Η κατανόηση του δυαδικού κύματος σωματιδίων της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (φως) είναι θεμελιώδης για την κατανόηση της κβαντικής θεωρίας και άλλων φαινομένων καθώς και της φύσης του φωτός. Μία από τις μεγαλύτερες επιστημονικές εξελίξεις του προηγούμενου αιώνα ήταν η ανακάλυψη ότι πολύ μικρά αντικείμενα δεν υπακούουν στους ίδιους κανόνες με τα καθημερινά αντικείμενα.
Τι είναι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα;
Με απλά λόγια, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι απλά γνωστά ως φως, αν και ο όρος φως χρησιμοποιείται μερικές φορές για να καθορίσει το ορατό φως (αυτό που μπορεί να ανιχνευθεί από το μάτι) και άλλες φορές χρησιμοποιείται γενικότερα για να αναφέρεται σε όλες τις μορφές ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολία.
Για να κατανοήσουμε πλήρως τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε την έννοια ενός πεδίου και τη σχέση μεταξύ ηλεκτρικής ενέργειας και μαγνητισμού. Αυτό θα εξηγηθεί με περισσότερες λεπτομέρειες στην επόμενη ενότητα, αλλά στην ουσία, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (κύματα φωτός) αποτελούνται από ένα κύμα ηλεκτρικού πεδίου που ταλαντεύεται σε επίπεδο κάθετο (σε ορθή γωνία) προς ένα μαγνητικό πεδίο κύμα.
Εάν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ενεργεί ως κύμα, τότε οποιοδήποτε συγκεκριμένο ηλεκτρομαγνητικό κύμα θα έχει σχετική συχνότητα και μήκος κύματος. Η συχνότητα είναι ο αριθμός ταλαντώσεων ανά δευτερόλεπτο, μετρούμενος σε hertz (Hz) όπου 1 Hz = 1 / s. Το μήκος κύματος είναι η απόσταση μεταξύ των κορυφών των κυμάτων. Το προϊόν της συχνότητας και του μήκους κύματος δίνει την ταχύτητα κύματος, η οποία για φως σε κενό είναι περίπου 3 × 108 Κυρία.
Σε αντίθεση με τα περισσότερα κύματα (όπως τα ηχητικά κύματα, για παράδειγμα), τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα δεν απαιτούν ένα μέσο μέσω του οποίου διαδίδουν, και ως εκ τούτου μπορούν να διαπεράσουν το κενό του κενού χώρου, το οποίο κάνουν με την ταχύτητα του φωτός - την ταχύτερη ταχύτητα στο σύμπαν!
Πεδία και ηλεκτρομαγνητισμός
Ένα πεδίο μπορεί να θεωρηθεί ως μια αόρατη σειρά διανυσμάτων, ένα σε κάθε σημείο του διαστήματος που δείχνει το σχετικό μέγεθος και την κατεύθυνση μιας δύναμης που ένα αντικείμενο θα αισθανόταν εάν τοποθετηθεί σε αυτό το σημείο. Για παράδειγμα, ένα βαρυτικό πεδίο κοντά στην επιφάνεια της γης θα αποτελείται από έναν φορέα σε κάθε σημείο του διαστήματος που δείχνει κατευθείαν προς το κέντρο της γης. Στο ίδιο υψόμετρο, όλοι αυτοί οι φορείς θα έχουν το ίδιο μέγεθος.
Εάν μια μάζα επρόκειτο να τοποθετηθεί σε ένα δεδομένο σημείο, τότε η βαρυτική δύναμη που αισθάνεται εξαρτάται από τη μάζα της και την αξία του πεδίου εκεί. Τα ηλεκτρικά πεδία και τα μαγνητικά πεδία λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο, εκτός εάν εφαρμόζουν δυνάμεις που εξαρτώνται από τη φόρτιση ενός αντικειμένου και τη μαγνητική ροπή αντίστοιχα αντί της μάζας του.
Το ηλεκτρικό πεδίο προκύπτει άμεσα από την ύπαρξη φορτίων, όπως και το βαρυτικό πεδίο απευθείας από τη μάζα. Η πηγή του μαγνητισμού, ωστόσο, είναι από το κινούμενο φορτίο (ή ισοδύναμα, την αλλαγή ηλεκτρικών πεδίων).
Στη δεκαετία του 1860, ο φυσικός James Clerk Maxwell ανέπτυξε ένα σύνολο τεσσάρων εξισώσεων που περιγράφουν πλήρως τη σχέση μεταξύ ηλεκτρικής ενέργειας και μαγνητισμού. Αυτές οι εξισώσεις έδειξαν βασικά πώς τα ηλεκτρικά πεδία παράγονται από φορτία, πώς δεν υπάρχουν θεμελιώδη μαγνητικά μονοπόλια, πώς Η αλλαγή μαγνητικών πεδίων μπορεί να δημιουργήσει ηλεκτρικό πεδίο και πώς το ρεύμα ή η αλλαγή ηλεκτρικών πεδίων μπορεί να δημιουργήσει μαγνητικό πεδίο πεδία.
Λίγο μετά την παραγωγή αυτών των εξισώσεων, βρέθηκε μια λύση που περιγράφει ένα αυτο-πολλαπλασιαζόμενο ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Αυτό το κύμα προβλεπόταν να κινείται με την ταχύτητα του φωτός, και μάλιστα αποδείχθηκε ότι ήταν ελαφρύ!
Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα
Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν να έρθουν σε πολλά διαφορετικά μήκη κύματος και συχνότητες, αρκεί το προϊόν του μήκους κύματος και η συχνότητα ενός δεδομένου κύματος να ισούται μεντο, η ταχύτητα του φωτός. Οι μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας περιλαμβάνουν (από μεγαλύτερα μήκη κύματος / χαμηλή ενέργεια έως μικρότερα μήκη κύματος / υψηλή ενέργεια):
- Ραδιοκύματα (0,187 m - 600 m)
- Μικροκύματα (1 mm - 187 mm)
- Υπέρυθρα κύματα (750 nm - 1 mm)
- Ορατό φως (400 nm - 750 nm; αυτά τα μήκη κύματος ανιχνεύονται από το ανθρώπινο μάτι και συχνά υποδιαιρούνται σε ορατό φάσμα)
- Υπεριώδες φως (10 nm - 400 nm)
- Ακτίνες Χ (10)-12 m - 10 nm)
- Ακτίνες γάμμα (<10-12 Μ)
Τι είναι τα φωτόνια;
Τα φωτόνια είναι το όνομα για κβαντικά σωματίδια φωτός ή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν εισήγαγε την έννοια του φωτός κβάντα (φωτόνια) σε μια εργασία του 20ου αιώνα.
Τα φωτόνια είναι μαζικά και δεν συμμορφώνονται με τους νόμους διατήρησης αριθμών (που σημαίνει ότι μπορούν να δημιουργηθούν και να καταστραφούν). Ωστόσο, υπακούουν στην εξοικονόμηση ενέργειας.
Στην πραγματικότητα, τα φωτόνια θεωρούνται ότι ανήκουν σε μια κατηγορία σωματιδίων που είναι φορείς δύναμης. Το φωτόνιο είναι ο μεσολαβητής της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης και δρα ως πακέτο ενέργειας που μπορεί να μεταφερθεί από το ένα μέρος στο άλλο.
Σκέφτεστε πιθανώς ότι είναι μάλλον περίεργο να μιλάτε ξαφνικά για ηλεκτρομαγνητικά κύματα ως σωματίδια, καθώς τα κύματα και τα σωματίδια μοιάζουν με δύο βασικά διαφορετικά κατασκευάσματα. Πράγματι, είναι ακριβώς κάτι τέτοιο που κάνει τη φυσική του πολύ μικρού τόσο παράξενη. Στα επόμενα τμήματα συζητούνται λεπτομερέστερα οι έννοιες της κβαντοποίησης και του διττού κύματος σωματιδίων.
Πώς παράγονται ηλεκτρομαγνητικά κύματα ή φωτόνια;
Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα προκύπτουν από ταλαντώσεις σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Εάν ένα φορτίο κινείται εμπρός-πίσω κατά μήκος ενός σύρματος, δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο με τη σειρά του δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο στη συνέχεια αυτο-διαδίδεται.
Τα άτομα και τα μόρια, τα οποία περιέχουν κινούμενο φορτίο με τη μορφή νεφών ηλεκτρονίων, μπορούν να αλληλεπιδράσουν με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με ενδιαφέροντες τρόπους. Σε ένα άτομο, τα ηλεκτρόνια επιτρέπεται να υπάρχουν μόνο σε πολύ συγκεκριμένες κβαντικές ενεργειακές καταστάσεις.
Εάν ένα ηλεκτρόνιο θέλει να βρίσκεται σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας, μπορεί να το κάνει εκπέμποντας ένα διακριτό πακέτο ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας για να μεταφέρει την ενέργεια. Αντίθετα, για να πηδήξει σε άλλη ενεργειακή κατάσταση, το ίδιο ηλεκτρόνιο πρέπει να απορροφήσει επίσης ένα πολύ συγκεκριμένο διακριτικό πακέτο ενέργειας.
Η ενέργεια που σχετίζεται με ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα εξαρτάται από τη συχνότητα του κύματος. Ως τέτοια, τα άτομα μπορούν να απορροφήσουν και να εκπέμπουν μόνο πολύ συγκεκριμένες συχνότητες ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σύμφωνα με τα αντίστοιχα ποσοτικά επίπεδα ενέργειας. Αυτά τα πακέτα ενέργειας ονομάζονταιφωτόνια.
Τι είναι η ποσοτικοποίηση;
Κβαντισμόςαναφέρεται σε κάτι που περιορίζεται σε διακριτές τιμές σε ένα συνεχές φάσμα. Όταν τα άτομα απορροφούν ή εκπέμπουν ένα μόνο φωτόνιο, το κάνουν μόνο σε πολύ συγκεκριμένες τιμές κβαντικής ενέργειας που περιγράφονται από την κβαντική μηχανική. Αυτό το "μονό φωτον" μπορεί πραγματικά να θεωρηθεί ως "πακέτο" διακριτού κύματος.
Μια ποσότητα ενέργειας μπορεί να εκπέμπεται μόνο σε πολλαπλάσια μιας στοιχειώδους μονάδας (η σταθερά του Planckη). Η εξίσωση που σχετίζεται με την ενέργειαμιενός φωτονίου στη συχνότητά του είναι:
E = h \ nu
Οπουν(το ελληνικό γράμμα nu) είναι η συχνότητα του φωτονίου και η σταθερά του Planckη = 6.62607015 × 10-34 Js.
Δυαδικότητα κυμάτων-σωματιδίων
Θα ακούσετε ότι οι άνθρωποι χρησιμοποιούν τις λέξειςφωτόνιοκαιηλεκτρομαγνητική ακτινοβολίαεναλλακτικά, παρόλο που φαίνεται ότι είναι διαφορετικά πράγματα. Όταν μιλούν για φωτόνια, οι άνθρωποι συνήθως μιλούν για τις ιδιότητες σωματιδίων αυτού του φαινομένου, ενώ όταν μιλάνε για ηλεκτρομαγνητικά κύματα ή ακτινοβολία, μιλούν στο κύμα ιδιότητες.
Τα φωτόνια ή η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εμφανίζουν αυτό που ονομάζεται δυαδικό κύμα σωματιδίων. Σε ορισμένες καταστάσεις και σε συγκεκριμένα πειράματα, τα φωτόνια εμφανίζουν σωματιδιακή συμπεριφορά. Ένα παράδειγμα αυτού είναι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, όπου μια δέσμη φωτός που χτυπά μια επιφάνεια προκαλεί την απελευθέρωση ηλεκτρονίων. Οι ιδιαιτερότητες αυτού του φαινομένου μπορούν να γίνουν κατανοητές μόνο εάν το φως αντιμετωπίζεται ως διακριτά πακέτα που τα ηλεκτρόνια πρέπει να απορροφήσουν για να εκπέμψουν.
Σε άλλες καταστάσεις και πειράματα, δρουν περισσότερο σαν κύματα. Ένα πρωταρχικό παράδειγμα αυτού είναι τα μοτίβα παρεμβολών που παρατηρούνται σε πειράματα μονής ή πολλαπλής σχισμής. Σε αυτά τα πειράματα, το φως ταξιδεύει σε στενές, στενές αποστάσεις, οι οποίες δρουν σαν πολλαπλές φάσεις πηγές φωτός, και ως αποτέλεσμα, παράγει ένα μοτίβο παρεμβολών σύμφωνο με αυτό που θα δείτε στο a κύμα.
Ακόμα και ξένα, τα φωτόνια δεν είναι το μόνο πράγμα που εμφανίζει αυτήν τη δυαδικότητα. Πράγματι, όλα τα θεμελιώδη σωματίδια, ακόμη και τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, φαίνεται να συμπεριφέρονται με αυτόν τον τρόπο. Όσο μεγαλύτερο είναι το σωματίδιο, τόσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος και τόσο μικρότερη θα εμφανιστεί αυτή η δυαδικότητα. Γι 'αυτό δεν παρατηρείτε κάτι τέτοιο στην καθημερινή ζωή.
