Licht (Physik): Was ist das und wie funktioniert es?

Das Verständnis der Teilchen-Wellen-Dualität elektromagnetischer Strahlung (Licht) ist grundlegend für das Verständnis der Quantentheorie und anderer Phänomene sowie der Natur des Lichts. Eine der größten wissenschaftlichen Entwicklungen des vergangenen Jahrhunderts war die Entdeckung, dass sehr kleine Gegenstände nicht denselben Regeln gehorchten wie Alltagsgegenstände.

Einfach ausgedrückt werden elektromagnetische Wellen einfach als Licht bezeichnet, obwohl der Begriff Licht manchmal verwendet wird, um sichtbares Licht zu beschreiben (das, was mit dem Auge wahrgenommen werden kann), und andere Zeiten werden allgemeiner verwendet, um sich auf alle Formen elektromagnetischer Strahlung zu beziehen Strahlung.

Um elektromagnetische Wellen vollständig zu verstehen, ist es wichtig, den Begriff eines Feldes und die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus zu verstehen. Dies wird im nächsten Abschnitt genauer erklärt, aber im Wesentlichen sind elektromagnetische Wellen (Lichtwellen) bestehen aus einer elektrischen Feldwelle, die in einer Ebene senkrecht (im rechten Winkel) zu einem Magnetfeld schwingt Welle.

Wenn elektromagnetische Strahlung als Welle wirkt, dann hat jede bestimmte elektromagnetische Welle eine damit verbundene Frequenz und Wellenlänge. Die Frequenz ist die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde, gemessen in Hertz (Hz), wobei 1 Hz = 1/s ist. Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen den Wellenbergen. Das Produkt aus Frequenz und Wellenlänge ergibt die Wellengeschwindigkeit, die für Licht im Vakuum etwa 3×10. beträgt⁸ Frau.

Im Gegensatz zu den meisten Wellen (wie zum Beispiel Schallwellen) benötigen elektromagnetische Wellen kein Medium, durch das sie ausbreiten, und können daher das Vakuum des leeren Raums durchqueren, was sie mit Lichtgeschwindigkeit tun – der schnellsten Geschwindigkeit in der Welt Universum!

Ein Feld kann man sich als eine unsichtbare Anordnung von Vektoren vorstellen, wobei einer an jedem Punkt im Raum die relative Größe und Richtung einer Kraft anzeigt, die ein Objekt fühlen würde, wenn es an diesem Punkt platziert würde. Zum Beispiel würde ein Gravitationsfeld in der Nähe der Erdoberfläche aus einem Vektor an jedem Punkt im Raum bestehen, der direkt auf den Erdmittelpunkt zeigt. Bei gleicher Höhe hätten alle diese Vektoren die gleiche Größe.

Würde eine Masse an einem bestimmten Punkt platziert, dann würde die Schwerkraft, die sie empfindet, von ihrer Masse und dem Wert des Feldes dort abhängen. Elektrische Felder und magnetische Felder funktionieren auf die gleiche Weise, außer dass sie Kräfte ausüben, die von der Ladung bzw. dem magnetischen Moment eines Objekts anstatt von seiner Masse abhängig sind.

Das elektrische Feld resultiert direkt aus der Existenz von Ladungen, ebenso wie das Gravitationsfeld direkt aus der Masse resultiert. Die Quelle des Magnetismus ist jedoch die bewegte Ladung (oder äquivalent sich ändernde elektrische Felder).

In den 1860er Jahren entwickelte der Physiker James Clerk Maxwell einen Satz von vier Gleichungen, die die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus vollständig beschrieben. Diese Gleichungen zeigten im Wesentlichen, wie elektrische Felder durch Ladungen erzeugt werden, wie keine fundamentalen magnetischen Monopole existieren, wie sich ändernde Magnetfelder ein elektrisches Feld erzeugen können und wie Strom oder sich ändernde elektrische Felder magnetische. erzeugen können Felder.

Kurz nach der Ableitung dieser Gleichungen wurde eine Lösung gefunden, die eine sich selbst ausbreitende elektromagnetische Welle beschreibt. Es wurde vorhergesagt, dass sich diese Welle mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, und es stellte sich tatsächlich heraus, dass es sich um Licht handelt!

Elektromagnetische Wellen können in vielen verschiedenen Wellenlängen und Frequenzen auftreten, solange das Produkt aus Wellenlänge und Frequenz einer bestimmten Welle gleich istc, die Lichtgeschwindigkeit. Zu den Formen elektromagnetischer Strahlung gehören (von längeren Wellenlängen/niedriger Energie bis zu kürzeren Wellenlängen/hoher Energie):

• Funkwellen (0,187 m - 600 m)
• Mikrowellen (1 mm - 187 mm)
• Infrarotwellen (750 nm - 1 mm)
• Sichtbares Licht (400 nm - 750 nm; diese Wellenlängen sind vom menschlichen Auge wahrnehmbar und werden oft in ein sichtbares Spektrum unterteilt)
• Ultraviolettes Licht (10 nm - 400 nm)
• Röntgenstrahlen (10^-12 m - 10 nm)
• Gammastrahlen (<10^-12 m)

Photonen sind die Bezeichnung für quantisierte Lichtteilchen oder elektromagnetische Strahlung. Albert Einstein führte den Begriff der Lichtquanten (Photonen) in einer Arbeit des frühen 20. Jahrhunderts ein.

Photonen sind masselos und gehorchen nicht den Zahlenerhaltungsgesetzen (dh sie können erzeugt und zerstört werden). Sie gehorchen jedoch dem Energieerhaltungssatz.

Tatsächlich werden Photonen als eine Klasse von Teilchen angesehen, die Kraftträger sind. Das Photon ist der Vermittler der elektromagnetischen Kraft und fungiert als Energiepaket, das von einem Ort zum anderen übertragen werden kann.

Sie denken wahrscheinlich, dass es ziemlich seltsam ist, plötzlich von elektromagnetischen Wellen als Teilchen zu sprechen, da Wellen und Teilchen wie zwei grundlegend verschiedene Konstrukte erscheinen. Tatsächlich ist es genau das, was die Physik der ganz Kleinen so seltsam macht. In den nächsten Abschnitten werden die Begriffe Quantisierung und Teilchen-Wellen-Dualität ausführlicher diskutiert.

Elektromagnetische Wellen entstehen durch Schwingungen in elektrischen und magnetischen Feldern. Wenn sich eine Ladung entlang eines Drahtes hin und her bewegt, erzeugt sie ein sich änderndes elektrisches Feld, das wiederum ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt, das sich dann selbst ausbreitet.

Atome und Moleküle, die bewegte Ladungen in Form von Elektronenwolken enthalten, können auf interessante Weise mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirken. In einem Atom dürfen die Elektronen nur in ganz bestimmten quantisierten Energiezuständen existieren.

Wenn ein Elektron in einen niedrigeren Energiezustand sein möchte, kann es dies tun, indem es ein diskretes Paket elektromagnetischer Strahlung aussendet, um die Energie abzutransportieren. Umgekehrt muss dasselbe Elektron, um in einen anderen Energiezustand zu springen, auch ein ganz bestimmtes diskretes Energiepaket absorbieren.

Die mit einer elektromagnetischen Welle verbundene Energie hängt von der Frequenz der Welle ab. Als solche können Atome nur sehr spezifische Frequenzen elektromagnetischer Strahlung absorbieren und emittieren, die mit ihren zugehörigen quantisierten Energieniveaus übereinstimmen. Diese Energiepakete heißenPhotonen​.

​Quantisierungbezieht sich auf etwas, das auf diskrete Werte beschränkt ist, gegenüber einem kontinuierlichen Spektrum. Wenn Atome ein einzelnes Photon absorbieren oder emittieren, tun sie dies nur bei sehr spezifischen quantisierten Energiewerten, die durch die Quantenmechanik beschrieben werden. Dieses „Einzelphoton“ kann man sich wirklich als ein diskretes Wellen-„Paket“ vorstellen.

Eine Energiemenge kann nur in Vielfachen einer Elementareinheit abgegeben werden (Plancksche Konstanteha). Die Gleichung, die die Energie in Beziehung setztEeines Photons zu seiner Frequenz ist:

Woν(der griechische Buchstabe nu) ist die Frequenz des Photons und die Planck-Konstanteha​ = 6.62607015 × 10^-34 Js.

Sie werden hören, wie die Leute die Worte verwendenPhotonundelektromagnetische Strahlungaustauschbar, auch wenn es so aussieht, als wären es verschiedene Dinge. Wenn man von Photonen spricht, spricht man normalerweise von den Teilcheneigenschaften dieses Phänomens, wohingegen wenn sie über elektromagnetische Wellen oder Strahlung sprechen, sprechen sie mit dem wellenartigen Eigenschaften.

Photonen oder elektromagnetische Strahlung weisen einen sogenannten Teilchen-Wellen-Dualität auf. In bestimmten Situationen und in bestimmten Experimenten zeigen Photonen ein teilchenähnliches Verhalten. Ein Beispiel hierfür ist der photoelektrische Effekt, bei dem ein auf eine Oberfläche auftreffender Lichtstrahl Elektronen freisetzt. Die Besonderheiten dieses Effekts können nur verstanden werden, wenn Licht als diskrete Pakete behandelt wird, die die Elektronen absorbieren müssen, um emittiert zu werden.

In anderen Situationen und Experimenten wirken sie eher wie Wellen. Ein Paradebeispiel dafür sind die Interferenzmuster, die in Ein- oder Mehrfachspaltexperimenten beobachtet werden. In diesen Experimenten wandert Licht durch enge, eng beieinander liegende Schlitze, die wie mehrere phasengleiche wirken Lichtquellen und als Ergebnis erzeugt es ein Interferenzmuster, das mit dem übereinstimmt, was Sie in a. sehen würden Welle.

Noch seltsamer ist, dass Photonen nicht die einzigen sind, die diese Dualität aufweisen. Tatsächlich scheinen sich alle fundamentalen Teilchen, sogar Elektronen und Protonen, auf diese Weise zu verhalten. Je größer das Teilchen ist, desto kürzer ist seine Wellenlänge und desto weniger tritt diese Dualität auf. Deshalb merkt man so etwas im Alltag nicht.