Fotonit (kvantisointi): Määritelmä, ominaisuudet ja aaltopartikkelien kaksinaisuus

Valo on kiistatta yksi outoimmista aiheista, joita fysiikan opiskelija kohtaa. Nopein asia maailmankaikkeudessa on jotenkin sekä hiukkanen että aalto - ja niillä on molempien ainutlaatuiset ominaisuudet samanaikaisesti. Mutta mitäOnkevyt?

Ymmärtäminen mitäfotonitovat ja mitäkvantisointitarkoittaa, että on olennaista ymmärtää valon, kvanttifysiikan ja lukemattomien siihen liittyvien ilmiöiden luonne.

Fotonit ovat muodollinen nimi valopartikkeleille. Ne voivat olla ihmisille näkyviä tai eivät, koska tässä termikevytSitä käytetään fysiikan mielessä, mikä tarkoittaa, että fotoni on hiukkanen sähkömagneettisesta säteilystä millä tahansa taajuuksien taajuudella radioaalloista gammasäteihin.

Fotonit ovat akvantitoituhiukkanen. Tämä tarkoittaa sitä, että niitä on vain erillisinä energiamäärinä, eikä minkään energiamäärän välillä. Kun tarkastellaan fotonin kemiallisempaa kuvausta energiana, joka vapautuu elektronin putoamisen yhteydessä alempaan energiatasoon atomissa, tämä on järkevää: Elektronit voivat olla vain tietyillä kiertoradoilla tai energiassa tasoilla. Puolivaiheita ei ole. Joten jos fotoni on seurausta "putoavasta elektronista", fotonin on myös oltava vain tiettyjä energiamääriä eli kvantteja.

Albert Einstein esitteli valokvanttien (fotonien) käsitteen vuoden 1905 paperissa. Yksi neljästä tuona vuonna julkaisemastaan ​​paperista, joka mullisti tieteen, tämä oli idea, joka sai hänelle Nobelin palkinnon.

Kuten aiemmin mainittiin, valo viittaa mihin tahansa sähkömagneettiseen säteilyyn, jonka tyypit erotetaan toisistaan ​​poikkeavilla taajuuksilla (tai aallonpituuksilla). Nämä kaksi mittausta ovat aaltojen ominaisuuksia, joten valon on oltavasähkömagneettinen aalto.​

Mutta odota - artikkelin edellisessä osassa valo otettiin käyttöön ahiukkanen, fotoni, ei aallona. Tämä on oikein. Valon outo luonne on olemassa niin kutsuttujen aaltopartikkelien kaksinaisuudessa:Se on sekä aalto että hiukkanen.​

Siksi sekä "sähkömagneettinen aalto" että "fotoni" ovat hyväksyttäviä valon kuvaajia. Yleensä ensimmäistä ilmausta käytetään kuvaamaan valoa, kun se ontoimii aaltonaja jälkimmäinen termi, kun se ontoimii hiukkasena​.

Tämä tulee tärkeäksi riippuen ilmiöistä, joita fyysikko tutkii. Tietyissä tilanteissa ja tietyissä kokeissa fotonit toimivat kuten fyysikot odottavat hiukkasten toimivan esimerkiksi tarkkailemalla valosähköistä vaikutusta. Muissa tilanteissa ja kokeissa valo toimii enemmän kuin aallot, kuten radioasemaa moduloitaessa.

Kaikki, joka on rajoitettu erillisiin arvoihin sen sijaan, että se olisi olemassa jatkuvalla spektrillä, käy läpi kvantisointia.

Kvantisointi atomissa selittää, että fotonin muodossa emittoituva energiamäärä esiintyy vain Planckin alkuyksikön vakion kerrannaisina,h= 6,6262 x 10 ^-34 joule-sekuntia

Tämä yksikkö, jonka Max Planck löysi 1800-luvun lopulla, on yksi fysiikan outoimmista ja tärkeimmistä yksiköistä. Se kuvaa aaltopartikkelin taajuuden ja sen energiatason välistä suhdetta ja asettaa siten alemman alarajan varmuudelle, jolla voimme ymmärtää aineen rakenteen.

Yksi tämän rajan tuntemisen suurimmista seurauksista, joka auttoi myös aloittamaan parittoman mutta todellisen tutkimusalueen kvanttifysiikka on, että pienimmillä subatomisilla tasoilla hiukkasten sijainti voidaan kuvata vain a: ksi todennäköisyys. Toisin sanoen vain subatomisen hiukkasen sijaintitainopeus voidaan tietää varmasti milloin tahansa, muttaei kumpikaan​.

Kvanttien määrittelyhjohtaa fotonin energian yhtälöön:

missä energiaaEon jouleissa (J), Planckin vakiohon joule-sekunteina (Js) ja taajuusfon hertseinä (Hz).

Suurin osa ihmisistä luultavasti ajattelee hiukkasia pieninä aineyksiköinä, jotka on mitoitettu niiden massojen mukaan. Tämä tekee valon hiukkasten muodosta erityisen outon pedon, koska puhtaan energian yksikkönä fotonin massa on nolla.

Toinen fotonien tärkeä ominaisuus on, että ne kulkevat aina valon nopeudella, ~ 300 000 000 m / s tyhjän tilan tyhjiössä. Valo voi kulkea hitaammin - aina kun se kohtaa muita aineita, se on vuorovaikutuksessa sen kanssa ja hidastuu siten, että mitä tiheämpi materiaali, jonka läpi valo kulkee, sitä hitaammin se kulkee. Kuitenkin,mikään maailmankaikkeudessa ei voi kulkea valoa nopeammin. Ei nopein raketti eikä nopein atomipartikkeli.

• Valon nopeus, ~ 300 000 000 m / s, on nopein, mitä mikään voi kulkea. Siksi sitä kutsutaan myös maailmankaikkeuden nopeusrajoitukseksi.

Tällä tavalla valon ymmärtäminen on kriittistä ymmärtääksesi maailmankaikkeuden perusrajat sen suurimmasta pienimpään.

Vaikka valo kulkee aina samalla tavallanopeustietyssä väliaineessa sähkömagneettisen säteilyn muodossa sillä voi olla erilainentaajuuksiataiaallonpituudet. Valon taajuudet ja aallonpituudet, kun sähkömagneettiset aallot muuttuvat käänteisesti keskenään spektriä pitkin.

Pisin aallonpituus ja matalin taajuuspää ovat radioaaltoja, joiden jälkeen tulevat mikroaaltouuni, infrapuna, näkyvä valo-, ultravioletti-, röntgen- ja suurenergiset gammasäteet, joilla kullakin on asteittain lyhyempi aallonpituus ja suurempi taajuuksia.

Fyysikot alkoivat 1930-luvulla oppia, että kaikki maailmankaikkeuden aine koostuu muutamasta perushiukkaset, tunnetaan alkeishiukkasina, joita kaikkia hallitsee sama joukko perusvoimat.VakiomalliHiukkasfysiikan osa on yhtälöjoukko, joka yrittää kuvata ytimekkäästi, kuinka kaikki nämä alkeishiukkaset ja perusvoimat liittyvät toisiinsa. Valo on kriittinen osa tätä universaalia kuvausta.

1970-luvulta lähtien kehitetyssä standardimallissa on toistaiseksi ennustettu oikein useiden, vaikkakaan ei kaikkien, kvanttifysiikan kokeiden tulokset. Räikeä ongelma, joka on vielä ratkaistava mallissa, on se, kuinka painovoima sisällytetään yhtälöjoukkoon. Lisäksi se ei tarjoa vastauksia joihinkin suuriin kosmologisiin kysymyksiin, mukaan lukien sen selvittäminen, mikä on pimeä aine tai mihin kaikki Suuressa Bangsissa luodut antiaineet hävisivät. Silti se on yleisesti hyväksytty ja sitä pidetään parhaana teoriana selittämään olemassaolomme perusluonne tähän mennessä.

Vakiomallissa kaikki aine koostuu nimettyjen alkeishiukkasten luokastafermionit. Fermioneja on kahta tyyppiä:kvarkittaileptonit. Kukin näistä luokista on edelleen jaettu kuuteen partikkeliin, jotka liittyvät toisiinsa pareittainsukupolvien ajan. Ensimmäinen sukupolvi on vakain, ja raskaampia ja vähemmän stabiileja hiukkasia löytyy toisessa ja kolmannessa sukupolvessa.

Muut vakiomallin komponentit ovat voimia ja kantajahiukkasia, jotka tunnetaan nimelläpojat. Jokainen neljästä perusvoimasta - painovoima, sähkömagneettinen, vahva ja heikko - liittyy bosoniin, joka välittää voiman vaihdettaessa ainehiukkasten kanssa.

Hiukkasten fyysikot, jotka työskentelevät kiihdyttimillä tai tarkkailevat suurienergisten hiukkasten törmäyksiä avaruudesta, ovat tunnistaneet bosonit kolmelle jälkimmäiselle voimalle.Foton on bosoni, joka kantaa sähkömagneettista voimaa maailmankaikkeudessa,gluonkaries vahvaa voimaa jaWjaZhiukkaset kantavat heikkoa voimaa. Mutta painovoiman teoreettinen boson,painovoima, on edelleen vaikea.

​Mustan kappaleen säteily.Mustat kappaleet ovat hypoteettinen objektityyppi (täydellisiä ei ole luonnossa), jotka absorboivat kaiken niihin osuvan sähkömagneettisen säteilyn. Pohjimmiltaan mikä tahansa mustaa runkoa iskeytyvä sähkömagneettinen säteily palvelee sitä ja sen jäähdytyksessä antama säteily liittyy siten suoraan sen lämpötilaan. Fyysikot voivat käyttää tätä likiarvoa päätellessään universumin melkein täydellisten mustien kappaleiden, kuten tähtien ja mustien aukkojen, ominaisuudet.

Vaikka valon aaltoluonne auttaa kuvaamaan mustarunkosäteilyn taajuuksia, jotka esine absorboi ja lähettää, sen hiukkasluonto fotonina auttaa myös kuvaamaan sitä matemaattisesti, koska mustan kappaleen sisältämät energiat kvantisoidaan. Max Planck tutki ensimmäisiä ilmiöitä.

​Kaksinkertainen rako-kokeilu.Kvanttifysiikan keskeinen periaate, kaksinkertainen rako-koe osoittaa, kuinka valon loistaminen esteelle kahdella kapealla aukolla johtaa erottuvaan valon ja tummien varjojen kuvioon, joka tunnetaan nimelläaaltohäiriökuvio​.

Outo osa tässä on se, että yksi aukon läpi näkyvä fotoni käyttäytyy edelleen ikään kuin se häiritsisi muita fotoneja huolimatta siitä, että se on yksin ja jakamaton. Tämä tarkoittaa sitä, että kokeessa havaittua valokuviota ei voida selittää käsittelemällä valoa vain fotonina tai aallona; sitä on pidettävä molempina. Tähän kokeiluun viitataan usein selittäessä, mitä aalto-hiukkasten kaksinaisuudella tarkoitetaan.

​Compton-vaikutus.Compton-ilmiö on toinen havaittavissa oleva esimerkki valon aallon ja hiukkasluonnon vuorovaikutuksesta. Siinä kuvataan, kuinka sekä energia että liikemäärä säilyvät, kun fotoni törmää paikallaan olevaan elektroniin. Yhdistämällä fotonin energiamäärän yhtälö momentin säilyttämisen yhtälöihin osoitetaan, että tuloksena on lähtevän fotonin (aluksi vielä elektronin) aallonpituus voidaan ennustaa tulevan fotonin aallonpituudella, joka antoi se energiaa.

​Spektroskopia.Spektroskopiatekniikan avulla fyysikot, kemistit, tähtitieteilijät ja muut tutkijat voivat tutkia esine, mukaan lukien kaukaiset tähdet, yksinkertaisesti analysoimalla kuvioita, jotka syntyvät hajottamalla objektista tulevaa valoa a: lla prisma. Koska eri elementit absorboivat ja lähettävät fotoneja erillisissä kvanteissa, havaitut sähkömagneettiset aallonpituudet jakautuvat erillisiin segmentteihin riippuen siitä, mitä elementtejä esineet sisältävät.

​Massa-energian vastaavuus.Paljon lapsia voi lausua Einsteinin kuuluisan yhtälönE = mc². Lyhyt ja suloinen, tämän yhtälön todelliset seuraukset ovat syvällisiä:Massamja energiaaEovat vastaaviaja ne voidaan muuntaa toisilleen käyttämällä valon nopeutta tyhjiössä,c, neliö. Tämä merkitsee tärkeästi, että liikkumattomalla esineellä on vielä energiaa; tässä tapauksessa senlepomassasanotaan vastaavan senlepoenergiaa​.

Hiukkasten fyysikot määrittävät massa-energia-ekvivalenssin yksinkertaisempien yksiköiden määrittämiseksi joillekin mittauksilleen. Esimerkiksi kvanttifyysikot etsivät fermionien tai bosonien massaa kiihdyttämällä subatomisia hiukkasia, kuten protoneja ja elektroneja lähes valon nopeudet jättiläiskiihdyttimissä ja murskaamalla ne yhteen ja analysoimalla sitten "roskien" vaikutuksia erittäin herkissä sähkölaitteissa taulukot.

Sen sijaan, että ilmoitettaisiin massa kilogrammoina, yleinen tapa ilmoittaa hiukkasten massa on giga-elektronivolttia tai GeV, energiayksikköä. Palauttamaan tämän arvon massaan SI-yksikköinä kilogrammoina he voivat käyttää tätä yksinkertaista suhdetta: 1 GeV /c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.