Fotony (kvantizace): Definice, vlastnosti a dualita vlnových částic

Světlo je pravděpodobně jedno z nejpodivnějších témat, se kterými se student fyziky setká. Nejrychlejší věcí ve vesmíru je nějaká částice i vlna - a vykazuje jedinečné vlastnosti obou současně. Ale cojesvětlo?

Pochopení čehofotonyjsou a cokvantováníProstředky jsou zásadní pro pochopení podstaty světla, kvantové fyziky a nesčetných souvisejících jevů.

Fotony jsou formální název pro lehké částice. Mohou být viditelné pro lidi, nebo ne, protože zde termínsvětlose používá ve smyslu fyziky, což znamená, že foton je částice elektromagnetického záření na jakékoli frekvenci ve spektru, od rádiových vln po paprsky gama.

Fotony jsou akvantovánočástice. To znamená, že existují pouze v diskrétních množstvích energie, spíše než v jakémkoli množství energie mezi nimi. Když vezmeme v úvahu chemicky orientovanější popis fotonu jako energie uvolněné při pádu elektronu na nižší energetickou hladinu v atomu to dává smysl: Elektrony mohou být pouze na konkrétních orbitálech nebo v energii úrovně. Nejsou tu žádné poloviční kroky. Pokud je tedy foton výsledkem „padajícího elektronu“, musí foton také pocházet pouze ve specifických množstvích energie nebo kvantách.

Albert Einstein představil pojem světelných kvant (fotonů) v dokumentu z roku 1905. Jedním ze čtyř článků, které v tomto roce vydal revoluci ve vědě, byla myšlenka, která mu získala Nobelovu cenu.

Jak již bylo zmíněno dříve, světlo označuje jakýkoli typ elektromagnetického záření, jehož typy se vyznačují různými frekvencemi (nebo vlnovými délkami). Jelikož tato dvě opatření jsou charakteristikou vln, vyplývá z toho, že světlo musí býtelektromagnetická vlna.​

Ale počkejte - v předchozí části článku bylo světlo představeno jakočástice, foton, ne jako vlna. Toto je správně. Zvláštní vlastností světla je existovat v tom, čemu se říká dualita vlnových částic:Je to vlna i částice.​

Proto jsou „elektromagnetická vlna“ i „foton“ přijatelnými deskriptory světla. První fráze se obvykle používá k popisu světla, když jepůsobí jako vlnaa druhý termín, když jepůsobí jako částice​.

To se stává důležitým v závislosti na jevech, které fyzik zkoumá. V určitých situacích a při určitých experimentech se fotony chovají jako fyzici, kteří očekávají, že částice budou působit, například při pozorování fotoelektrického jevu. V jiných situacích a experimentech se světlo chová spíše jako vlny, například při modulaci rozhlasové stanice.

Kvantizaci prochází cokoli omezené na diskrétní hodnoty, spíše než existující na spojitém spektru.

Kvantování v atomu vysvětluje, že množství energie, které může být emitováno ve formě fotonu, nastane pouze v násobcích Planckovy konstanty elementární jednotky,h= 6,6262 x 10 ^-34 joule-sekundy

Tato jednotka, objevená Maxem Planckem na konci 18. století, je jednou z nejbizarnějších a nejdůležitějších jednotek ve fyzice. Popisuje vztah mezi frekvencí vlnové částice a její energetickou úrovní, a stanoví tak spodní dolní hranici jistoty, s níž můžeme porozumět struktuře hmoty.

Jeden z největších důsledků znalosti tohoto limitu, který také pomohl zahájit zvláštní, ale skutečné pole studia známé jako Kvantová fyzika znamená, že na nejmenších subatomových úrovních lze polohu částic popsat pouze jako a pravděpodobnost. Jinými slovy, pouze poloha subatomové částiceneborychlost lze s jistotou znát kdykoli, alene obojí​.

Definování kvanthvést k rovnici pro energii fotonu:

kde energieEje v joulech (J), Planckova konstantahje v joulech sekundách (Js) a frekvenciFje v hertzích (Hz).

Většina lidí si pravděpodobně myslí o částicích jako o malých jednotkách hmoty, které jsou dimenzovány podle jejich hmot. Díky tomu je částicová forma světla obzvláště podivné zvíře, protože foton má jako jednotka čisté energie nulovou hmotnost.

Další důležitou vlastností fotonů je, že se vždy pohybují rychlostí světla ~ 300 000 000 m / s ve vakuu prázdného prostoru. Světlo může cestovat pomaleji - kdykoli narazí na jinou hmotu, interaguje s ní a zpomalí, takže čím hustší je materiál, kterým světlo cestuje, tím pomaleji to jde. Nicméně,nic ve vesmíru nemůže cestovat rychleji než světlo. Nejrychlejší raketa ani nejrychlejší atomová částice.

• Rychlost světla, ~ 300 000 000 m / s, je nejrychlejší, jakou může cokoli cestovat. Proto se také označuje jako rychlostní limit vesmíru.

Tímto způsobem je pochopení světla zásadní pro pochopení základních limitů samotného vesmíru, od jeho největšího po nejmenší.

I když světlo cestuje vždy stejněRychlostv daném médiu, jako forma elektromagnetického záření, to může mít různéfrekvencenebovlnové délky. Frekvence a vlnové délky světla jako elektromagnetické vlny se navzájem inverzně mění ve spektru.

Na nejdelší vlnové délce a na konci s nejnižší frekvencí jsou rádiové vlny, poté přicházejí mikrovlnné, infračervené, viditelné světelné, ultrafialové, rentgenové a vysokoenergetické gama paprsky, každý s postupně menšími vlnovými délkami a vyššími frekvence.

Fyzici ve třicátých letech začali poznávat, že veškerá hmota ve vesmíru se skládá z několika základní částice, známé jako elementární částice, které jsou všechny řízeny stejnou sadou základní síly. TheStandardní modelčásticové fyziky je soubor rovnic, které se snaží stručně popsat, jak všechny tyto základní částice a základní síly souvisejí. Světlo je kritickou součástí tohoto univerzálního popisu.

Ve vývoji od 70. let standardní model doposud správně předpovídal výsledky mnoha, i když ne všech, experimentů kvantové fyziky. Do očí bijícím problémem, který bude v modelu ještě vyřešen, je to, jak začlenit gravitaci do množiny rovnic. Navíc neposkytuje odpovědi na některé velké kosmologické otázky, včetně zjišťování, co je temná hmota nebo kam zmizeli všechny antihmoty vytvořené ve Velkém třesku. Přesto je všeobecně přijímán a považován za nejlepší teorii pro vysvětlení základní podstaty naší dosavadní existence.

Ve standardním modelu je veškerá hmota tvořena třídou elementárních částic zvanýchfermiony. Fermiony se dodávají ve dvou typech:kvarkyneboleptony. Každá z těchto kategorií je dále rozdělena na šest částic, které jsou příbuzné v párech známých jakogenerace. První generace je nejstabilnější, s těžšími a méně stabilními částicemi nalezenými ve druhé a třetí generaci.

Dalšími součástmi standardního modelu jsou síly a nosné částice, známé jakobosony. Každá ze čtyř základních sil - gravitační, elektromagnetická, silná a slabá - je spojena s bosonem, který přenáší sílu při výměně s částicemi hmoty.

Fyzici částic pracující na urychlovačích nebo sledující srážky částic s vysokou energií z vesmíru identifikovali bosony pro poslední tři síly.Foton je boson, který nese elektromagnetickou sílu ve vesmíru„gluonkazí silnou sílu aŽaZčástice nesou slabou sílu. Ale teoretický boson pro gravitaci,graviton, zůstává nepolapitelný.

​Radiace černého těla.Blackbodies jsou hypotetický typ objektu (perfektní v přírodě neexistují), který absorbuje veškeré elektromagnetické záření, které na ně dopadá. V podstatě jakékoli elektromagnetické záření dopadající na černé těleso slouží k jeho zahřátí a záření, které vydává při chlazení, tedy přímo souvisí s jeho teplotou. Fyzici mohou pomocí této aproximace odvodit vlastnosti téměř dokonalých černých těles ve vesmíru, jako jsou hvězdy a černé díry.

Zatímco vlnová povaha světla pomáhá popsat frekvence záření černého tělesa, které bude objekt absorbovat a vyzařovat, jeho částicová povaha jako foton ji také pomáhá matematicky popsat, protože energie, které může černé těleso obsahovat, jsou kvantovány. Max Planck byl mezi prvními, kdo tento fenomén zkoumal.

​Pokus s dvojitým rozřezáním.Experiment s dvojitou štěrbinou, ústředním principem kvantové fyziky, ukazuje, jak zářící světlo na bariéru se dvěma úzkými otvory vede k výraznému vzoru světelných a tmavých stínů známých jakovlnový interferenční vzor​.

Zvláštní částí toho je, že jediný foton zobrazený otvorem se bude i nadále chovat, jako by interferoval s jinými fotony, přestože je sám a nedělitelný. To znamená, že světelný vzorec pozorovaný v experimentu nelze vysvětlit tak, že se se světlem zachází pouze jako s fotonem nebo vlnou; to musí být považováno za obojí. Tento experiment je často citován při vysvětlování toho, co je míněno myšlenkou duality vln-částice.

​Comptonův efekt.Comptonův efekt je dalším pozorovatelným příkladem souhry mezi vlnami světla a povahami částic. Popisuje, jak se zachovává energie i hybnost při srážce fotonu se stacionárním elektronem. Kombinace rovnice pro množství energie fotonu s rovnicemi zachování hybnosti ukazuje, že výsledkem vlnovou délku odcházejícího fotonu (původně nehybný elektron) lze předpovědět vlnovou délkou přicházejícího fotonu, která dala to energie.

​Spektroskopie.Technika spektroskopie umožňuje fyzikům, chemikům, astronomům a dalším vědcům zkoumat materiální složení materiálu objekt, včetně vzdálených hvězd, jednoduše analýzou vzorů, které jsou výsledkem rozdělení příchozího světla z tohoto objektu pomocí a hranol. Protože různé prvky absorbují a emitují fotony v diskrétních kvantách, spadají pozorované elektromagnetické vlnové délky do diskrétních segmentů v závislosti na tom, jaké prvky objekty obsahují.

​Ekvivalence hmotnostní energie.Spousta dětí dokáže recitovat slavnou Einsteinovu rovniciE = mc². Krátké a sladké, skutečné důsledky této rovnice jsou hluboké:Hmotnostma energieEjsou rovnocennéa lze je vzájemně převést pomocí rychlosti světla ve vakuu,C, na druhou. To důležitě znamená, že objekt, který se nepohybuje, má stále energii; v tomto případě jehoodpočinková hmotase říká, že se rovná jehoklidová energie​.

Fyzici částic používají ekvivalenci hmoty a energie k určení jednodušších jednotek pro některá jejich měření. Například kvantoví fyzici hledají masy fermionů nebo bosonů zrychlením subatomárních částic, jako jsou protony a elektrony, na rychlosti blízkého světla v obrovských urychlovačích a jejich rozbíjení dohromady a následná analýza účinků „úlomků“ ve vysoce citlivých elektrických pole.

Místo udávání hmotnosti v kilogramech je však běžný způsob hlášení hmotností částic v giga-elektronvoltech neboli GeV, jednotce energie. K vrácení této hodnoty na hmotnost v jednotce SI kilogramů mohou použít tento jednoduchý vztah: 1 GeV /C​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.