлината - най-бързата скорост в Вселена!
Полета и електромагнетизъм
Полето може да се разглежда като невидим набор от вектори, по един във всяка точка от пространството, показващ относителната величина и посока на сила, която даден обект би усетил, ако бъде поставен в тази точка. Например, гравитационното поле близо до повърхността на земята ще се състои от вектор във всяка точка от пространството, сочещ директно към центъра на земята. На една и съща височина всички тези вектори биха имали еднаква величина.
Ако дадена маса трябва да бъде поставена в дадена точка, тогава гравитационната сила, която тя чувства, ще зависи от нейната маса и стойността на полето там. Електрическите и магнитните полета работят по един и същи начин, с изключение на това, че прилагат сили, зависими от заряда и магнитния момент на обекта, вместо от неговата маса.
Електрическото поле се получава директно от съществуването на заряди, точно както гравитационното поле се получава директно от масата. Източникът на магнетизъм обаче е от движещия се заряд (или еквивалентно от променящите се електрически полета).
През 1860-те години физикът Джеймс Клерк Максуел разработва набор от четири уравнения, които напълно описват връзката между електричеството и магнетизма. Тези уравнения основно показаха как електрическите полета се генерират от заряди, как не съществуват фундаментални магнитни монополи, как променящите се магнитни полета могат да генерират електрическо поле и как токът или променящите се електрически полета могат да генерират магнитно полета.
Малко след извеждането на тези уравнения беше намерено решение, описващо саморазпространяваща се електромагнитна вълна. Предвиждаше се тази вълна да се движи със скоростта на светлината и наистина се оказа лека!
Електромагнитният спектър
Електромагнитните вълни могат да идват в много различни дължини на вълни и честоти, стига произведението на дължината на вълната и честотата на дадена вълна да е равно° С, скоростта на светлината. Формите на електромагнитното излъчване включват (от по-дълги вълни / ниска енергия до по-къси дължини на вълната / висока енергия):
- Радиовълни (0,187 м - 600 м)
- Микровълни (1 mm - 187 mm)
- Инфрачервени вълни (750 nm - 1 mm)
- Видима светлина (400 nm - 750 nm; тези дължини на вълните се откриват от човешкото око и често се подразделят на видим спектър)
- Ултравиолетова светлина (10 nm - 400 nm)
- Рентгенови лъчи (10-12 m - 10 nm)
- Гама лъчи (<10-12 м)
Какво представляват фотоните?
Фотоните са наименованието на квантувани светлинни частици или електромагнитно излъчване. Алберт Айнщайн въвежда понятието за светлинни кванти (фотони) в началото на 20-ти век.
Фотоните са без маса и те не се подчиняват на законите за запазване на броя (което означава, че могат да бъдат създадени и унищожени). Те обаче се подчиняват на енергоспестяването.
Всъщност фотоните се считат за клас частици, които са носители на сила. Фотонът е посредник на електромагнитната сила и действа като пакет енергия, който може да се прехвърля от едно място на друго.
Вероятно си мислите, че е доста странно изведнъж да се говори за електромагнитни вълни като частици, тъй като вълните и частиците изглеждат като две принципно различни конструкции. Всъщност, точно този вид неща правят физиката на много малките толкова странна. В следващите няколко раздела понятията за квантуване и двойственост частици-вълни са разгледани по-подробно.
Как се произвеждат електромагнитни вълни или фотони?
Електромагнитните вълни са резултат от трептения в електрическо и магнитно поле. Ако зарядът се движи напред-назад по тел, той създава променящо се електрическо поле, което от своя страна създава променящо се магнитно поле, което след това се саморазпространява.
Атомите и молекулите, които съдържат движещ се заряд под формата на електронни облаци, са в състояние да взаимодействат с електромагнитното излъчване по интересни начини. В атома електроните имат право да съществуват само в много специфични квантувани енергийни състояния.
Ако електрон иска да бъде в по-ниско енергийно състояние, той може да го направи, като излъчи дискретен пакет електромагнитно излъчване, за да отнесе енергията. И обратно, за да премине в друго енергийно състояние, същият този електрон трябва да абсорбира и много специфичен дискретен пакет енергия.
Енергията, свързана с електромагнитната вълна, зависи от честотата на вълната. Като такива, атомите могат да абсорбират и излъчват само много специфични честоти на електромагнитното излъчване, съответстващи на свързаните с тях квантовани енергийни нива. Тези енергийни пакети се наричатфотони.
Какво е квантуване?
Квантуванесе отнася до нещо, което е ограничено до дискретни стойности стихове непрекъснат спектър. Когато атомите абсорбират или излъчват един фотон, те го правят само при много специфични квантовани енергийни стойности, описани от квантовата механика. Този „единичен фотон“ наистина може да се разглежда като дискретна вълна „пакет“.
Количество енергия може да се излъчи само в кратни на елементарна единица (константа на Планкз). Уравнението, което свързва енергиятаЕ.на фотона към неговата честота е:
E = h \ nu
Къдетоν(гръцката буква nu) е честотата на фотона и константата на Планкз = 6.62607015 × 10-34 Js.
Двойственост на вълните и частиците
Ще чуете как хората използват думитефотониелектромагнитно излъчваневзаимозаменяемо, въпреки че изглежда, че те са различни неща. Когато говорят за фотони, хората обикновено говорят за свойствата на частиците на това явление, докато когато говорят за електромагнитни вълни или радиация, те говорят за вълнообразни Имоти.
Фотоните или електромагнитното излъчване показват така наречената двойственост частици-вълни. В определени ситуации и при определени експерименти фотоните проявяват подобно на частици поведение. Един пример за това е във фотоелектричния ефект, при който светлинен лъч, удрящ се на повърхността, причинява освобождаването на електрони. Спецификата на този ефект може да бъде разбрана само ако светлината се третира като дискретни пакети, които електроните трябва да поемат, за да бъдат излъчени.
В други ситуации и експерименти те действат по-скоро като вълни. Ярък пример за това са интерференционните модели, наблюдавани при експерименти с един или няколко процепа. В тези експерименти светлината преминава през тесни, разположени наблизо прорези, които действат като множество фази източници на светлина и в резултат на това той създава интерференционен модел, съобразен с това, което бихте видели в вълна.
Още по-странно, фотоните не са единственото нещо, което показва тази двойственост. Всъщност всички основни частици, дори електроните и протоните, изглежда се държат по този начин. Колкото по-голяма е частицата, толкова по-къса е нейната дължина на вълната и толкова по-малко ще се появи тази двойственост. Ето защо не забелязвате подобно нещо в ежедневието.