Porozumění dualitě vln částic elektromagnetického záření (světla) je zásadní pro pochopení kvantové teorie a dalších jevů i podstaty světla. Jedním z největších vědeckých poznatků v předchozím století bylo zjištění, že velmi malé objekty nepodléhaly stejným pravidlům jako předměty každodenní potřeby.
Co jsou elektromagnetické vlny?
Jednoduše řečeno, elektromagnetické vlny jsou jednoduše známé jako světlo, ačkoli termín světlo se někdy používá k určení viditelného světla (to, které lze detekovat okem) a jindy se obecněji používá k označení všech forem elektromagnetického záření.
Pro úplné pochopení elektromagnetických vln je důležité porozumět pojmu pole a vztahu mezi elektřinou a magnetismem. To bude podrobněji vysvětleno v další části, ale v podstatě elektromagnetické vlny (světelné vlny) sestávají z vlny elektrického pole kmitající v rovině kolmé (v pravých úhlech) na magnetické pole mávat.
Pokud elektromagnetické záření působí jako vlna, pak bude mít každá konkrétní elektromagnetická vlna s ní spojenou frekvenci a vlnovou délku. Frekvence je počet oscilací za sekundu, měřený v hertzích (Hz), kde 1 Hz = 1 / s. Vlnová délka je vzdálenost mezi vrcholky vln. Produkt frekvence a vlnové délky udává vlnovou rychlost, která pro světlo ve vakuu je přibližně 3 × 10
Na rozdíl od většiny vln (například zvukových vln) elektromagnetické vlny nevyžadují médium, kterým by procházely množí se, a tudíž mohou procházet vakuem prázdného prostoru, což dělají rychlostí světla - nejrychlejší rychlostí v vesmír!
Pole a elektromagnetismus
Pole lze považovat za neviditelné pole vektorů, jeden v každém bodě v prostoru indikující relativní velikost a směr síly, kterou by objekt pocítil, kdyby byl umístěn v tomto bodě. Například gravitační pole v blízkosti povrchu Země by sestávalo z vektoru v každém bodě vesmíru směřujícího přímo ke středu Země. Ve stejné nadmořské výšce by všechny tyto vektory měly stejnou velikost.
Pokud by měla být hmota umístěna v daném bodě, potom by gravitační síla, kterou cítí, závisela na její hmotnosti a hodnotě tamního pole. Elektrické pole a magnetické pole fungují stejným způsobem, kromě toho, že místo jeho hmotnosti působí síly závislé na náboji objektu a magnetickém momentu.
Elektrické pole vyplývá přímo z existence nábojů, stejně jako gravitační pole vyplývá přímo z hmotnosti. Zdrojem magnetismu je však pohybující se náboj (nebo ekvivalentní změna elektrických polí).
V šedesátých letech 19. století vytvořil fyzik James Clerk Maxwell soubor čtyř rovnic, které zcela popsaly vztah mezi elektřinou a magnetismem. Tyto rovnice v podstatě ukázaly, jak jsou elektrická pole generována náboji, jak neexistují žádné základní magnetické monopoly změna magnetického pole může generovat elektrické pole a to, jak mohou současné nebo měnící se elektrické pole generovat magnetické pole pole.
Krátce po odvození těchto rovnic bylo nalezeno řešení popisující samovolně se šířící elektromagnetickou vlnu. Předpovídalo se, že tato vlna se bude pohybovat rychlostí světla, a skutečně se ukázalo, že je ve skutečnosti světlo!
Elektromagnetické spektrum
Elektromagnetické vlny mohou přicházet v mnoha různých vlnových délkách a frekvencích, pokud se součin vlnové délky a frekvence dané vlny rovnáCrychlost světla. Formy elektromagnetického záření zahrnují (od delších vlnových délek / nízké energie po kratší vlnové délky / vysoké energie):
- Rádiové vlny (0,187 m - 600 m)
- Mikrovlny (1 mm - 187 mm)
- Infračervené vlny (750 nm - 1 mm)
- Viditelné světlo (400 nm - 750 nm; tyto vlnové délky jsou detekovatelné lidským okem a často se dělí na viditelné spektrum)
- Ultrafialové světlo (10 nm - 400 nm)
- Rentgenové záření (10-12 m - 10 nm)
- Gama paprsky (<10-12 m)
Co jsou fotony?
Fotony jsou název kvantovaných světelných částic nebo elektromagnetického záření. Albert Einstein představil pojem světla quanta (fotony) v článku z počátku 20. století.
Fotony jsou nehmotné a nedodržují zákony zachování počtu (což znamená, že mohou být vytvořeny a zničeny). Dodržují však zachování energie.
Ve skutečnosti jsou fotony považovány za třídu částic, které jsou nositeli síly. Foton je prostředníkem elektromagnetické síly a působí jako balíček energie, který lze přenášet z jednoho místa na druhé.
Pravděpodobně si myslíte, že je dost divné mluvit o elektromagnetických vlnách jako o částicích, protože vlny a částice vypadají jako dva zásadně odlišné konstrukty. Opravdu, právě tento druh věcí dělá fyziku velmi malých tak zvláštními. V následujících několika částech jsou pojmy kvantování a dualita vln částic podrobněji diskutovány.
Jak se vyrábějí elektromagnetické vlny nebo fotony?
Elektromagnetické vlny jsou výsledkem kmitání v elektrických a magnetických polích. Pokud se náboj pohybuje po vodiči tam a zpět, vytváří měnící se elektrické pole, které zase vytváří měnící se magnetické pole, které se pak samo šíří.
Atomy a molekuly, které obsahují pohybující se náboj ve formě elektronových mraků, jsou schopné interagovat s elektromagnetickým zářením zajímavými způsoby. V atomu mohou elektrony existovat pouze ve velmi specifických kvantovaných energetických stavech.
Pokud chce elektron být ve stavu s nižší energií, může to udělat tak, že vydá diskrétní balíček elektromagnetického záření, aby energii odnesl. Naopak, aby mohl skočit do jiného energetického stavu, musí stejný elektron absorbovat také velmi specifický samostatný balíček energie.
Energie spojená s elektromagnetickou vlnou závisí na frekvenci vlny. Atomy jako takové mohou absorbovat a emitovat pouze velmi specifické frekvence elektromagnetického záření v souladu s jejich přidruženými kvantovanými energetickými hladinami. Tyto energetické balíčky se nazývajífotony.
Co je to kvantizace?
Kvantováníoznačuje něco, co je omezeno na diskrétní hodnoty versus spojité spektrum. Když atomy absorbují nebo emitují jeden foton, činí to pouze při velmi specifických kvantovaných energetických hodnotách popsaných kvantovou mechanikou. Tento „jediný foton“ lze skutečně považovat za „balíček“ diskrétních vln.
Množství energie může být emitováno pouze v násobcích elementární jednotky (Planckova konstantah). Rovnice, která souvisí s energiíEfotonu na jeho frekvenci je:
E = h \ nu
Kdeν(řecké písmeno nu) je frekvence fotonu a Planckova konstantah = 6.62607015 × 10-34 Js.
Dualita vlnových částic
Uslyšíte, jak lidé používají slovafotonaelektromagnetická radiacezaměnitelně, i když se zdá, že jsou to různé věci. Když mluvíme o fotonech, lidé obvykle mluví o vlastnostech částic tohoto jevu, zatímco když mluví o elektromagnetických vlnách nebo záření, mluví o vlně vlastnosti.
Fotony nebo elektromagnetické záření vykazují to, co se nazývá dualita vln částic. V určitých situacích a při určitých experimentech vykazují fotony chování podobné částicím. Jedním z příkladů je fotoelektrický jev, kdy světelný paprsek dopadající na povrch způsobí uvolnění elektronů. Specifika tohoto jevu lze pochopit, pouze pokud se se světlem zachází jako s oddělenými pakety, které musí elektrony absorbovat, aby mohly být emitovány.
V jiných situacích a experimentech se chovají spíše jako vlny. Ukázkovým příkladem toho jsou interferenční vzory pozorované v experimentech s jednou nebo více štěrbinami. V těchto experimentech světlo prochází úzkými, těsně rozmístěnými štěrbinami, které fungují jako více fází světelné zdroje a ve výsledku vytváří interferenční obrazec shodný s tím, co byste viděli v a mávat.
Dokonce i cizí, fotony nejsou jedinou věcí, která vykazuje tuto dualitu. Ve skutečnosti se všechny základní částice, dokonce i elektrony a protony, zdají chovat tímto způsobem. Čím větší je částice, tím kratší je její vlnová délka a tím méně se tato dualita objeví. Proto si v každodenním životě nic takového nevšimnete.