Фотони (квантуване): Определение, свойства и двойственост на вълновите частици

Светлината е може би една от най-странните теми, с които ще се сблъска студентът по физика. Най-бързото нещо във Вселената по някакъв начин е както частица, така и вълна - и показва уникалните свойства и на двете едновременно. Но каквоесветлина?

Разбиране на каквофотониса и каквоквантуванесредствата е от основно значение за разбирането на природата на светлината, квантовата физика и безбройните явления.

Фотоните са официалното наименование на леките частици. Те могат да бъдат видими за хората или не, тъй като тук терминътсветлинасе използва във физически смисъл, което означава, че фотонът е частица от електромагнитно излъчване при всяка честота в спектъра, от радиовълни до гама лъчи.

Фотоните са aквантованчастица. Това означава, че те съществуват само в отделни количества енергия, а не в някакво количество енергия между тях. Когато се разглежда по-ориентираното към химията описание на фотона като енергия, отделена при падане на електрон до по-ниско енергийно ниво в атома, това има смисъл: Електроните могат да бъдат само в определени орбитали или енергия нива. Няма половин стъпки. Така че, ако фотонът е резултат от "падащ електрон", фотонът също трябва да има само специфични енергийни количества или кванти.

Алберт Айнщайн въвежда понятието за светлинни кванти (фотони) в книга от 1905 г. Една от четирите статии, публикувани през тази година, които революционизираха науката, това беше идеята, която му спечели Нобелова награда.

Както бе споменато по-рано, светлината се отнася до всякакъв вид електромагнитно излъчване, чиито видове се отличават с различните си честоти (или дължини на вълните). Тези две мерки, които са характеристики на вълните, следва, че светлината трябва да бъдеелектромагнитна вълна.​

Но изчакайте - в предишния раздел на статията светлината беше въведена каточастица, фотонът, а не като вълна. Това е вярно. Странната природа на светлината е да съществува в това, което се нарича двойственост на вълновите частици:Това е едновременно вълна и частица.​

Следователно и "електромагнитна вълна", и "фотон" са приемливи дескриптори на светлината. Обикновено първата фраза се използва за описание на светлината, когато тя едействащ като вълнаи последният термин, когато едействащи като частица​.

Това става важно в зависимост от явленията, които физикът изследва. В определени ситуации и при определени експерименти фотоните действат така, както физиците очакват частиците да действат, например, когато наблюдават фотоелектричния ефект. В други ситуации и експерименти светлината действа по-скоро като вълни, например при модулиране на радиостанция.

Всичко, ограничено до дискретни стойности, вместо да съществува в непрекъснат спектър, е подложено на квантуване.

Квантуването в атом обяснява, че количеството енергия, което може да бъде излъчено под формата на фотон, ще се появи само в кратни на елементарната константа на Планк,з= 6,6262 х 10 ^-34 джаул-секунди

Тази единица, открита от Макс Планк в края на 1800 г., е една от най-странните и важни единици във физиката. Той описва връзката между честотата на вълновата частица и нейното енергийно ниво и по този начин определя по-ниска долна граница на сигурността, с която можем да разберем структурата на материята.

Едно от най-големите последици от познаването на тази граница, което също помогна да започне странната, но реална област на изследване, известна като квантовата физика е, че при най-малките субатомни нива положението на частиците е описано само като a вероятност. Казано по друг начин, само позицията на субатомни частициилискоростта може да бъде известна със сигурност по всяко време, ноне и двете​.

Определяне на квантитезводят до уравнение за енергията на фотон:

където енергиятаЕ.е в джаули (J), константа на Планкзе в джаул-секунди (Js) и честотаее в херц (Hz).

Повечето хора вероятно мислят за частиците като за малки единици материя, които са оразмерени според техните маси. Това прави формата на частиците светлина особено странен звяр, тъй като като единица чиста енергия фотонът има нулева маса.

Друго важно свойство на фотоните е, че те винаги се движат със скоростта на светлината, ~ 300 000 000 m / s във вакуума на празното пространство. Светлината може да пътува по-бавно от това - всеки път, когато срещне друга материя, тя взаимодейства с нея и се забавя, така че колкото по-плътен е материалът, през който светлината се движи, толкова по-бавно преминава. Въпреки това,нищо във Вселената не може да пътува по-бързо от светлината. Не най-бързата ракета, нито най-ускорената атомна частица.

• Скоростта на светлината, ~ 300 000 000 m / s, е най-бързата, която всичко може да пътува. Ето защо тя също се нарича ограничение на скоростта на Вселената.

По този начин разбирането на светлината е от решаващо значение за разбирането на основните граници на самата Вселена, от най-голямата до най-малката.

Въпреки че светлината винаги пътува едновременноскороств дадена среда, като форма на електромагнитно излъчване, тя може да има различничестотиилидължини на вълните. Честотите и дължините на вълните на светлината като електромагнитни вълни се променят обратно една спрямо друга по спектър.

На най-дългата дължина на вълната и най-ниската честота са радиовълните, след които идват микровълнови, инфрачервени, видими светлина, ултравиолетови, рентгенови и високоенергийни гама лъчи, всеки с прогресивно по-къси дължини на вълната и по-високи честоти.

Физиците през 30-те години започват да научават, че цялата материя във Вселената се състои от няколко основни частици, известни като елементарни частици, които всички се управляват от един и същ набор от основни сили. TheСтандартен моделна физиката на частиците е набор от уравнения, които се опитват да опишат кратко, как всички тези елементарни частици и основните сили са свързани. Светлината е критична част от това универсално описание.

В процес на разработка от 70-те години на миналия век, Стандартният модел досега правилно прогнозира резултатите от много, макар и не от всички, експерименти с квантова физика. Очевиден проблем, който все още предстои да бъде решен в модела, е как да се включи гравитацията в набора от уравнения. Освен това не успява да даде отговори за някои големи космологични въпроси, включително да разбере какво е тъмна материя или къде изчезна цялата антиматерия, създадена в Големия взрив. И все пак, тя е широко приета и считана за най-добрата теория за обяснение на основната същност на нашето съществуване до момента.

В стандартния модел цялата материя се състои от клас елементарни частици, нареченифермиони. Fermions се предлагат в два вида:кваркиилилептони. Всяка от тези категории е допълнително разделена на шест частици, свързани по двойки, известни катопоколения. Първото поколение е най-стабилно, с по-тежки и по-малко стабилни частици, намерени във второто и третото поколение.

Другите компоненти на стандартния модел са сили и частици носители, известни катобозони. Всяка от четирите основни сили - гравитационна, електромагнитна, силна и слаба - е свързана с бозон, който предава силата при обмен с материални частици.

Физиците на частиците, работещи в ускорители или наблюдаващи сблъсъци на високоенергийни частици от космоса, са идентифицирали бозони за последните три сили.Фотонът е бозонът, който носи електромагнитната сила във Вселената,глуонкариес силната сила иWиZ.частиците носят слабата сила. Но теоретичният бозон за гравитацията,гравитон, остава неуловим.

​Излъчване на черно тяло.Черните тела са хипотетичен тип обект (перфектните не съществуват в природата), които поглъщат цялото електромагнитно излъчване, което ги удря. По същество всяко електромагнитно излъчване, удрящо черно тяло, служи за нагряването му и излъчването, което то отделя при охлаждане, е пряко свързано с неговата температура. Физиците могат да използват това приближение, за да изведат свойствата на почти перфектните черни тела във Вселената, като звезди и черни дупки.

Докато вълновата природа на светлината помага да се опишат честотите на лъчението на черното тяло, което обектът ще абсорбира и излъчи, неговото Природата на частиците като фотон също помага да се опише математически, тъй като енергиите, които черното тяло може да съдържа, се квантуват. Макс Планк е сред първите, които разследват това явление.

​Експериментът с двоен процеп.Централен принцип на квантовата физика, експериментът с двоен процеп показва как светенето на светлина върху бариера с два тесни отвора води до отличителен модел на светли и тъмни сенки, известен катомодел на вълнови смущения​.

Странната част от това е, че един фотон, показан през отвора, все още ще се държи така, сякаш пречи на други фотони, въпреки че е сам и неделим. Това означава, че светлинният модел, наблюдаван в експеримента, не може да бъде обяснен чрез третиране на светлината само като фотон или вълна; трябва да се разглежда и двете. Този експеримент често се цитира, за да обясни какво се разбира под идеята за двойственост на вълнови частици.

​Ефектът на Комптън.Ефектът на Комптън е друг наблюдаем пример за взаимодействието между вълновата светлина и природата на частиците. Той описва как енергията и инерцията се запазват, когато фотон се сблъска със стационарен електрон. Комбинирането на уравнението за количеството енергия на фотон с уравненията за запазване на импулса показва, че полученото дължината на вълната на изходящия фотон (първоначално все още електрон) може да се предскаже от дължината на вълната на входящия фотон, който даде това е енергия.

​Спектроскопия.Техниката на спектроскопия позволява на физици, химици, астрономи и други учени да изследват материалния състав на обект, включително далечни звезди, просто чрез анализ на моделите, които са резултат от разделянето на входящата светлина от този обект с a призмата. Тъй като различните елементи поглъщат и излъчват фотони в дискретни кванти, наблюдаваните дължини на електромагнитните вълни попадат в дискретни сегменти в зависимост от това какви елементи съдържат обектите.

​Еквивалентност маса-енергия.Много деца могат да рецитират прочутото уравнение на АйнщайнE = mc². Кратко и сладко, истинските последици от това уравнение са дълбоки:Масами енергияЕ.са еквивалентнии могат да бъдат преобразувани един в друг, като се използва скоростта на светлината във вакуум,° С, на квадрат. Това важно означава, че обект, който не се движи, все още има енергия; в този случай неговатамаса за почивкасе казва, че е равно на неговотоенергия за почивка​.

Физиците на частиците използват еквивалентност маса-енергия, за да определят по-прости единици за някои от своите измервания. Например, квантовите физици търсят масите на фермиони или бозони чрез ускоряване на субатомни частици като протони и електрони до близки светлинни скорости в гигантски ускорители и разбиването им заедно, а след това анализиране на ефектите от "отломките" в силно чувствителни електрически масиви.

Вместо да се дава маса в килограми, често срещаният начин за отчитане на масата на частиците е в гигаелектронволта или GeV, единица енергия. За да върнат тази стойност на маса в SI единица килограми, те могат да използват тази проста връзка: 1 GeV /° С​² = 1.78266192×10⁻²⁷ к.