फोटॉन (मात्राकरण): परिभाषा, गुण और तरंग-कण द्वैत

प्रकाश यकीनन सबसे अजीब विषयों में से एक है जिसका भौतिकी के छात्र सामना करेंगे। ब्रह्मांड में सबसे तेज चीज किसी भी तरह एक कण और एक लहर दोनों है - और एक ही समय में दोनों के अद्वितीय गुणों को प्रदर्शित करती है। पर क्याहैरोशनी?

क्या समझनाफोटॉनोंहैं और क्यापरिमाणीकरणप्रकाश की प्रकृति, क्वांटम भौतिकी और असंख्य संबंधित घटनाओं को समझने के लिए साधन मौलिक है।

फोटॉन प्रकाश कणों का औपचारिक नाम है। वे मनुष्यों को दिखाई दे सकते हैं या नहीं, क्योंकि यहाँ शब्दरोशनीभौतिकी के अर्थ में प्रयोग किया जाता है, जिसका अर्थ है कि एक फोटॉन स्पेक्ट्रम पर किसी भी आवृत्ति पर रेडियो तरंगों से गामा किरणों तक विद्युत चुम्बकीय विकिरण का एक कण है।

फोटॉन हैं aमात्रा निर्धारितकण। इसका मतलब है कि वे केवल ऊर्जा की असतत मात्रा में मौजूद हैं, न कि बीच में ऊर्जा की किसी भी मात्रा में। एक इलेक्ट्रॉन के गिरने पर जारी ऊर्जा के रूप में एक फोटॉन के अधिक रसायन-उन्मुख विवरण पर विचार करते समय परमाणु में निम्न ऊर्जा स्तर तक, यह समझ में आता है: इलेक्ट्रॉन केवल विशिष्ट कक्षाओं या ऊर्जा में ही हो सकते हैं स्तर। कोई आधा कदम नहीं हैं। इसलिए यदि कोई फोटॉन "गिरते हुए इलेक्ट्रॉन" का परिणाम है, तो एक फोटॉन को केवल विशिष्ट ऊर्जा मात्रा या क्वांटा में ही आना चाहिए।

अल्बर्ट आइंस्टीन ने 1905 के एक पेपर में प्रकाश क्वांटा (फोटॉन) की धारणा पेश की। उस वर्ष प्रकाशित चार पत्रों में से एक जिसने विज्ञान में क्रांति ला दी, यही वह विचार था जिसने उन्हें नोबेल पुरस्कार दिलाया।

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, प्रकाश किसी भी प्रकार के विद्युत चुम्बकीय विकिरण को संदर्भित करता है, जिसके प्रकार उनकी भिन्न आवृत्तियों (या तरंग दैर्ध्य) द्वारा प्रतिष्ठित होते हैं। वे दो माप तरंगों की विशेषता होने के कारण, यह इस प्रकार है कि प्रकाश एक होना चाहिएविद्युत चुम्बकीय तरंग।​

लेकिन रुकिए - लेख के पिछले भाग में प्रकाश को एक के रूप में पेश किया गया थाकण, फोटॉन, तरंग के रूप में नहीं। यह सही है। प्रकाश की अजीब प्रकृति तरंग-कण द्वैत कहलाती है:यह तरंग और कण दोनों है।​

इसलिए "विद्युत चुम्बकीय तरंग" और "फोटॉन" दोनों ही प्रकाश के स्वीकार्य वर्णनकर्ता हैं। आमतौर पर पहले वाक्यांश का प्रयोग प्रकाश का वर्णन करने के लिए किया जाता है जब वह होता हैएक लहर के रूप में अभिनयऔर बाद की अवधि जब यह हैएक कण के रूप में कार्य करना​.

यह उस घटना के आधार पर महत्वपूर्ण हो जाता है जो भौतिक विज्ञानी जांच कर रहा है। कुछ स्थितियों में और कुछ प्रयोगों में, फोटॉन कार्य करते हैं जैसे भौतिक विज्ञानी कणों से कार्य करने की अपेक्षा करते हैं, उदाहरण के लिए, जब फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव को देखते हुए। अन्य स्थितियों और प्रयोगों में, प्रकाश तरंगों की तरह अधिक कार्य करता है, जैसे कि रेडियो स्टेशन को संशोधित करते समय।

निरंतर स्पेक्ट्रम पर मौजूद होने के बजाय असतत मूल्यों तक सीमित कुछ भी परिमाणीकरण के दौर से गुजर रहा है।

एक परमाणु में परिमाणीकरण बताता है कि एक फोटॉन के रूप में उत्सर्जित होने वाली ऊर्जा की मात्रा प्राथमिक इकाई प्लैंक स्थिरांक के गुणकों में ही होगी,एच= 6.6262 x 10 ^-34 जूल-सेकंड

1800 के दशक के अंत में मैक्स प्लैंक द्वारा खोजी गई यह इकाई भौतिकी की सबसे विचित्र और महत्वपूर्ण इकाइयों में से एक है। यह एक तरंग-कण की आवृत्ति और उसके ऊर्जा स्तर के बीच संबंध का वर्णन करता है, और इस प्रकार निश्चितता पर निचली निचली सीमा निर्धारित करता है जिसके साथ हम पदार्थ की संरचना को समझ सकते हैं।

इस सीमा को जानने के सबसे बड़े प्रभावों में से एक, जिसने अध्ययन के अजीब-लेकिन-वास्तविक क्षेत्र को शुरू करने में भी मदद की, जिसे जाना जाता है क्वांटम भौतिकी, यह है कि सबसे छोटे उप-परमाणु स्तरों पर कणों की स्थिति केवल a. के रूप में वर्णित है संभावना। दूसरा तरीका रखो, केवल एक उप-परमाणु कण की स्थितियावेग को किसी भी समय निश्चित रूप से जाना जा सकता है, लेकिनदोनों नहीं​.

क्वांटा को परिभाषित करनाएचएक फोटॉन की ऊर्जा के लिए एक समीकरण की ओर ले जाएं:

जहां ऊर्जाइजूल (जे) में है, प्लैंक स्थिरांकएचजूल-सेकंड (Js) और आवृत्ति में हैएफहर्ट्ज़ (हर्ट्ज) में है।

ज्यादातर लोग शायद कणों को पदार्थ की छोटी इकाइयाँ मानते हैं, जो उनके द्रव्यमान के अनुसार आकार में होती हैं। यह प्रकाश के कण रूप को एक विशेष रूप से अजीब जानवर बनाता है, क्योंकि शुद्ध ऊर्जा की एक इकाई के रूप में, एक फोटॉन का द्रव्यमान शून्य होता है।

फोटॉनों की एक और महत्वपूर्ण संपत्ति यह है कि वे हमेशा प्रकाश की गति से यात्रा करते हैं, खाली स्थान के निर्वात में ~ 300,000,000 m/s। प्रकाश उससे भी धीमी गति से यात्रा कर सकता है - किसी भी समय यह अन्य पदार्थ का सामना करता है जो इसके साथ बातचीत करता है और धीमा हो जाता है, ताकि जिस सामग्री के माध्यम से प्रकाश यात्रा कर रहा है, उतना ही धीमा हो। हालाँकि,ब्रह्मांड में कुछ भी प्रकाश से तेज यात्रा नहीं कर सकता. न सबसे तेज रॉकेट और न ही सबसे तेज परमाणु कण।

• प्रकाश की गति, ~300,000,000 मीटर/सेकेंड, सबसे तेज़ है कि कोई भी यात्रा कर सकता है। इसलिए इसे ब्रह्मांड की गति सीमा भी कहा जाता है।

इस तरह, ब्रह्मांड की मूलभूत सीमाओं को समझने के लिए प्रकाश को समझना महत्वपूर्ण है, इसके सबसे बड़े से लेकर सबसे छोटे तक।

हालांकि प्रकाश हमेशा एक ही गति से चलता हैस्पीडकिसी दिए गए माध्यम में, विद्युत चुम्बकीय विकिरण के रूप में, यह भिन्न हो सकता हैआवृत्तियोंयातरंग दैर्ध्य. विद्युत चुम्बकीय तरंगों के रूप में प्रकाश की आवृत्ति और तरंग दैर्ध्य एक स्पेक्ट्रम के साथ एक दूसरे के साथ विपरीत रूप से बदलते हैं।

सबसे लंबी तरंग दैर्ध्य और सबसे कम आवृत्ति के अंत में रेडियो तरंगें होती हैं, जिसके बाद माइक्रोवेव, अवरक्त, दृश्यमान, प्रकाश, पराबैंगनी, एक्स-रे और उच्च-ऊर्जा गामा किरणें, प्रत्येक उत्तरोत्तर कम तरंग दैर्ध्य और उच्चतर के साथ आवृत्तियों।

1930 के दशक में भौतिकविदों ने यह सीखना शुरू किया कि ब्रह्मांड में सभी पदार्थ कुछ से बना है मौलिक कण, जिन्हें प्राथमिक कणों के रूप में जाना जाता है, जो सभी. के एक ही समुच्चय द्वारा नियंत्रित होते हैं मौलिक ताकतें।मानक मॉडलकण भौतिकी समीकरणों का एक समूह है जो संक्षेप में वर्णन करने का प्रयास करता है कि ये सभी प्राथमिक कण और मौलिक बल कैसे संबंधित हैं। प्रकाश इस सार्वभौमिक विवरण का एक महत्वपूर्ण अंश है।

1970 के दशक से विकास में, मानक मॉडल ने अब तक कई क्वांटम भौतिकी प्रयोगों के परिणामों की सही भविष्यवाणी की है, हालांकि सभी नहीं। मॉडल में अभी तक हल की जाने वाली एक ज्वलंत समस्या यह है कि समीकरणों के समुच्चय में गुरुत्वाकर्षण को कैसे शामिल किया जाए। इसके अतिरिक्त, यह कुछ बड़े ब्रह्माण्ड संबंधी प्रश्नों के उत्तर देने में विफल रहता है, जिसमें यह पता लगाना शामिल है कि डार्क मैटर क्या है या बिग बैंग में बनाए गए सभी एंटीमैटर कहाँ गायब हो गए। फिर भी, यह व्यापक रूप से स्वीकार किया जाता है और आज तक हमारे अस्तित्व की मौलिक प्रकृति को समझाने के लिए सबसे अच्छा सिद्धांत माना जाता है।

मानक मॉडल में, सभी पदार्थ प्राथमिक कणों के एक वर्ग से बने होते हैं जिन्हें कहा जाता हैफरमिओन्स. फर्मियन दो प्रकार में आते हैं:क्वार्कयालेप्टॉन. इन श्रेणियों में से प्रत्येक को आगे छह कणों में विभाजित किया गया है, जो जोड़े में संबंधित हैं जिन्हें. के रूप में जाना जाता हैपीढ़ियों. दूसरी और तीसरी पीढ़ी में पाए जाने वाले भारी और कम स्थिर कणों के साथ पहली पीढ़ी सबसे स्थिर है।

मानक मॉडल के अन्य घटक बल और वाहक कण हैं, जिन्हें के रूप में जाना जाता हैबोसॉन. चार मूलभूत बलों में से प्रत्येक - गुरुत्वाकर्षण, विद्युत चुम्बकीय, मजबूत और कमजोर - एक बोसोन से जुड़ा होता है जो पदार्थ के कणों के आदान-प्रदान में बल को व्यक्त करता है।

त्वरक पर काम करने वाले या अंतरिक्ष से उच्च-ऊर्जा कणों के टकराव को देखने वाले कण भौतिकविदों ने बाद के तीन बलों के लिए बोसॉन की पहचान की है।फोटॉन वह बोसॉन है जो ब्रह्मांड में विद्युत चुम्बकीय बल को वहन करता है, दग्लुओंमजबूत बल को वहन करता है औरवूतथाजेडकण कमजोर बल ले जाते हैं। लेकिन गुरुत्वाकर्षण के लिए सैद्धांतिक बोसॉन,गुरुत्वाकर्षण, पकड़ में नहीं आता।

​श्याम पिंडों से उत्पन्न विकिरण।ब्लैकबॉडी एक काल्पनिक प्रकार की वस्तु है (प्रकृति में आदर्श मौजूद नहीं हैं) जो उन सभी विद्युत चुम्बकीय विकिरण को अवशोषित करते हैं जो उन्हें हिट करते हैं। संक्षेप में, किसी ब्लैकबॉडी से टकराने वाला कोई भी इलेक्ट्रोमैग्नेटिक रेडिएशन उसे गर्म करने का काम करता है और जो रेडिएशन ठंडा होने पर निकलता है वह सीधे उसके तापमान से संबंधित होता है। भौतिक विज्ञानी इस अनुमान का उपयोग ब्रह्मांड में सितारों और ब्लैक होल जैसे निकट-पूर्ण ब्लैकबॉडी के गुणों को कम करने के लिए कर सकते हैं।

जबकि प्रकाश की तरंग प्रकृति ब्लैकबॉडी विकिरण की आवृत्तियों का वर्णन करने में मदद करती है जिसे कोई वस्तु अवशोषित और उत्सर्जित करेगी, इसका एक फोटॉन के रूप में कण प्रकृति भी गणितीय रूप से इसका वर्णन करने में मदद करती है, क्योंकि ब्लैकबॉडी में जो ऊर्जा हो सकती है वह मात्राबद्ध होती है। मैक्स प्लैंक इस घटना की जांच करने वाले पहले व्यक्ति थे।

​डबल-स्लिट प्रयोग।क्वांटम भौतिकी का एक केंद्रीय सिद्धांत, डबल-स्लिट प्रयोग दिखाता है कि कैसे दो संकीर्ण उद्घाटन के साथ बाधा पर प्रकाश चमकने से प्रकाश और अंधेरे छाया का एक विशिष्ट पैटर्न होता है जिसे एक के रूप में जाना जाता हैतरंग हस्तक्षेप पैटर्न​.

इसका अजीब हिस्सा यह है कि उद्घाटन के माध्यम से दिखाया गया एक भी फोटॉन अकेले और अविभाज्य होने के बावजूद अन्य फोटॉन के साथ हस्तक्षेप कर रहा है। कहने का तात्पर्य यह है कि प्रयोग में देखे गए प्रकाश पैटर्न को प्रकाश को केवल एक फोटॉन या एक तरंग मानकर समझाया नहीं जा सकता है; इसे दोनों माना जाना चाहिए। तरंग-कण द्वैत के विचार का क्या अर्थ है, यह समझाने में अक्सर इस प्रयोग का हवाला दिया जाता है।

​कॉम्पटन प्रभाव।कॉम्पटन प्रभाव प्रकाश की तरंग और कण प्रकृति के बीच परस्पर क्रिया का एक और अवलोकन योग्य उदाहरण है। यह वर्णन करता है कि जब एक फोटॉन एक स्थिर इलेक्ट्रॉन से टकराता है तो ऊर्जा और संवेग दोनों कैसे संरक्षित होते हैं। एक फोटॉन की ऊर्जा की मात्रा के लिए समीकरण को संवेग संरक्षण समीकरणों के साथ जोड़ने से पता चलता है कि परिणामी आउटगोइंग फोटॉन (शुरुआत में स्थिर इलेक्ट्रॉन) की तरंग दैर्ध्य की भविष्यवाणी आने वाले फोटॉन की तरंग दैर्ध्य द्वारा की जा सकती है जिसने दिया यह ऊर्जा।

​स्पेक्ट्रोस्कोपी।स्पेक्ट्रोस्कोपी की तकनीक भौतिकविदों, रसायनज्ञों, खगोलविदों और अन्य वैज्ञानिकों को किसी के भौतिक श्रृंगार की जांच करने की अनुमति देती है वस्तु, दूर के तारों सहित, बस उस पैटर्न का विश्लेषण करके जो उस वस्तु से आने वाली रोशनी को a. के साथ विभाजित करने के परिणामस्वरूप होता है प्रिज्म चूंकि विभिन्न तत्व असतत क्वांटा में फोटॉन को अवशोषित और उत्सर्जित करते हैं, इसलिए देखे गए विद्युत चुम्बकीय तरंगदैर्ध्य वस्तुओं के तत्वों के आधार पर अलग-अलग खंडों में आते हैं।

​द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता।बहुत सारे बच्चे आइंस्टीन के प्रसिद्ध समीकरण का पाठ कर सकते हैंई = एमसी². संक्षिप्त और मधुर, इस समीकरण के वास्तविक निहितार्थ गहरे हैं:द्रव्यमानमऔर ऊर्जाइसमकक्ष हैंऔर निर्वात में प्रकाश की गति का उपयोग करके एक दूसरे में परिवर्तित किया जा सकता है,सी, वर्ग। इसका महत्वपूर्ण अर्थ यह है कि जो वस्तु गतिमान नहीं है उसमें अभी भी ऊर्जा है; इस मामले में इसकीआराम द्रव्यमानइसके बराबर कहा जाता हैआराम ऊर्जा​.

कण भौतिक विज्ञानी अपने कुछ मापों के लिए सरल इकाइयों को निर्धारित करने के लिए द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता का उपयोग करते हैं। उदाहरण के लिए, क्वांटम भौतिक विज्ञानी प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों जैसे उप-परमाणु कणों को गति देकर फर्मियन या बोसॉन के द्रव्यमान की खोज करते हैं। विशाल त्वरक में निकट-प्रकाश गति और उन्हें एक साथ तोड़ना, और फिर अत्यधिक संवेदनशील विद्युत में "मलबे" के प्रभावों का विश्लेषण करना सरणियाँ

किलोग्राम में द्रव्यमान देने के बजाय, कण द्रव्यमान की रिपोर्ट करने का सामान्य तरीका गीगा-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट, या जीईवी, ऊर्जा की एक इकाई है। किलोग्राम की एसआई इकाई में इस मान को द्रव्यमान में वापस करने के लिए, वे इस साधारण संबंध का उपयोग कर सकते हैं: 1 GeV/सी​² = 1.78266192×10⁻²⁷ क।