Razumijevanje dualnosti čestica-val elektromagnetskog zračenja (svjetlosti) ključno je za razumijevanje kvantne teorije i drugih pojava, kao i prirode svjetlosti. Jedno od najvećih znanstvenih dostignuća u prethodnom stoljeću bilo je otkriće da se vrlo mali predmeti ne pokoravaju istim pravilima kao i svakodnevni predmeti.
Što su elektromagnetski valovi?
Jednostavno rečeno, elektromagnetski valovi su jednostavno poznati kao svjetlost, iako se termin svjetlost ponekad koristi za određivanje vidljive svjetlosti (ono što se može otkriti okom), a drugi se put koristi općenitije za označavanje svih oblika elektromagnetskog zračenja radijacija.
Da bismo u potpunosti razumjeli elektromagnetske valove, važno je razumjeti pojam polja i odnos između elektriciteta i magnetizma. To će biti detaljnije objašnjeno u sljedećem odjeljku, ali u osnovi, elektromagnetski valovi (svjetlosni valovi) sastoje se od vala električnog polja koji titra u ravnini okomitoj (pod pravim kutom) na magnetsko polje val.
Ako elektromagnetsko zračenje djeluje kao val, tada će svaki određeni elektromagnetski val imati frekvenciju i valnu duljinu povezanu s njim. Frekvencija je broj oscilacija u sekundi, mjereno u hercima (Hz) gdje je 1 Hz = 1 / s. Valna duljina je udaljenost između grebena valova. Umnožak frekvencije i valne duljine daje valnu brzinu koja je za svjetlost u vakuumu približno 3 × 10
Za razliku od većine valova (kao što su zvučni valovi, na primjer), elektromagnetskim valovima nije potreban medij kroz koji će proći šire se i tako mogu preći vakuum praznog prostora, što čine brzinom svjetlosti - najbržom brzinom u svemir!
Polja i elektromagnetizam
Polje se može smatrati nevidljivim nizom vektora, po jedan u svakoj točki u prostoru što ukazuje na relativnu veličinu i smjer sile koju bi objekt osjećao kad bi se stavio u tu točku. Na primjer, gravitacijsko polje u blizini površine zemlje sastojalo bi se od vektora u svakoj točki u prostoru usmjerenog izravno prema središtu zemlje. Na istoj nadmorskoj visini svi bi ti vektori imali jednaku veličinu.
Ako bi se masa smjestila u određenu točku, tada bi gravitacijska sila koju osjeća osjećala ovisila o njezinoj masi i vrijednosti tamošnjeg polja. Električna i magnetska polja djeluju na isti način, osim što primjenjuju sile koje ovise o naboju i magnetskom momentu objekta, umjesto o njegovoj masi.
Električno polje proizlazi izravno iz postojanja naboja, baš kao što gravitacijsko polje proizlazi izravno iz mase. Izvor magnetizma, međutim, potječe od pomicanja naboja (ili ekvivalentno promjeni električnih polja).
1860-ih fizičar James Clerk Maxwell razvio je set od četiri jednadžbe koji su u potpunosti opisali odnos između elektriciteta i magnetizma. Te su jednadžbe u osnovi pokazale kako električna polja generiraju naboji, kako ne postoje temeljni magnetski monopoli i kako promjenjiva magnetska polja mogu generirati električno polje i kako struja ili promjenjiva električna polja mogu generirati magnetsko polja.
Ubrzo nakon izvođenja ovih jednadžbi pronađeno je rješenje koje opisuje samoproširivi elektromagnetski val. Predviđalo se da će se ovaj val kretati brzinom svjetlosti, a doista se ispostavilo da je svjetlost!
Elektromagnetski spektar
Elektromagnetski valovi mogu biti u različitim valnim duljinama i frekvencijama, sve dok je umnožak valne duljine i frekvencije određenog vala jednakc, brzina svjetlosti. Oblici elektromagnetskog zračenja uključuju (od dužih valnih duljina / niske energije do kraćih valnih duljina / visoke energije):
- Radio valovi (0,187 m - 600 m)
- Mikrovalne pećnice (1 mm - 187 mm)
- Infracrveni valovi (750 nm - 1 mm)
- Vidljivo svjetlo (400 nm - 750 nm; ove valne duljine može otkriti ljudsko oko i često se podijele na vidljivi spektar)
- Ultraljubičasto svjetlo (10 nm - 400 nm)
- X-zrake (10-12 m - 10 nm)
- Gama zrake (<10-12 m)
Što su fotoni?
Fotoni su naziv za kvantizirane čestice svjetlosti ili elektromagnetsko zračenje. Albert Einstein predstavio je pojam svjetlosnih kvanta (fotona) u radu s početka 20. stoljeća.
Fotoni su bez mase i ne poštuju zakone o očuvanju broja (što znači da ih se može stvoriti i uništiti). Oni se ipak pokoravaju očuvanju energije.
Zapravo se smatra da su fotoni u klasi čestica koje su nositelji sile. Foton je posrednik elektromagnetske sile i djeluje kao paket energije koji se može prenijeti s jednog mjesta na drugo.
Vjerojatno mislite da je prilično čudno odjednom govoriti o elektromagnetskim valovima kao o česticama, budući da se valovi i čestice čine kao dva bitno različita konstrukta. Zapravo, upravo takve stvari čine fiziku vrlo malog tako čudnom. U sljedećih nekoliko odjeljaka pojmovi kvantizacije i dualnosti čestica-val detaljnije se raspravljaju.
Kako se proizvode elektromagnetski valovi ili fotoni?
Elektromagnetski valovi rezultat su oscilacija u električnim i magnetskim poljima. Ako se naboj pomiče naprijed-natrag duž žice, on stvara promjenjivo električno polje, koje pak stvara promjenjivo magnetsko polje, koje se zatim samo širi.
Atomi i molekule, koji sadrže pokretni naboj u obliku elektronskih oblaka, sposobni su na zanimljive načine komunicirati s elektromagnetskim zračenjem. U atomu elektroni smiju postojati samo u vrlo specifičnim kvantiziranim energetskim stanjima.
Ako elektron želi biti u nižem energetskom stanju, to može učiniti emitiranjem diskretnog paketa elektromagnetskog zračenja radi odvođenja energije. Suprotno tome, da bi skočio u drugo energetsko stanje, taj isti elektron mora apsorbirati i vrlo specifični diskretni paket energije.
Energija povezana s elektromagnetskim valom ovisi o frekvenciji vala. Kao takvi, atomi mogu apsorbirati i emitirati samo vrlo specifične frekvencije elektromagnetskog zračenja u skladu s njima povezanim kvantiziranim razinama energije. Ti se energetski paketi nazivajufotoni.
Što je kvantizacija?
Kvantizacijaodnosi se na nešto što je ograničeno na diskretne vrijednosti stihovi kontinuirani spektar. Kad atomi apsorbiraju ili emitiraju jedan foton, to čine samo na vrlo specifičnim kvantiziranim vrijednostima energije koje opisuje kvantna mehanika. Ovaj se "jedan foton" zaista može smatrati diskretnim valnim "paketom".
Količina energije može se emitirati samo u višekratnicima elementarne jedinice (Planckova konstantah). Jednadžba koja povezuje energijuEfotona na njegovu frekvenciju je:
E = h \ nu
Gdjeν(grčko slovo nu) je frekvencija fotona i Planckova konstantah = 6.62607015 × 10-34 Js.
Dvojnost valova i čestica
Čut ćete kako se ljudi koriste riječimafotonielektromagnetska radijacijanaizmjenično, iako se čini da se radi o različitim stvarima. Kad govore o fotonima, ljudi obično govore o svojstvima čestica ovog fenomena, dok kada govore o elektromagnetskim valovima ili zračenju, oni govore valovima Svojstva.
Fotoni ili elektromagnetsko zračenje pokazuju ono što se naziva dualnost čestica-val. U određenim situacijama i u određenim eksperimentima fotoni pokazuju ponašanje nalik na čestice. Jedan od primjera za to je u fotoelektričnom efektu, gdje zraka svjetlosti koja udara o površinu uzrokuje oslobađanje elektrona. Specifičnosti ovog učinka mogu se shvatiti samo ako se svjetlost tretira kao diskretni paketi koje elektroni moraju apsorbirati da bi mogli biti emitirani.
U drugim situacijama i eksperimentima djeluju više poput valova. Primarni primjer za to su uzorci smetnji uočeni u eksperimentima s jednim ili više proreza. U tim eksperimentima svjetlost putuje kroz uske, usko razmaknute proreze, koji djeluju poput višestrukih faza izvora svjetlosti i kao rezultat toga stvara uzorak smetnji u skladu s onim što biste vidjeli u a val.
Još čudnije, fotoni nisu jedina stvar koja pokazuje ovu dualnost. Doista, čini se da se sve temeljne čestice, čak i elektroni i protoni, ponašaju na takav način. Što je čestica veća, njezina je valna duljina kraća i manje će se pojaviti ova dualnost. Zbog toga u svakodnevnom životu ne primjećujete ništa slično.