Footonid (kvantimine): määratlus, omadused ja laineosakeste duaalsus

Valgus on vaieldamatult üks kummalisemaid teemasid, millega füüsikaõpilane kokku puutub. Kiireim asi universumis on kuidagi nii osake kui ka laine - ja sellel on korraga mõlema ainulaadsed omadused. Aga misonvalgus?

Mõistmine millestfootonidon ja miskvantiminetähendab valguse olemuse, kvantfüüsika ja lugematute seotud nähtuste mõistmiseks fundamentaalset tähendust.

Footonid on valgusosakeste ametlik nimi. Need võivad olla inimestele nähtavad või mitte, kuna siin on see terminvalguskasutatakse füüsika mõistes, mis tähendab, et footon on elektromagnetilise kiirguse osake mis tahes spektri sagedusel, alates raadiolainetest kuni gammakiirteni.

Footonid on akvantiseeritudosake. See tähendab, et need eksisteerivad ainult eraldiseisvates energiakogustes, mitte mis tahes energiakogustes nende vahel. Kui kaaluda footoni keemilisele suunitlusele vastavat kirjeldust kui elektroni langemisel vabanevat energiat madalamale aatomi energiatasemele on see mõistlik: elektronid võivad olla ainult kindlates orbitaalides ehk energias tasemed. Pooletappe pole. Nii et kui footon on "langeva elektroni" tulemus, peab ka footon tulema ainult konkreetsetes energiakogustes ehk kvantides.

Albert Einstein tutvustas valguskvantide (footonite) mõistet 1905. aasta paberil. Üks neljast tema sel aastal avaldatud paberist, mis muutis teaduse murranguliseks, see idee pälvis talle Nobeli preemia.

Nagu varem mainitud, viitab valgus mis tahes tüüpi elektromagnetilisele kiirgusele, mille tüüpe eristatakse nende erinevate sageduste (või lainepikkuste) järgi. Need kaks mõõdet on lainete tunnused, mistõttu valgus peab olemaelektromagnetlaine.​

Aga oota - artikli eelmises osas tutvustati valgust kuiosake, footon, mitte lainena. See on õige. Valguse imelik olemus peab eksisteerima nn laineosakeste duaalsuses:See on nii laine kui ka osake.​

Seetõttu on nii "elektromagnetlaine" kui "footon" vastuvõetavad valguse kirjeldajad. Tavaliselt kasutatakse esimest fraasi valguse kirjeldamiseks, kui see ontoimides lainenaja viimane termin, kui see ontoimides osakesena​.

See muutub oluliseks sõltuvalt nähtustest, mida füüsik uurib. Teatud olukordades ja teatud katsetes käituvad footonid nii, nagu füüsikud ootavad osakeste toimimist näiteks fotoelektrilise efekti jälgimisel. Teistes olukordades ja katsetes toimib valgus pigem lainetena, näiteks raadiojaama moduleerimisel.

Kõik, mis piirdub diskreetsete väärtustega, selle asemel et eksisteerida pidevas spektris, on kvantiseeritav.

Kvantimine aatomis selgitab, et footoni kujul eralduv energiahulk toimub ainult Plancki põhiühiku konstanti korrutisena,h= 6,6262 x 10 ^-34 džaulsekundit

See üksus, mille Max Planck avastas 1800. aastate lõpus, on füüsika üks veidramaid ja olulisemaid üksusi. See kirjeldab laineosakese sageduse ja selle energiataseme suhet ning seab seega alumise alumise piiri kindlusele, millega saame mõista aine struktuuri.

Selle piiri tundmise üks suurimaid tagajärgi, mis aitas kaasa ka veider, kuid reaalne uurimisvaldkond kvantfüüsika on see, et väikseimatel aatomi alatasemetel on osakeste asukoht kirjeldatav ainult kui a tõenäosus. Teisisõnu, ainult aatomi osakese asendvõikiirust saab igal ajahetkel kindlalt teada, kuidmitte mõlemad​.

Kvantide määratleminehviia footoni energia võrrandini:

kus energiaEon džaulides (J), Plancki konstanthon džoule-sekundites (Js) ja sagedusesfon hertsides (Hz).

Enamik inimesi arvab osakestest tõenäoliselt pisikesi aineühikuid, mille suurus on vastavalt nende massile. See muudab valguse osakese eriti kummaliseks metsaliseks, kuna puhta energia ühikuna on footonil nullmass.

Veel üks oluline footonite omadus on see, et nad liiguvad tühja ruumi vaakumis alati valguskiirusel, ~ 300 000 000 m / s. Valgus võib liikuda aeglasemalt - alati, kui ta kohtab teisi aineid, suhtleb ta sellega ja aeglustub, nii et mida tihedam on materjal, mille kaudu valgus liigub, seda aeglasemalt see läheb. Kuid,miski universumis ei saa liikuda kiiremini kui valgus. Pole kiireim rakett ega kõige kiirenenud aatomiosake.

• Valguskiirus ~ 300 000 000 m / s on kõige suurem, millega kõik liikuda saab. Seetõttu nimetatakse seda ka universumi kiirusepiiranguks.

Sel moel on valguse mõistmine kriitilise tähtsusega universumi enda põhipiiride mõistmiseks, alates kõige suuremast kuni kõige väiksema piirini.

Kuigi valgus liigub alati samal ajalkiirusantud keskkonnas kui elektromagnetilise kiirguse vormil võib see olla erinevsagedusedvõilainepikkused. Valguse sagedused ja lainepikkused, kui elektromagnetlained muutuvad üksteisega piki spektrit pöördvõrdeliselt.

Kõige pikemas lainepikkuses ja madalaima sagedusega otsas on raadiolained, misjärel tulevad mikrolaineahi, infrapuna, nähtav valgus-, ultraviolett-, röntgen- ja suure energiaga gammakiired, kummalgi lainepikkused järk-järgult lühemad ja kõrgemad sagedused.

1930. aastate füüsikud hakkasid õppima, et kogu universumi aine koosneb vähestest põhiosakesed, mida nimetatakse elementaarosakesteks ja mida kõiki reguleerib sama rühm põhijõud. TheStandardmudelosakeste füüsika osa on võrrandite kogum, mis püüab lühidalt kirjeldada, kuidas kõik need elementaarosakesed ja põhijõud on omavahel seotud. Valgus on selle universaalse kirjelduse kriitiline osa.

Alates 1970. aastatest arenenud standardmudel on seni õigesti ennustanud paljude, kuigi mitte kõigi, kvantfüüsikakatsete tulemusi. Silmapaistev probleem, mida mudelis tuleb veel lahendada, on see, kuidas lisada gravitatsioon võrrandikomplekti. Lisaks sellele ei suudeta anda vastuseid mõnele suurele kosmoloogilisele küsimusele, sealhulgas välja selgitada, mis on tume aine või kuhu kadusid kõik Suures Paugus loodud antiained. Sellegipoolest on see laialt aktsepteeritud ja seda peetakse parimaks teooriaks meie senise olemuse põhiolemuse selgitamiseks.

Standardmudelis koosneb kogu aine elementaarosakeste klassist, mida nimetataksefermionid. Fermionid on kahte tüüpi:kvarkevõileptonid. Kõik need kategooriad jagunevad veel kuueks osakeseks, mis on seotud paaridenapõlvkondi. Esimene põlvkond on kõige stabiilsem, raskemaid ja vähem stabiilseid osakesi leidub teises ja kolmandas põlvkonnas.

Standardmudeli muud komponendid on jõud ja kandjaosakesed, tuntud kuibosonid. Kõik neli põhijõudu - gravitatsioon, elektromagnetiline, tugev ja nõrk - on seotud bosoniga, mis kannab jõu edasi aine osakestega vahetades.

Osakesefüüsikud, kes töötavad kiirendite juures või jälgivad kosmosest suure energiaga osakeste kokkupõrkeid, on tuvastanud viimase kolme jõu bosonid.Footon on boson, mis kannab universumis elektromagnetilist jõudu,liimkaaries tugev jõud jaWjaZosakesed kannavad nõrka jõudu. Kuid gravitatsiooni teoreetiline boson,graviton, jääb tabamatuks.

​Mustkeha kiirgus.Mustkehad on hüpoteetiline tüüpi objekt (täiuslikke looduses ei eksisteeri), mis neelavad kogu neid tabava elektromagnetkiirguse. Põhimõtteliselt on mis tahes musta keha tabav elektromagnetkiirgus seda soojendav ja kiirgus, mida see jahutamise ajal eraldab, seotult selle temperatuuriga. Füüsikud saavad selle lähenduse abil järeldada universumis peaaegu täiuslike mustade kehade, näiteks tähtede ja mustade aukude, omadusi.

Kuigi valguse laineline olemus aitab kirjeldada mustkeha kiirguse sagedusi, mida objekt neelab ja kiirgab, siis selle osakeste olemus footonina aitab seda ka matemaatiliselt kirjeldada, kuna mustkeha sisalduvad energiad on kvantiseeritud. Max Planck oli seda nähtust esimeste seas.

​Kahekordse piluga katse.Kvantfüüsika keskne põhimõte, kahekordse piluga katse näitab, kuidas valguse säramine kahe kitsa avaga tõkkepuule annab eristuva heledate ja tumedate varjude mustri, mida nimetatakselaine interferentsi muster​.

Selle kummaline osa on see, et üks ava kaudu nähtav footon käitub ikkagi nii, nagu segaks ta teisi footoneid, hoolimata sellest, et ta on üksi ja jagamatu. See tähendab, et katses täheldatud valgusmustrit ei saa seletada valguse käsitlemisega ainult footoni või lainena; seda tuleb arvestada mõlemaga. Seda katset mainitakse sageli laineosakeste duaalsuse idee all seletamisel.

​Comptoni efekt.Comptoni efekt on veel üks jälgitav näide valguse laine ja osakeste olemuse vastastikmõjust. Selles kirjeldatakse, kuidas footon põrkub kokku statsionaarse elektroniga, nii energia kui ka impulss. Kombineerides footoni energiakoguse võrrandi impulssjõu võrranditega, ilmneb, et saadud väljuva footoni (esialgu veel elektroni) lainepikkust saab ennustada sissetuleva footoni lainepikkuse järgi, mis andis see energia.

​Spektroskoopia.Spektroskoopia tehnika võimaldab füüsikutel, keemikutel, astronoomidel ja teistel teadlastel uurida objekt, sealhulgas kauged tähed, lihtsalt analüüsides mustreid, mis tulenevad selle objekti sissetuleva valguse jagamisest a-ga prisma. Kuna erinevad elemendid neelavad ja kiirgavad footoneid diskreetsetes kvantides, jagunevad vaadeldavad elektromagnetilised lainepikkused diskreetseteks segmentideks sõltuvalt sellest, milliseid elemente objektid sisaldavad.

​Massi-energia samaväärsus.Palju lapsi oskab ette lugeda Einsteini kuulsa võrrandiE = mc². Lühike ja armas, selle võrrandi tegelikud tagajärjed on sügavad:Massmja energiaEon samaväärsedja neid saab teisendada vaakumis valguse kiiruse abil,c, ruudus. See tähendab olulisel määral, et objektil, mis ei liigu, on siiski energiat; antud juhul sellepuhkemassöeldakse, et see on tema võrdnepuhkeenergia​.

Osakeste füüsikud kasutavad massi-energia ekvivalentsust, et määrata mõne mõõtmise jaoks lihtsamad ühikud. Näiteks otsivad kvantfüüsikud fermionide või bosonite masse, kiirendades subatoomilisi osakesi nagu prootonid ja elektronid hiiglaslikes gaasipedaalides valgusele lähedast kiirust ja need kokku purustades ning seejärel analüüsides ülitundlikes elektriseadmetes tekkiva prahi mõju massiivid.

Selle asemel, et anda mass kilogrammides, on osakeste masside teatamise tavaline viis giga-elektronvoltides ehk energiaühikutes GeV. Selle väärtuse tagastamiseks massiks SI ühikutes kilogrammides saavad nad kasutada järgmist lihtsat seost: 1 GeV /c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.