Φωτονία (ποσοτικοποίηση): Ορισμός, ιδιότητες και δυαδικότητα κυμάτων-σωματιδίων

Το φως είναι αναμφισβήτητα ένα από τα πιο περίεργα θέματα που θα αντιμετωπίσει ένας φοιτητής φυσικής. Το γρηγορότερο πράγμα στο σύμπαν είναι κατά κάποιον τρόπο ένα σωματίδιο και ένα κύμα - και εμφανίζει τις μοναδικές ιδιότητες και των δύο ταυτόχρονα. Αλλά τίείναιφως?

Κατανοώντας τιφωτόνιαείναι και τικβαντισμόςΤο μέσο είναι θεμελιώδες για την κατανόηση της φύσης του φωτός, της κβαντικής φυσικής και των μυριάδων σχετικών φαινομένων.

Τα φωτόνια είναι το επίσημο όνομα για ελαφριά σωματίδια. Μπορούν να είναι ορατά στους ανθρώπους ή όχι, αφού εδώ ο όροςφωςχρησιμοποιείται με την έννοια της φυσικής, που σημαίνει ότι ένα φωτόνιο είναι ένα σωματίδιο ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε οποιαδήποτε συχνότητα στο φάσμα, από ραδιοκύματα έως ακτίνες γάμμα.

Τα φωτόνια είναι αποσοτικοποιήθηκεσωματίδιο. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν μόνο σε διακριτές ποσότητες ενέργειας, παρά σε οποιαδήποτε ποσότητα ενέργειας στο μεταξύ. Όταν εξετάζουμε την πιο προσανατολισμένη στη χημεία περιγραφή ενός φωτονίου ως την ενέργεια που απελευθερώνεται όταν πέφτει ένα ηλεκτρόνιο σε χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας στο άτομο, αυτό έχει νόημα: Τα ηλεκτρόνια μπορούν να βρίσκονται μόνο σε συγκεκριμένα τροχιακά, ή ενέργεια επίπεδα. Δεν υπάρχουν μισά βήματα. Επομένως, εάν ένα φωτόνιο είναι το αποτέλεσμα ενός «πτώσης ηλεκτρονίου», ένα φωτόνιο πρέπει επίσης να έχει μόνο συγκεκριμένες ενεργειακές ποσότητες ή κβάντα.

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν εισήγαγε την έννοια του φωτός κβάντα (φωτόνια) σε ένα έγγραφο του 1905. Ένα από τα τέσσερα άρθρα που δημοσίευσε εκείνο το έτος που έφερε επανάσταση στην επιστήμη, αυτή ήταν η ιδέα που του κέρδισε το βραβείο Νόμπελ.

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το φως αναφέρεται σε οποιονδήποτε τύπο ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, οι τύποι των οποίων διακρίνονται από τις διαφορετικές συχνότητες (ή μήκη κύματος). Αυτά τα δύο μέτρα είναι χαρακτηριστικά των κυμάτων, συνεπάγεται ότι το φως πρέπει να είναιηλεκτρομαγνητικό κύμα.​

Αλλά περιμένετε - στην προηγούμενη ενότητα του άρθρου το φως εισήχθη ωςσωματίδιο, το φωτόνιο, όχι ως κύμα. Αυτό είναι σωστό. Η παράξενη φύση του φωτός είναι να υπάρχει στο λεγόμενο δυαδικό κύμα-σωματιδίωνΕίναι ένα κύμα και ένα σωματίδιο.​

Επομένως, τόσο το "ηλεκτρομαγνητικό κύμα" όσο και το "φωτονίο" είναι αποδεκτοί περιγραφείς του φωτός. Συνήθως η πρώτη φράση χρησιμοποιείται για να περιγράψει το φως όταν είναιενεργεί ως κύμακαι ο τελευταίος όρος όταν είναιενεργεί ως σωματίδιο​.

Αυτό γίνεται σημαντικό ανάλογα με τα φαινόμενα που ένας φυσικός εξετάζει. Σε ορισμένες καταστάσεις και σε ορισμένα πειράματα, τα φωτόνια ενεργούν όπως οι φυσικοί αναμένουν σωματίδια να δράσουν, για παράδειγμα, όταν παρατηρούν το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα. Σε άλλες καταστάσεις και πειράματα, το φως ενεργεί περισσότερο σαν κύματα, όπως κατά τη διαμόρφωση ενός ραδιοφωνικού σταθμού.

Οτιδήποτε περιορίζεται σε διακριτές τιμές αντί να υπάρχει σε ένα συνεχές φάσμα υποβάλλεται σε κβαντοποίηση.

Ο ποσοτικός προσδιορισμός σε ένα άτομο εξηγεί ότι η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να εκπέμπεται με τη μορφή ενός φωτονίου θα συμβεί μόνο σε πολλαπλάσια της σταθεράς της στοιχειώδους μονάδας Planck,η= 6,6262 x 10 ^-34 δευτερόλεπτα

Αυτή η μονάδα, που ανακαλύφθηκε από τον Max Planck στα τέλη του 1800, είναι μια από τις πιο περίεργες και σημαντικές μονάδες στη φυσική. Περιγράφει τη σχέση μεταξύ της συχνότητας ενός κύματος-σωματιδίου και του επιπέδου της ενέργειας, και έτσι θέτει ένα χαμηλότερο κατώτερο όριο στη βεβαιότητα με την οποία μπορούμε να κατανοήσουμε τη δομή της ύλης.

Μία από τις μεγαλύτερες συνέπειες της γνώσης αυτού του ορίου, η οποία βοήθησε επίσης στην έναρξη του περίεργου αλλά πραγματικού πεδίου σπουδών που είναι γνωστό ως η κβαντική φυσική, είναι ότι στα μικρότερα υποατομικά επίπεδα η θέση των σωματιδίων μπορεί να περιγραφεί μόνο ως α πιθανότητα. Με άλλα λόγια, μόνο η θέση ενός υποατομικού σωματιδίουήΗ ταχύτητα μπορεί να είναι γνωστή με βεβαιότητα ανά πάσα στιγμή, αλλάόχι και τα δύο​.

Ορισμός του κβάνταηοδηγεί σε εξίσωση για την ενέργεια ενός φωτονίου:

όπου η ενέργειαμιείναι σε joules (J), η σταθερά του Planckηείναι σε δευτερόλεπτα (Js) και συχνότηταφάείναι σε hertz (Hz).

Οι περισσότεροι άνθρωποι πιστεύουν πιθανώς ότι τα σωματίδια είναι μικροσκοπικές μονάδες ύλης, οι οποίες έχουν μέγεθος σύμφωνα με τις μάζες τους. Αυτό καθιστά τη μορφή σωματιδίων του φωτός ένα ιδιαίτερα παράξενο θηρίο, καθώς, ως μονάδα καθαρής ενέργειας, ένα φωτονίο έχει μηδενική μάζα.

Μια άλλη σημαντική ιδιότητα των φωτονίων είναι ότι ταξιδεύουν πάντα με την ταχύτητα του φωτός, ~ 300.000.000 m / s στο κενό του κενού χώρου. Το φως μπορεί να ταξιδέψει πιο αργά από αυτό - κάθε φορά που συναντά άλλη ύλη που αλληλεπιδρά με αυτό και επιβραδύνεται, έτσι ώστε όσο πιο πυκνό είναι το υλικό μέσω του οποίου ταξιδεύει το φως, τόσο πιο αργό πηγαίνει. Ωστόσο,τίποτα στο σύμπαν δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από το φως. Όχι ο γρηγορότερος πύραυλος ούτε το πιο επιταχυνόμενο ατομικό σωματίδιο.

• Η ταχύτητα του φωτός, ~ 300.000.000 m / s, είναι η ταχύτερη που μπορεί να ταξιδέψει οτιδήποτε. Αυτός είναι ο λόγος που αναφέρεται επίσης ως το όριο ταχύτητας του σύμπαντος.

Με αυτόν τον τρόπο, η κατανόηση του φωτός είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση των θεμελιωδών ορίων του ίδιου του σύμπαντος, από το πολύ μεγαλύτερο στο πολύ μικρότερο.

Αν και το φως ταξιδεύει πάντα το ίδιοΤαχύτητασε ένα δεδομένο μέσο, ​​ως μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, μπορεί να έχει διαφορετικάσυχνότητεςήμήκη κύματος. Οι συχνότητες και τα μήκη κύματος του φωτός καθώς τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα αλλάζουν αντίστροφα μεταξύ τους κατά μήκος ενός φάσματος.

Στο μεγαλύτερο μήκος κύματος και στο τέλος της χαμηλότερης συχνότητας είναι ραδιοκύματα, μετά τα οποία έρχονται ορατά μικροκύματα, υπέρυθρες φως, υπεριώδες, ακτίνες Χ και ακτίνες γάμμα υψηλής ενέργειας, καθεμία με προοδευτικά μικρότερα μήκη κύματος και υψηλότερα συχνότητες.

Οι φυσικοί τη δεκαετία του 1930 άρχισαν να μαθαίνουν ότι όλη η ύλη στο σύμπαν αποτελείται από λίγα θεμελιώδη σωματίδια, γνωστά ως στοιχειώδη σωματίδια, τα οποία διέπονται από το ίδιο σύνολο θεμελιώδεις δυνάμεις. οΠρότυπο μοντέλοτης σωματιδιακής φυσικής είναι ένα σύνολο εξισώσεων που προσπαθούν να περιγράψουν συνοπτικά πώς σχετίζονται όλα αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια και οι θεμελιώδεις δυνάμεις. Το φως είναι ένα κρίσιμο κομμάτι αυτής της καθολικής περιγραφής.

Στην ανάπτυξη από τη δεκαετία του 1970, το πρότυπο μοντέλο έχει προβλέψει μέχρι τώρα σωστά τα αποτελέσματα πολλών, αν και όχι όλων, κβαντικών φυσικών πειραμάτων. Ένα εκθαμβωτικό πρόβλημα που δεν έχει ακόμη επιλυθεί στο μοντέλο είναι ο τρόπος ενσωμάτωσης της βαρύτητας στο σύνολο των εξισώσεων. Επιπλέον, δεν παρέχει απαντήσεις σχετικά με ορισμένα μεγάλα κοσμολογικά ερωτήματα, συμπεριλαμβανομένης της διαπίστωσης της σκοτεινής ύλης ή του πού εξαφανίστηκαν όλα τα αντιύλη που δημιουργήθηκαν στο Big Bang. Ωστόσο, είναι ευρέως αποδεκτή και θεωρείται η καλύτερη θεωρία για την εξήγηση της θεμελιώδους φύσης της ύπαρξής μας μέχρι σήμερα.

Στο πρότυπο μοντέλο, όλη η ύλη αποτελείται από μια κατηγορία στοιχειωδών σωματιδίων που ονομάζονταιφερμιόνια. Τα φερμιόνια διατίθενται σε δύο τύπους:κουάρκήλεπτόνια. Κάθε μία από αυτές τις κατηγορίες χωρίζεται περαιτέρω σε έξι σωματίδια, που σχετίζονται με ζεύγη γνωστά ωςγενιές. Η πρώτη γενιά είναι η πιο σταθερή, με βαρύτερα και λιγότερο σταθερά σωματίδια που βρίσκονται στη δεύτερη και τρίτη γενιά.

Τα άλλα συστατικά του τυπικού μοντέλου είναι δυνάμεις και σωματίδια φορέα, γνωστά ωςμποζόνια. Κάθε μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις - βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητική, ισχυρή και αδύναμη - συνδέεται με ένα μποζόνιο που μεταφέρει τη δύναμη σε ανταλλαγή με σωματίδια ύλης.

Οι φυσικοί σωματιδίων που εργάζονται σε επιταχυντές ή παρακολουθούν συγκρούσεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας από το διάστημα έχουν εντοπίσει μποζόνια για τις τρεις τελευταίες δυνάμεις.Το φωτόνιο είναι το μποζόνιο που μεταφέρει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη στο σύμπαν, ογλουόνπροκαλεί την ισχυρή δύναμη και τοΔκαιΖτα σωματίδια φέρουν την ασθενή δύναμη. Αλλά το θεωρητικό μποζόνιο για τη βαρύτητα, τοgraviton, παραμένει αόριστο.

​Ακτινοβολία Blackbody.Τα blackbodies είναι ένας υποθετικός τύπος αντικειμένου (τέλεια δεν υπάρχουν στη φύση) που απορροφούν όλη την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που τους χτυπά. Στην ουσία, κάθε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που χτυπά ένα μαύρο σώμα χρησιμεύει για τη θέρμανσή της και η ακτινοβολία που εκπέμπει κατά την ψύξη σχετίζεται επομένως άμεσα με τη θερμοκρασία του. Οι φυσικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτήν την προσέγγιση για να συμπεράνουν τις ιδιότητες σχεδόν τέλειων μαύρων στο σύμπαν, όπως τα αστέρια και οι μαύρες τρύπες.

Ενώ η κυματική φύση του φωτός βοηθά στην περιγραφή των συχνοτήτων της ακτινοβολίας μαύρου σώματος που ένα αντικείμενο θα απορροφήσει και θα εκπέμψει, είναι Η φύση των σωματιδίων ως φωτόνιο βοηθά επίσης να την περιγράψει μαθηματικά, καθώς οι ενέργειες που μπορεί να περιέχει το μαύρο σώμα είναι κβαντοποιημένες. Ο Max Planck ήταν από τους πρώτους που διερεύνησαν αυτά τα φαινόμενα.

​Το πείραμα με δύο σχισμές.Ένα κεντρικό δόγμα της κβαντικής φυσικής, το πείραμα διπλής σχισμής δείχνει πόσο λάμπει ένα φως σε ένα φράγμα με δύο στενά ανοίγματα οδηγεί σε ένα διακριτικό μοτίβο φωτός και σκοτεινών σκιών γνωστών ωςμοτίβο παρεμβολών κυμάτων​.

Το παράξενο μέρος αυτού είναι ότι ένα μόνο φωτόνιο που εμφανίζεται μέσω του ανοίγματος θα εξακολουθεί να συμπεριφέρεται σαν να παρεμβαίνει σε άλλα φωτόνια, παρά το γεγονός ότι είναι μόνος και αδιαίρετος. Αυτό σημαίνει ότι το μοτίβο φωτός που παρατηρείται στο πείραμα δεν μπορεί να εξηγηθεί με την επεξεργασία του φωτός ως μόνο φωτονίου ή κύματος. πρέπει να θεωρηθεί και τα δύο. Αυτό το πείραμα αναφέρεται συχνά στην εξήγηση του τι σημαίνει η ιδέα του δυαδικού κύματος-σωματιδίων.

​Το εφέ Compton.Το φαινόμενο Compton είναι ένα άλλο παρατηρήσιμο παράδειγμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ της φύσης του κύματος του φωτός και των σωματιδίων. Περιγράφει πώς διατηρείται τόσο η ενέργεια όσο και η ορμή όταν ένα φωτόνιο συγκρούεται με ένα στατικό ηλεκτρόνιο. Ο συνδυασμός της εξίσωσης για την ποσότητα ενέργειας ενός φωτονίου με τις εξισώσεις διατήρησης της ορμής δείχνει ότι προκύπτει Το μήκος κύματος του εξερχόμενου φωτονίου (το αρχικά ακίνητο ηλεκτρόνιο) μπορεί να προβλεφθεί από το μήκος κύματος του εισερχόμενου φωτονίου που έδωσε είναι ενέργεια.

​Φασματοσκοπία.Η τεχνική της φασματοσκοπίας επιτρέπει σε φυσικούς, χημικούς, αστρονόμους και άλλους επιστήμονες να διερευνήσουν το υλικό μακιγιάζ ενός αντικείμενο, συμπεριλαμβανομένων των μακρινών αστεριών, απλά αναλύοντας τα μοτίβα που προκύπτουν από τη διάσπαση του εισερχόμενου φωτός από αυτό το αντικείμενο με ένα πρίσμα. Επειδή διαφορετικά στοιχεία απορροφούν και εκπέμπουν φωτόνια σε διακριτά κβάντα, τα παρατηρηθέντα μήκη κύματος ηλεκτρομαγνητικά εμπίπτουν σε διακριτά τμήματα ανάλογα με τα στοιχεία που περιέχουν τα αντικείμενα.

​Ισοδυναμία μάζας-ενέργειας.Πολλά παιδιά μπορούν να απαγγέλλουν τη διάσημη εξίσωση του ΑϊνστάινΕ = mc². Σύντομη και γλυκιά, οι πραγματικές επιπτώσεις αυτής της εξίσωσης είναι βαθιές:ΜάζαΜκαι ενέργειαμιείναι ισοδύναμακαι μπορούν να μετατραπούν το ένα στο άλλο χρησιμοποιώντας την ταχύτητα του φωτός σε κενό,ντο, εις το τετραγωνο. Αυτό σημαίνει σημαντικά ότι ένα αντικείμενο που δεν κινείται έχει ενέργεια. στην περίπτωση αυτή είναιυπόλοιπο μάζαλέγεται ότι ισούται με αυτόανάπαυση ενέργειας​.

Οι φυσικοί σωματιδίων χρησιμοποιούν ισοδυναμία μάζας-ενέργειας για να καθορίσουν απλούστερες μονάδες για ορισμένες από τις μετρήσεις τους. Για παράδειγμα, οι κβαντικοί φυσικοί αναζητούν τις μάζες φερμίων ή μποζονίων επιταχύνοντας τα υποατομικά σωματίδια όπως πρωτόνια και ηλεκτρόνια ταχύτητες κοντά στο φως σε γιγαντιαίους επιταχυντές και τους συνθλίβουν μαζί, και στη συνέχεια αναλύοντας τα αποτελέσματα των «συντριμμιών» σε πολύ ευαίσθητα ηλεκτρικά συστοιχίες.

Αντί να δίνει μια μάζα σε κιλά, ωστόσο, ο κοινός τρόπος αναφοράς των μαζών σωματιδίων είναι στα giga-electron-volt, ή στο GeV, μια μονάδα ενέργειας. Για να επιστρέψουν αυτήν την τιμή σε μια μάζα στη μονάδα SI των κιλών, μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτήν την απλή σχέση: 1 GeV /ντο​² = 1.78266192×10⁻²⁷ κ.