Lys (fysik): Hvad er det, og hvordan fungerer det?

At forstå partikelbølgedualiteten af ​​elektromagnetisk stråling (lys) er grundlæggende for forståelse af kvanteteori og andre fænomener såvel som lysets natur. En af de største videnskabelige udviklinger i det foregående århundrede var opdagelsen af, at meget små genstande ikke overholdt de samme regler som hverdagsgenstande.

Hvad er elektromagnetiske bølger?

Enkelt sagt er elektromagnetiske bølger simpelthen kendt som lys, selvom udtrykket lys undertiden bruges til at specificere synligt lys (det, der kan detekteres af øjet), og andre gange bruges mere generelt til at henvise til alle former for elektromagnetisk stråling.

For fuldt ud at forstå elektromagnetiske bølger er det vigtigt at forstå forestillingen om et felt og forholdet mellem elektricitet og magnetisme. Dette vil blive forklaret mere detaljeret i det næste afsnit, men i det væsentlige elektromagnetiske bølger (lysbølger) består af en elektrisk feltbølge, der oscillerer i et plan vinkelret (vinkelret) på et magnetfelt bølge.

Hvis elektromagnetisk stråling fungerer som en bølge, vil enhver bestemt elektromagnetisk bølge have en frekvens og bølgelængde forbundet med den. Frekvensen er antallet af svingninger pr. Sekund målt i hertz (Hz) hvor 1 Hz = 1 / s. Bølgelængden er afstanden mellem bølgetoppe. Produktet af frekvensen og bølgelængden giver bølgehastigheden, som for lys i vakuum er ca. 3 × 10

8 Frk.

I modsætning til de fleste bølger (som f.eks. Lydbølger) kræver elektromagnetiske bølger ikke et medium, hvorigennem formere sig, og dermed kan krydse vakuumet i det tomme rum, hvilket de gør med lysets hastighed - den hurtigste hastighed i univers!

Felter og elektromagnetisme

Et felt kan betragtes som et usynligt array af vektorer, et på hvert punkt i rummet, der angiver den relative størrelse og retning af en kraft, som en genstand ville føle, hvis den blev placeret på det punkt. For eksempel vil et tyngdefelt nær jordens overflade bestå af en vektor på hvert punkt i rummet, der peger direkte mod midten af ​​jorden. I samme højde ville alle disse vektorer have den samme størrelse.

Hvis en masse skulle placeres på et givet punkt, ville tyngdekraften, den føler, afhænge af dens masse og værdien af ​​feltet der. Elektriske felter og magnetfelter fungerer på samme måde, bortset fra at de påfører kræfter, der afhænger af en genstands ladning og magnetisk moment i stedet for dens masse.

Det elektriske felt skyldes direkte eksistensen af ​​ladninger, ligesom tyngdefeltet skyldes direkte masse. Kilden til magnetisme er imidlertid fra at flytte ladning (eller tilsvarende ændre elektriske felter).

I 1860'erne udviklede fysikeren James Clerk Maxwell et sæt af fire ligninger, der fuldstændigt beskrev forholdet mellem elektricitet og magnetisme. Disse ligninger viste dybest set, hvordan elektriske felter genereres af ladninger, hvordan der ikke findes nogen grundlæggende magnetiske monopol, hvordan skiftende magnetfelt kan generere et elektrisk felt, og hvordan nuværende eller skiftende elektriske felter kan generere magnetiske felter felter.

Kort efter afledningen af ​​disse ligninger blev der fundet en løsning, der beskriver en selvforplantende elektromagnetisk bølge. Denne bølge blev forudsagt at bevæge sig med lysets hastighed, og viste sig faktisk at være lys!

Det elektromagnetiske spektrum

Elektromagnetiske bølger kan komme i mange forskellige bølgelængder og frekvenser, så længe produktet af bølgelængden og frekvensen af ​​en given bølge er lig medc, lysets hastighed. Formerne for elektromagnetisk stråling inkluderer (fra længere bølgelængder / lav energi til kortere bølgelængder / høj energi):

  • Radiobølger (0,187 m - 600 m)
  • Mikrobølger (1 mm - 187 mm)
  • Infrarøde bølger (750 nm - 1 mm)
  • Synligt lys (400 nm - 750 nm; disse bølgelængder kan detekteres af det menneskelige øje og ofte opdelt i et synligt spektrum)
  • Ultraviolet lys (10 nm - 400 nm)
  • Røntgenstråler (10-12 m - 10 nm)
  • Gamma-stråler (<10-12 m)

Hvad er fotoner?

Fotoner er navnet på kvantiserede lyspartikler eller elektromagnetisk stråling. Albert Einstein introducerede forestillingen om lyskvanta (fotoner) i et papir fra det tidlige 20. århundrede.

Fotoner er masseløse, og de overholder ikke lovgivning om bevarelse af tal (hvilket betyder at de kan oprettes og ødelægges). De adlyder dog energibesparelse.

Faktisk anses fotoner for at være i en klasse af partikler, der er kraftbærere. Fotonen er formidleren af ​​den elektromagnetiske kraft og fungerer som en pakke energi, der kan overføres fra et sted til et andet.

Du tænker sandsynligvis, at det er ret underligt at pludselig tale om elektromagnetiske bølger som partikler, da bølger og partikler virker som to fundamentalt forskellige konstruktioner. Faktisk er det bare denne slags ting, der gør det meget smås fysik så underlig. I de næste par afsnit diskuteres begreberne kvantisering og partikelbølgedualitet mere detaljeret.

Hvordan produceres elektromagnetiske bølger eller fotoner?

Elektromagnetiske bølger skyldes svingninger i elektriske og magnetiske felter. Hvis en ladning bevæger sig frem og tilbage langs en ledning, skaber den et skiftende elektrisk felt, som igen skaber et skiftende magnetfelt, som derefter selvforplantes.

Atomer og molekyler, der indeholder bevægelig ladning i form af elektronskyer, er i stand til at interagere med elektromagnetisk stråling på interessante måder. I et atom får elektronerne kun lov til at eksistere i meget specifikke kvantiserede energitilstande.

Hvis en elektron ønsker at være i en lavere energitilstand, kan den gøre det ved at udsende en diskret pakke med elektromagnetisk stråling for at transportere energien. Omvendt, for at hoppe ind i en anden energitilstand, skal den samme elektron også absorbere en meget specifik diskret pakke energi.

Energien forbundet med en elektromagnetisk bølge afhænger af bølgens frekvens. Som sådan kan atomer kun absorbere og udsende meget specifikke frekvenser af elektromagnetisk stråling i overensstemmelse med deres tilknyttede kvantiserede energiniveauer. Disse energipakker kaldesfotoner​.

Hvad er kvantisering?

Kvantiseringhenviser til noget der er begrænset til diskrete værdier vers et kontinuerligt spektrum. Når atomer absorberer eller udsender en enkelt foton, gør de det kun ved meget specifikke kvantiserede energiværdier beskrevet af kvantemekanikken. Denne "enkelt foton" kan virkelig betragtes som en diskret bølge "pakke".

En mængde energi kan kun udsendes i multipla af en elementær enhed (Plancks konstanth). Ligningen, der relaterer energienEaf en foton til dens frekvens er:

E = h \ nu

Hvorν(det græske bogstav nu) er fotonets frekvens og Plancks konstanth​ = 6.62607015 × 10-34 Js.

Wave-Particle Duality

Du vil høre folk bruge ordenefotonogelektromagnetisk strålingomskifteligt, selvom det ser ud til at de er forskellige ting. Når man taler om fotoner, taler folk typisk om partikelegenskaberne ved dette fænomen, hvorimod når de taler om elektromagnetiske bølger eller stråling, taler de til det bølgelignende ejendomme.

Fotoner eller elektromagnetisk stråling udviser det, der kaldes partikelbølgedualitet. I visse situationer og i visse eksperimenter udviser fotoner partikellignende opførsel. Et eksempel på dette er i den fotoelektriske effekt, hvor en lysstråle, der rammer en overflade, forårsager frigivelse af elektroner. Specifikationerne for denne effekt kan kun forstås, hvis lys behandles som diskrete pakker, som elektronerne skal absorbere for at blive udsendt.

I andre situationer og eksperimenter fungerer de mere som bølger. Et godt eksempel på dette er de interferensmønstre, der er observeret i enkelt- eller multiple-spalteeksperimenter. I disse eksperimenter bevæger lys sig gennem snævre, tæt placerede slidser, der fungerer som flere i fase lyskilder, og som et resultat producerer det et interferensmønster, der er i overensstemmelse med det, du ville se i en bølge.

Endnu mærkeligere er fotoner ikke det eneste, der udviser denne dualitet. Faktisk synes alle grundlæggende partikler, selv elektroner og protoner, at opføre sig på denne måde. Jo større partiklen er, jo kortere er dens bølgelængde, og jo mindre vises denne dualitet. Dette er grunden til, at du ikke bemærker noget lignende i hverdagen.

  • Del
instagram viewer