Valo (fysiikka): mikä se on ja miten se toimii?

Sähkömagneettisen säteilyn (valon) hiukkasaaltojen kaksinaisuuden ymmärtäminen on välttämätöntä kvanttiteorian ja muiden ilmiöiden sekä valon luonteen ymmärtämiseksi. Yksi edellisen vuosisadan suurimmista tieteellisistä kehityksistä oli havainto, että hyvin pienet esineet eivät noudattaneet samoja sääntöjä kuin arjen esineet.

Yksinkertaisesti sanottuna sähkömagneettiset aallot tunnetaan yksinkertaisesti nimellä valo, vaikka termiä valo käytetään joskus määrittelemään näkyvää valoa (se, joka voidaan havaita silmällä), ja muita aikoja käytetään yleisemmin viittaamaan kaikkiin sähkömagneettisiin muotoihin säteily.

Sähkömagneettisten aaltojen täydellisen ymmärtämisen kannalta on tärkeää ymmärtää kentän käsite sekä sähkön ja magnetismin suhde. Tämä selitetään yksityiskohtaisemmin seuraavassa osassa, mutta lähinnä sähkömagneettiset aallot (valoaallot) koostuvat sähkökentän aallosta, joka värähtelee tasossa, joka on kohtisuorassa (suorassa kulmassa) magneettikenttään nähden Aalto.

Jos sähkömagneettinen säteily toimii aallona, ​​niin millä tahansa tietyllä sähkömagneettisella aallolla on siihen liittyvä taajuus ja aallonpituus. Taajuus on värähtelyjen määrä sekunnissa, mitattuna hertseinä (Hz), missä 1 Hz = 1 / s. Aallonpituus on aaltomuotojen välinen etäisyys. Taajuuden ja aallonpituuden tulo antaa aallon nopeuden, joka tyhjiössä tapahtuvalle valolle on noin 3 × 10⁸ neiti.

Toisin kuin useimmat aallot (kuten esimerkiksi ääniaallot), sähkömagneettiset aallot eivät vaadi väliainetta, jonka läpi ne kulkevat etenevät ja voivat siten ylittää tyhjän tilan tyhjiön, jonka he tekevät valon nopeudella - nopein nopeus maailmankaikkeus!

Kentän voidaan ajatella näkymättömäksi vektoriryhmäksi, yksi kussakin avaruuspisteessä osoittaa voiman suhteellisen suuruuden ja suunnan, jonka esine tuntuisi, kun se sijoitettaisiin siihen pisteeseen. Esimerkiksi maanpinnan lähellä oleva painovoimakenttä koostuisi vektorista kussakin avaruuspisteessä, joka osoittaa suoraan kohti maan keskiosaa. Samalla korkeudella kaikilla näillä vektoreilla olisi sama suuruus.

Jos massa sijoitettaisiin tiettyyn pisteeseen, sen tuntema painovoima riippuisi sen massasta ja kentän arvosta. Sähkökentät ja magneettikentät toimivat samalla tavalla, paitsi että ne kohdistavat voimia, jotka riippuvat kohteen varauksesta ja vastaavasti magneettisesta momentista sen massan sijaan.

Sähkökenttä johtuu suoraan varausten olemassaolosta, aivan kuten painovoimakenttä johtuu suoraan massasta. Magnetismin lähde on kuitenkin liikkuvasta varauksesta (tai vastaavasti sähkökenttien muuttamisesta).

Fyysikko James Clerk Maxwell kehitti 1860-luvulla joukon neljästä yhtälöstä, jotka kuvaavat täysin sähkön ja magneettisuuden välistä suhdetta. Nämä yhtälöt osoittivat pohjimmiltaan kuinka sähkökentät syntyvät varauksilla, kuinka ei ole olemassa magneettisia monopoleja, miten muuttuvat magneettikentät voivat tuottaa sähkökentän ja kuinka virta tai muuttuvat sähkökentät voivat tuottaa magneettia kentät.

Pian näiden yhtälöiden johtamisen jälkeen löydettiin ratkaisu, joka kuvaa itsestään etenevää sähkömagneettista aaltoa. Tämän aallon ennustettiin liikkuvan valon nopeudella, ja se todellakin osoittautui todella kevyeksi!

Sähkömagneettisia aaltoja voi tulla monilla eri aallonpituuksilla ja taajuuksilla, kunhan tietyn aallon aallonpituuden ja taajuuden tulo on yhtä suuric, valon nopeus. Sähkömagneettisen säteilyn muotoja ovat (pidemmiltä aallonpituuksilta / pienellä energialla lyhyemmillä aallonpituuksilla / suurella energialla):

• Radioaallot (0,187 m - 600 m)
• Mikroaallot (1 mm - 187 mm)
• Infrapuna-aallot (750 nm - 1 mm)
• Näkyvä valo (400 nm - 750 nm; ihmissilmä voi havaita nämä aallonpituudet ja jakaa ne usein näkyvään spektriin)
• Ultraviolettivalo (10 nm - 400 nm)
• Röntgensäteet (10^-12 m - 10 nm)
• Gammasäteet (<10^-12 m)

Fotonit ovat kvantisoitujen valohiukkasten tai sähkömagneettisen säteilyn nimi. Albert Einstein esitteli valokvanttien (fotonien) käsitteen 1900-luvun alun paperissa.

Fotonit ovat massattomia, eivätkä ne noudata lukusääntelylakia (eli niitä voidaan luoda ja tuhota). Ne kuitenkin noudattavat energiansäästöä.

Itse asiassa fotonien katsotaan kuuluvan hiukkasten luokkaan, jotka ovat voimankantajia. Fotoni on sähkömagneettisen voiman välittäjä ja toimii energiapakettina, joka voidaan siirtää paikasta toiseen.

Luultavasti ajattelet, että on melko outoa puhua yhtäkkiä sähkömagneettisista aalloista hiukkasina, koska aallot ja hiukkaset näyttävät olevan kaksi pohjimmiltaan erilaista rakennetta. Itse asiassa juuri tällainen asia tekee hyvin pienen fysiikan niin outoksi. Seuraavissa osissa kvantisoinnin ja hiukkasaaltojen kaksinaisuuden käsitteitä käsitellään yksityiskohtaisemmin.

Sähkömagneettiset aallot syntyvät sähkö- ja magneettikenttien värähtelyistä. Jos varaus liikkuu edestakaisin johdinta pitkin, se luo muuttuvan sähkökentän, joka puolestaan ​​luo muuttuvan magneettikentän, joka sitten etenee itsestään.

Atomit ja molekyylit, jotka sisältävät liikkuvan varauksen elektronipilvien muodossa, kykenevät vuorovaikutukseen sähkömagneettisen säteilyn kanssa mielenkiintoisilla tavoilla. Atomissa elektronien annetaan olla olemassa vain hyvin spesifisissä kvantisoiduissa energiatiloissa.

Jos elektroni haluaa olla pienemmässä energiatilassa, se voi tehdä sen lähettämällä erillisen paketin sähkömagneettista säteilyä energian kuljettamiseksi. Päinvastoin, jotta voidaan siirtyä toiseen energiatilaan, saman elektronin on absorboitava myös hyvin spesifinen erillinen energiapaketti.

Sähkömagneettiseen aaltoon liittyvä energia riippuu aallon taajuudesta. Sellaisena atomit voivat absorboida ja lähettää vain hyvin spesifisiä sähkömagneettisen säteilyn taajuuksia, jotka vastaavat niiden kvantitoituja energiatasoja. Näitä energiapaketteja kutsutaanfotonit​.

​Kvantisointiviittaa johonkin, joka on rajoitettu erillisiin arvoihin ja jatkuvaan spektriin. Kun atomit absorboivat tai lähettävät yhden fotonin, ne tekevät sen vain hyvin spesifisillä kvanttimekaniikan kuvaamilla kvantisoiduilla energia-arvoilla. Tätä "yksittäistä fotonia" voidaan todella ajatella erillisen aallon "paketina".

Energiamäärä voidaan lähettää vain perusyksikön kerrannaisina (Planckin vakioh). Energiaa yhdistävä yhtälöEfotonin sen taajuus on:

Missäν(kreikkalainen kirjain nu) on fotonin taajuus ja Planckin vakioh​ = 6.62607015 × 10^-34 Js.

Kuulet ihmisten käyttävän sanojafotonijaelektromagneettinen säteilykeskenään, vaikka näyttää siltä, ​​että ne ovat erilaisia ​​asioita. Kun puhutaan fotoneista, ihmiset puhuvat tyypillisesti tämän ilmiön hiukkasominaisuuksista, kun he puhuvat sähkömagneettisista aalloista tai säteilystä, he puhuvat aaltopyörälle ominaisuudet.

Fotonit tai sähkömagneettinen säteily osoittavat ns. Hiukkasaaltojen kaksinaisuutta. Tietyissä tilanteissa ja tietyissä kokeissa fotonit osoittavat hiukkasmaista käyttäytymistä. Yksi esimerkki tästä on valosähköinen vaikutus, jossa pintaa osuva valonsäde aiheuttaa elektronien vapautumisen. Tämän vaikutuksen yksityiskohdat voidaan ymmärtää vain, jos valoa käsitellään erillisinä paketeina, jotka elektronien on absorboitava päästääkseen.

Muissa tilanteissa ja kokeissa ne toimivat enemmän kuin aallot. Erinomainen esimerkki tästä ovat yhden tai useamman uran kokeissa havaitut häiriökuviot. Näissä kokeissa valo kulkee kapeiden, lähellä olevien rakojen läpi, jotka toimivat kuin monivaiheiset valonlähteitä, ja sen seurauksena se tuottaa häiriökuvion, joka on yhdenmukainen sen kanssa, mitä näet a Aalto.

Vielä outoakin, fotonit eivät ole ainoita, jotka osoittavat tätä kaksinaisuutta. Itse asiassa kaikki perushiukkaset, jopa elektronit ja protonit, näyttävät käyttäytyvän tällä tavalla. Mitä suurempi hiukkanen, sitä lyhyempi sen aallonpituus on, ja sitä vähemmän tämä kaksinaisuus näkyy. Siksi et huomaa mitään vastaavaa jokapäiväisessä elämässä.