Fotoner (kvantisering): Definition, egenskaber og bølge-partikeldualitet

Lys er uden tvivl et af de underligste emner, som en fysikstuderende vil støde på. Den hurtigste ting i universet er på en eller anden måde både en partikel og en bølge - og udviser de unikke egenskaber for begge på samme tid. Men hvaderlys?

Forståelse hvadfotonerer og hvadkvantiseringmidler er grundlæggende for at forstå lysets natur, kvantefysik og utallige relaterede fænomener.

Fotoner er det formelle navn for lyspartikler. De kan være synlige for mennesker eller ej, da her udtrykketlysbruges i fysisk forstand, hvilket betyder, at en foton er en partikel af elektromagnetisk stråling ved enhver frekvens på spektret, fra radiobølger til gammastråler.

Fotoner er enkvantiseretpartikel. Dette betyder, at de kun eksisterer i diskrete mængder energi snarere end i en hvilken som helst mængde energi imellem. Når man overvejer den mere kemi-orienterede beskrivelse af en foton som den energi, der frigøres, når en elektron falder til et lavere energiniveau i atomet, giver det mening: Elektroner kan kun være i specifikke orbitaler eller energi niveauer. Der er ingen halve trin. Så hvis en foton er resultatet af en "faldende elektron", skal en foton også kun komme i specifikke energimængder eller kvanta.

Albert Einstein introducerede forestillingen om lyskvanta (fotoner) i et papir fra 1905. Et af fire papirer, han udgav det år, der revolutionerede videnskaben, det var den idé, der vandt Nobelprisen.

Som nævnt tidligere henviser lys til enhver form for elektromagnetisk stråling, hvis typer er kendetegnet ved deres forskellige frekvenser (eller bølgelængder). Disse to målinger er karakteristika for bølger, det følger heraf, at lys skal være etelektromagnetisk bølge.​

Men vent - i det forrige afsnit af artiklen blev lys introduceret som enpartikel, fotonet, ikke som en bølge. Det er rigtigt. Lysets underlige natur er at eksistere i det, der kaldes bølge-partikel dualitet:Det er både en bølge og en partikel.​

Derfor er både "elektromagnetisk bølge" og "foton" acceptable lysbeskrivere. Normalt bruges den første sætning til at beskrive lys, når det erfungerer som en bølgeog sidstnævnte udtryk, når det erfungerer som en partikel​.

Dette bliver vigtigt afhængigt af de fænomener, som en fysiker undersøger. I visse situationer og i visse eksperimenter fungerer fotoner, som fysikere forventer, at partikler virker f.eks. Når de observerer den fotoelektriske effekt. I andre situationer og eksperimenter virker lys mere som bølger, f.eks. Når der moduleres en radiostation.

Alt, der er begrænset til diskrete værdier i stedet for at eksistere i et kontinuerligt spektrum, gennemgår kvantisering.

Kvantisering i et atom forklarer, at den mængde energi, der kan udsendes i form af en foton, kun vil forekomme i multipla af den elementære enhed Plancks konstant,h= 6,6262 x 10 ^-34 joule-sekunder

Denne enhed, der blev opdaget af Max Planck i slutningen af ​​1800-tallet, er en af ​​de mest bizarre og vigtige enheder i fysikken. Den beskriver forholdet mellem en bølgepartikels frekvens og dens energiniveau og sætter således en lavere nedre grænse for den sikkerhed, hvormed vi kan forstå materiens struktur.

En af de største konsekvenser ved at kende denne grænse, hvilket også hjalp med at begynde det ulige-men-virkelige studieretning kendt som kvantefysik, er, at partiklernes position kun kan beskrives som en på de mindste subatomære niveauer sandsynlighed. Sagt på en anden måde, kun en subatomær partikels positionellerhastighed kan kendes med sikkerhed til enhver tid, menikke begge dele​.

Definition af kvantahføre til en ligning for en fotones energi:

hvor energiEer i joule (J), Plancks konstanther i joule-sekunder (Js) og frekvensfer i hertz (Hz).

De fleste mennesker tænker sandsynligvis på partikler som små enheder af stof, der er dimensioneret efter deres masse. Dette gør lysets partikelform til et særligt underligt dyr, da en foton af ren energi har nul masse.

En anden vigtig egenskab ved fotoner er, at de altid bevæger sig med lysets hastighed, ~ 300.000.000 m / s i vakuumet i det tomme rum. Lys kan bevæge sig langsommere end det - når som helst det støder på andre sager, interagerer det med det og bremser, så jo tættere det materiale, gennem hvilket lys bevæger sig, jo langsommere går det. Imidlertid,intet i universet kan rejse hurtigere end lys. Ikke den hurtigste raket eller den mest accelererede atompartikel.

• Lysets hastighed, ~ 300.000.000 m / s, er den hurtigste, som noget kan rejse. Derfor kaldes det også universets hastighedsgrænse.

På denne måde er forståelse af lys afgørende for at forstå de grundlæggende grænser for selve universet, fra dets aller største til det mindste.

Selvom lys altid bevæger sig på samme mådefarti et givet medium, som en form for elektromagnetisk stråling, kan det have forskelligefrekvenserellerbølgelængder. Frekvenserne og bølgelængderne af lys, når elektromagnetiske bølger ændres omvendt med hinanden langs et spektrum.

Ved den længste bølgelængde og den laveste frekvens ende er radiobølger, hvorefter mikrobølgeovn, infrarød, synlig lys-, ultraviolet-, røntgen- og højenergigammastråler, hver med gradvis kortere bølgelængder og højere frekvenser.

Fysikere i 1930'erne begyndte at lære, at al materie i universet er sammensat af nogle få grundlæggende partikler, kendt som elementære partikler, som alle styres af det samme sæt af grundlæggende kræfter. DetStandard modelaf partikelfysik er et sæt ligninger, der forsøger kortfattet at beskrive, hvordan alle disse elementære partikler og de grundlæggende kræfter forholder sig. Lys er et kritisk stykke af denne universelle beskrivelse.

Under udvikling siden 1970'erne har Standardmodellen hidtil korrekt forudsagt resultaterne af mange, men ikke alle, kvantefysiske eksperimenter. Et skarpt problem, der endnu ikke skal løses i modellen, er, hvordan man integrerer tyngdekraften i sæt af ligninger. Derudover giver den ikke svar på nogle store kosmologiske spørgsmål, herunder at finde ud af, hvad mørkt stof er, eller hvor forsvandt alt antimateriale, der blev oprettet i Big Bang. Alligevel er det bredt accepteret og betragtes som den bedste teori til at forklare den grundlæggende karakter af vores eksistens til dato.

I standardmodellen består alt stof af en klasse af elementære partikler, der kaldesfermioner. Fermions findes i to typer:kvarkerellerleptoner. Hver af disse kategorier er yderligere opdelt i seks partikler, beslægtede parvis kendt somgenerationer. Den første generation er den mest stabile med tungere og mindre stabile partikler, der findes i anden og tredje generation.

De øvrige komponenter i standardmodellen er kræfter og bærerpartikler, kendt sombosoner. Hver af de fire grundlæggende kræfter - tyngdekraften, elektromagnetisk, stærk og svag - er forbundet med et boson, der formidler kraften i udveksling med stofpartikler.

Partikelfysikere, der arbejder på acceleratorer eller holder øje med kollisioner fra høj energi fra rummet, har identificeret bosoner for de sidstnævnte tre kræfter.Fotonen er bosonen, der bærer den elektromagnetiske kraft i universet, detgluonkaries den stærke kraft ogWogZpartikler bærer den svage kraft. Men den teoretiske tyngdekraft, dengraviton, forbliver undvigende.

​Blackbody-stråling.Blackbodies er en hypotetisk type genstand (perfekte findes ikke i naturen), der absorberer al den elektromagnetiske stråling, der rammer dem. I det væsentlige tjener enhver elektromagnetisk stråling, der rammer et sort legeme, til at opvarme den og den stråling, den afgiver under afkøling, er derfor direkte relateret til dens temperatur. Fysikere kan bruge denne tilnærmelse til at udlede egenskaberne for næsten perfekte sorte legemer i universet, såsom stjerner og sorte huller.

Mens lysets bølge-natur hjælper med at beskrive frekvenser af sortlegemsstråling, som en genstand vil absorbere og udsende, er dens partikelnatur som foton hjælper også med at beskrive det matematisk, da de energier, det sorte legeme kan indeholde, kvantificeres. Max Planck var blandt de første til at undersøge dette fænomen.

​Dobbelt spalteeksperiment.Et centralt princip i kvantefysik, dobbeltslidseksperimentet viser, hvordan et skinnende lys på en barriere med to smalle åbninger resulterer i et markant mønster af lys og mørke skygger kendt som enbølge interferens mønster​.

Den mærkelige del af dette er, at en enkelt foton vist gennem åbningen stadig vil opføre sig som om den forstyrrer andre fotoner, på trods af at den er alene og udelelig. Det vil sige, at lysmønsteret observeret i eksperimentet ikke kan forklares ved kun at behandle lys som en foton eller en bølge; det skal betragtes som begge dele. Dette eksperiment citeres ofte for at forklare, hvad der menes med ideen om dualitet med bølgepartikler.

​Compton-effekten.Compton-effekten er et andet observerbart eksempel på samspillet mellem lysets bølge og partikelnatur. Den beskriver, hvordan både energi og momentum bevares, når en foton kolliderer med en stationær elektron. Kombination af ligningen for mængden af ​​en foton med en bevægelsesligning for momentum viser, at den resulterende bølgelængden af ​​den udgående foton (den oprindeligt stadig elektron) kan forudsiges af bølgelængden af ​​den indgående foton, der gav det energi.

​Spektroskopi.Teknikken med spektroskopi giver fysikere, kemikere, astronomer og andre forskere mulighed for at undersøge materialets sammensætning af en objekt, herunder fjerne stjerner, simpelthen ved at analysere de mønstre, der opstår ved at opdele indkommende lys fra objektet med en prisme. Fordi forskellige elementer absorberer og udsender fotoner i diskrete kvanta, falder de observerede elektromagnetiske bølgelængder i diskrete segmenter afhængigt af hvilke elementer genstandene indeholder.

​Mass-energi ækvivalens.Masser af børn kan recitere Einsteins berømte ligningE = mc². Kort og sødt, de sande konsekvenser af denne ligning er dybe:Massemog energiEer ækvivalenteog kan konverteres til hinanden ved hjælp af lysets hastighed i vakuum,c, kvadreret. Dette betyder væsentligt, at et objekt, der ikke bevæger sig, stadig har energi; i dette tilfælde er dethvilemassesiges at svare til denshvile energi​.

Partikelfysikere anvender masse-energiækvivalens til at bestemme enklere enheder til nogle af deres målinger. For eksempel søger kvantefysikere efter masserne af fermioner eller bosoner ved at fremskynde subatomære partikler som protoner og elektroner til næsten lyshastigheder i kæmpe acceleratorer og smadre dem sammen og derefter analysere virkningerne af "snavs" i meget følsom elektrisk arrays.

I stedet for at give en masse i kilogram er den almindelige måde at rapportere partikelmasser på i giga-elektronvolt eller GeV, en energienhed. For at returnere denne værdi til en masse i SI-enheden på kg kan de bruge dette enkle forhold: 1 GeV /c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.