Elektromagnetilise kiirguse (valguse) osakeste ja lainete duaalsuse mõistmine on oluline kvantteooria ja muude nähtuste ning valguse olemuse mõistmiseks. Eelmise sajandi üks suurimaid teaduslikke arenguid oli avastus, et väga väikesed esemed ei allunud samadele reeglitele nagu igapäevased esemed.
Mis on elektromagnetlained?
Lihtsamalt öeldes on elektromagnetlained lihtsalt tuntud kui valgus, ehkki nähtava valguse täpsustamiseks kasutatakse mõnikord mõistet valgus (seda, mida silma abil saab tuvastada) ja muid aegu kasutatakse üldisemalt kõigi elektromagnetiliste vormide tähistamiseks kiirgus.
Elektromagnetlainete täielikuks mõistmiseks on oluline mõista välja mõistet ning elektri ja magnetismi suhet. Seda selgitatakse üksikasjalikumalt järgmises osas, kuid sisuliselt elektromagnetlained (valguslained) koosnevad elektrivälja lainest, mis võngub magnetvälja suhtes risti (täisnurga all) tasapinnas Laine.
Kui elektromagnetkiirgus toimib lainena, siis on igal konkreetsel elektromagnetlainel sellega seotud sagedus ja lainepikkus. Sagedus on võnkumiste arv sekundis, mõõdetuna hertsides (Hz), kus 1 Hz = 1 / s. Lainepikkus on laineharjade vaheline kaugus. Sageduse ja lainepikkuse korrutis annab laine kiiruse, mis vaakumis oleva valguse korral on ligikaudu 3 × 10
Erinevalt enamikust lainetest (näiteks helilainetest) ei vaja elektromagnetlained keskkonda, mille kaudu liikuda levivad ja võivad seega läbida tühja ruumi vaakumi, mida nad teevad valguse kiirusel - kiireim kiirus universum!
Valdkonnad ja elektromagnetism
Välja võib mõelda kui nähtamatut vektorite massiivi, millest üks igas ruumipunktis näitab jõu suhtelist suurust ja suunda, mida objekt tunneks sellesse punkti paigutatuna. Näiteks maapinna lähedal asuv gravitatsiooniväli koosneks vektorist, mis asub igas ruumi punktis, mis on suunatud otse maa keskosa poole. Samal kõrgusel oleksid kõik need vektorid sama suurusega.
Kui mass paigutataks antud punkti, siis tema arvates tunduv gravitatsioonijõud sõltuks selle massist ja sealse välja väärtusest. Elektriväljad ja magnetväljad töötavad samamoodi, välja arvatud, et need rakendavad jõu, mis sõltuvad objekti massist vastavalt laengust ja magnetmomendist.
Elektriväli tuleneb otseselt laengute olemasolust, nii nagu gravitatsiooniväli tuleneb otseselt massist. Magnetismi allikas on aga liikuvast laengust (või samaväärselt elektriväljade muutumisest).
1860. aastatel töötas füüsik James Clerk Maxwell välja neljast võrrandist koosneva komplekti, mis kirjeldasid täielikult elektri ja magnetismi suhet. Need võrrandid näitasid põhimõtteliselt, kuidas elektriväljad tekivad laengute abil, kuidas ei eksisteeri fundamentaalseid magnetilisi monopole magnetväljade muutumine võib tekitada elektrivälja ja kuidas vool või muutuvad elektriväljad võivad tekitada magnetvälju väljad.
Varsti pärast nende võrrandite tuletamist leiti lahendus, mis kirjeldab iseenesest levivat elektromagnetlainet. Ennustati, et see laine liigub valguskiirusel ja osutus tõepoolest kergeks!
Elektromagnetiline spekter
Elektromagnetlained võivad olla paljude erinevate lainepikkuste ja sagedustega, kui antud laine lainepikkuse ja sageduse korrutis on võrdnec, valguse kiirus. Elektromagnetkiirguse vormid hõlmavad (alates pikematest lainepikkustest / madalast energiast kuni lühemate lainepikkusteni / suure energiaga):
- Raadiolained (0,187 m - 600 m)
- Mikrolaineahjud (1 mm - 187 mm)
- Infrapuna lained (750 nm - 1 mm)
- Nähtav valgus (400 nm - 750 nm; need lainepikkused on inimsilmaga tuvastatavad ja jagatud sageli nähtavaks spektriks)
- Ultraviolettvalgus (10 nm - 400 nm)
- Röntgenikiirgus (10-12 m - 10 nm)
- Gammakiired (<10-12 m)
Mis on footonid?
Footonid on kvantiseeritud valgusosakeste või elektromagnetkiirguse nimetus. Albert Einstein tutvustas valguskvantide (footonite) mõistet 20. sajandi alguses.
Footonid on massideta ja nad ei allu arvude säilitamise seadustele (see tähendab, et neid saab luua ja hävitada). Nad aga alluvad energia säästmisele.
Tegelikult peetakse footoneid osakeste klassi, mis on jõukandjad. Footon on elektromagnetilise jõu vahendaja ja toimib energiapaketina, mida saab ühest kohast teise üle kanda.
Tõenäoliselt mõtlete, et on üsna kummaline rääkida äkki elektromagnetlainetest osakestena, kuna lained ja osakesed näivad olevat kaks põhimõtteliselt erinevat konstruktsiooni. Tõepoolest, just selline asi muudab väga väikeste füüsika nii kummaliseks. Järgmistes osades käsitletakse kvantimise ja osakeste-lainete duaalsuse mõisteid üksikasjalikumalt.
Kuidas tekivad elektromagnetlained või footonid?
Elektromagnetlained tekivad elektri- ja magnetvälja võnkumistest. Kui laeng liigub mööda traati edasi-tagasi, tekitab see muutuva elektrivälja, mis omakorda tekitab muutuva magnetvälja, mis seejärel ise levib.
Aatomid ja molekulid, mis sisaldavad liikuvat laengut elektronpilvede kujul, suudavad elektromagnetkiirgusega huvitaval viisil suhelda. Aatomis on elektronidel lubatud eksisteerida ainult väga spetsiifilistes kvantiseeritud energiaseisundites.
Kui elektron soovib olla madalama energia olekus, saab ta seda teha, eraldades energia kandmiseks diskreetse elektromagnetkiirguse paketi. Ja vastupidi, selleks, et hüpata teise energiaolekusse, peab sama elektron neelama ka väga spetsiifilise diskreetse energiapaketi.
Elektromagnetlainega seotud energia sõltub laine sagedusest. Sellisena suudavad aatomid neelata ja kiirata ainult väga spetsiifilisi elektromagnetkiirguse sagedusi, mis vastavad nende kvantiseeritud energiatasemele. Neid energiapakette nimetataksefootonid.
Mis on kvantimine?
Kvantiseerimineviitab sellele, et midagi piirdub diskreetsete väärtustega versus pidev spekter. Kui aatomid neelavad või eraldavad ühe footoni, teevad nad seda ainult väga spetsiifiliste kvantmehaanika kirjeldatud kvantiseeritud energia väärtuste korral. Seda “ühte footonit” võib tõesti pidada diskreetse laine “paketiks”.
Energiakogust saab eraldada ainult elementaarühiku kordades (Plancki konstanth). Energiat seostav võrrandEfootoni sagedus on:
E = h \ nu
Kusν(kreeka täht nu) on footoni sagedus ja Plancki konstanth = 6.62607015 × 10-34 Js.
Laine-osakeste duaalsus
Kuulete, kuidas inimesed sõnu kasutavadfootonjaelektromagnetiline kiirgusvaheldumisi, kuigi tundub, et need on erinevad asjad. Fotonitest rääkides räägivad inimesed tavaliselt selle nähtuse osakeste omadustest, samas kui nad räägivad elektromagnetlainetest või kiirgusest, siis nad räägivad lainelainega omadused.
Fotonid või elektromagnetkiirgus avaldavad nn osakeste-lainete duaalsust. Teatud olukordades ja teatud katsetes avaldavad footonid osakeste sarnast käitumist. Selle üks näide on fotoelektriline efekt, kus pinda tabav valgusvihk põhjustab elektronide vabanemist. Selle efekti eripära saab mõista ainult siis, kui valgust käsitletakse diskreetsete pakettidena, mille elektronid peavad kiirgamiseks neelama.
Teistes olukordades ja katsetes toimivad nad pigem lainetena. Selle parim näide on ühe- või mitme piluga katsetes täheldatud häiremustrid. Nendes katsetes liigub valgus läbi kitsaste tihedalt asetsevate pilude, mis toimivad nagu mitu faasi valgusallikatest ja selle tulemusel tekitab see häiremustri, mis on vastavuses sellega, mida näete a Laine.
Veel kummalisem, footonid pole ainsad, mis seda duaalsust ilmutavad. Tõepoolest, näivad, et kõik põhiosakesed, isegi elektronid ja prootonid, käituvad nii. Mida suurem on osake, seda lühem on selle lainepikkus ja seda vähem ilmneb seda duaalsust. Seetõttu ei märka sa igapäevaelus midagi sellist.