Fotoni (kvantizacija): definicija, svojstva i dualnost valnih čestica

Svjetlost je vjerojatno jedna od najčudnijih tema s kojima će se student fizike susresti. Najbrža stvar u svemiru je nekako i čestica i val - i istodobno pokazuje jedinstvena svojstva oba. Ali štojesvjetlo?

Razumijevanje čegafotonijesu i štokvantizacijasredstvo je temeljno za razumijevanje prirode svjetlosti, kvantne fizike i bezbrojnih fenomena.

Fotoni su formalni naziv za svjetlosne čestice. Oni mogu biti vidljivi ljudima ili ne, budući da je ovdje pojamsvjetlokoristi se u fizikalnom smislu, što znači da je foton čestica elektromagnetskog zračenja na bilo kojoj frekvenciji spektra, od radio valova do gama zraka.

Fotoni su akvantiziranočestica. To znači da postoje samo u diskretnim količinama energije, a ne u bilo kojoj količini energije između. Kad se razmatra kemijski orijentirani opis fotona kao energije koja se oslobađa kad elektron padne do niže razine energije u atomu, ovo ima smisla: elektroni mogu biti samo u određenim orbitalama ili energiji razinama. Nema pola koraka. Dakle, ako je foton rezultat "pada elektrona", foton također mora dolaziti u samo određenim količinama energije, odnosno kvantima.

Albert Einstein predstavio je pojam svjetlosnih kvanta (fotona) u radu iz 1905. godine. Jedan od četiri rada koja je te godine objavio koji su revolucionirali znanost, bila je to ideja koja mu je donijela Nobelovu nagradu.

Kao što je ranije spomenuto, svjetlost se odnosi na bilo koju vrstu elektromagnetskog zračenja, čije se vrste razlikuju po različitim frekvencijama (ili valnim duljinama). Te dvije mjere koje su karakteristike valova, proizlaze iz toga da svjetlost mora bitielektromagnetski val.​

Ali pričekajte - u prethodnom odjeljku članka svjetlo je uvedeno kaočestica, foton, ne kao val. Ovo je točno. Čudna priroda svjetlosti postoji u onome što se naziva dualnost valova i čestica:To je i val i čestica.​

Stoga su i "elektromagnetski val" i "foton" prihvatljivi deskriptori svjetlosti. Obično se prva fraza koristi za opisivanje svjetlosti kad ona jestdjelujući kao vala potonji pojam kad jedjelujući kao čestica​.

To postaje važno ovisno o pojavama koje fizičar ispituje. U određenim situacijama i u određenim eksperimentima fotoni se ponašaju kao da fizičari očekuju djelovanje čestica, na primjer, kada promatraju fotoelektrični efekt. U drugim situacijama i eksperimentima, svjetlost djeluje više poput valova, poput modulacije radio stanice.

Sve što je ograničeno na diskretne vrijednosti, a ne postoji na kontinuiranom spektru, prolazi kroz kvantizaciju.

Kvantizacija u atomu objašnjava da će se količina energije koja se može emitirati u obliku fotona pojaviti samo u višekratnicima elementarne jedinice Planckove konstante,h= 6,6262 x 10 ^-34 džul-sekunde

Ova jedinica, koju je otkrio Max Planck krajem 1800-ih, jedna je od najbizarnijih i najvažnijih jedinica u fizici. Opisuje odnos između frekvencije valovite čestice i njezine razine energije, te tako postavlja donju donju granicu sigurnosti s kojom možemo razumjeti strukturu materije.

Jedna od najvećih posljedica poznavanja ove granice, koja je također pomogla započeti neobično, ali stvarno područje proučavanja poznato kao kvantne fizike, jest da je na najmanjim subatomskim razinama položaj čestica opisljiv samo kao a vjerojatnost. Drugim riječima, samo položaj subatomske česticeilibrzina se može sa sigurnošću znati u bilo kojem trenutku, aline oboje​.

Definiranje kvantahdovesti do jednadžbe za energiju fotona:

gdje energijaEje u džulima (J), Planckova konstantahje u džul-sekundama (Js) i frekvencijifje u hercima (Hz).

Većina ljudi vjerovatno misli da su čestice malene jedinice materije koje su veličine prema njihovoj masi. To čini oblik čestica svjetlosti posebno čudnom zvijeri jer, kao jedinica čiste energije, foton ima nultu masu.

Sljedeće važno svojstvo fotona je da oni uvijek putuju brzinom svjetlosti, ~ 300 000 000 m / s u vakuumu praznog prostora. Svjetlost može putovati sporije od toga - svaki put kad naiđe na drugu materiju, u interakciji je s njom i usporava, tako da što je gušći materijal kroz koji svjetlost putuje, to sporije ide. Međutim,ništa u svemiru ne može putovati brže od svjetlosti. Ni najbrža raketa ni najabrzanija atomska čestica.

• Brzina svjetlosti, ~ 300.000.000 m / s, najbrža je što išta može putovati. Zbog toga se naziva i ograničenjem brzine svemira.

Na taj je način razumijevanje svjetlosti presudno za razumijevanje temeljnih granica samog svemira, od njegovih najvećih do najsitnijih.

Iako svjetlost uvijek putuje u isto vrijemeubrzatiu danom mediju, kao oblik elektromagnetskog zračenja, može imati različitfrekvencijeilivalne duljine. Frekvencije i valne duljine svjetlosti kao elektromagnetski valovi mijenjaju se obrnuto jedna prema drugoj duž spektra.

Na najdužoj valnoj duljini i kraju najniže frekvencije nalaze se radio valovi, nakon kojih dolaze mikrovalne, infracrvene, vidljive svjetlosne, ultraljubičaste, rentgenske i visokoenergijske gama zrake, svaka s postupno kraćim valnim duljinama i većim frekvencije.

Fizičari su 1930-ih počeli učiti da se sva materija u svemiru sastoji od nekoliko njih temeljne čestice, poznate kao elementarne čestice, kojima se upravlja pod istim skupom temeljne sile. TheStandardni modelfizike čestica je skup jednadžbi koje pokušavaju sažeto opisati kako su sve ove elementarne čestice i temeljne sile povezane. Svjetlost je kritični dio ovog univerzalnog opisa.

U razvoju od 1970-ih, Standardni model do sada je točno predvidio rezultate mnogih, iako ne svih, eksperimenata kvantne fizike. Uočljiv problem koji se u modelu tek treba riješiti jest kako gravitaciju ugraditi u skup jednadžbi. Uz to, ne daje odgovore na neka velika kozmološka pitanja, uključujući otkrivanje što je tamna tvar ili gdje je nestala sva antimaterija stvorena u Velikom prasku. Ipak, široko je prihvaćena i smatra se najboljom teorijom za objašnjavanje temeljne prirode našeg postojanja do danas.

U Standardnom modelu, svu materiju čini klasa elementarnih čestica tzvfermioni. Fermioni postoje u dvije vrste:kvarkoviilileptoni. Svaka od ovih kategorija dalje je podijeljena u šest čestica, povezanih u parove poznate kaogeneracije. Prva generacija je najstabilnija, s težim i manje stabilnim česticama koje se nalaze u drugoj i trećoj generaciji.

Ostale komponente standardnog modela su sile i čestice nosača, poznate kaobozoni. Svaka od četiri temeljne sile - gravitacija, elektromagnetska, jaka i slaba - povezana je s bozonom koji prenosi silu u razmjeni s česticama materije.

Fizičari čestica koji rade na akceleratorima ili promatraju sudare čestica visoke energije iz svemira identificirali su bozone za posljednje tri sile.Foton je bozon koji nosi elektromagnetsku silu u svemiru,gluonkarijes snažne sile iWiZčestice nose slabu silu. Ali teoretski bozon za gravitaciju,graviton, ostaje nedostižan.

​Zračenje crnog tijela.Crna tijela su hipotetička vrsta predmeta (savršeni ne postoje u prirodi) koji apsorbiraju sve elektromagnetsko zračenje koje ih pogađa. U osnovi, svako elektromagnetsko zračenje koje udara u crno tijelo služi za njegovo zagrijavanje i zračenje koje ono odaje tijekom hlađenja izravno je povezano s njegovom temperaturom. Fizičari mogu koristiti ovu aproksimaciju za utvrđivanje svojstava gotovo savršenih crnih tijela u svemiru, poput zvijezda i crnih rupa.

Iako valovna priroda svjetlosti pomaže u opisivanju frekvencija zračenja crnih tijela koje će objekt apsorbirati i emitirati, njegovo priroda čestica kao foton također je pomaže opisati matematički, jer se energije koje crno tijelo može sadržavati kvantiziraju. Max Planck bio je među prvima koji je istražio ovaj fenomen.

​Eksperiment s dvostrukim prorezima.Središnje načelo kvantne fizike, eksperiment s dvostrukim prorezima pokazuje kako sjaj svjetlosti na barijeri s dva uska otvora rezultira prepoznatljivim uzorkom svijetlih i tamnih sjena poznatih kaouzorak interferencije valova​.

Neobičan dio ovoga jest da će se jedan foton prikazan kroz otvor i dalje ponašati kao da ometa ostale fotone, unatoč tome što je sam i nedjeljiv. To znači da se svjetlosni obrazac uočen u eksperimentu ne može objasniti tretiranjem svjetlosti kao samo fotona ili vala; mora se smatrati i jednim i drugim. Ovaj se eksperiment često navodi u objašnjenju što se podrazumijeva podrazumijevanjem dualnosti valnih čestica.

​Comptonov efekt.Comptonov efekt je još jedan vidljiv primjer međusobnog djelovanja valova svjetlosti i prirode čestica. Opisuje kako se čuvaju i energija i zamah kad se foton sudari sa stacionarnim elektronom. Kombinacija jednadžbe za količinu energije fotona s jednadžbama očuvanja količine gibanja pokazuje da rezultirajući valnu duljinu odlazećeg fotona (početno još uvijek elektrona) možemo predvidjeti valnom duljinom dolaznog fotona koji je dao to energija.

​Spektroskopija.Tehnika spektroskopije omogućuje fizičarima, kemičarima, astronomima i drugim znanstvenicima da istraže sastav materijala objekt, uključujući udaljene zvijezde, jednostavnom analizom uzoraka koji nastaju dijeljenjem dolazne svjetlosti s tog objekta pomoću a prizma. Budući da različiti elementi apsorbiraju i emitiraju fotone u diskretnim kvantima, promatrane elektromagnetske valne duljine padaju u diskretne segmente, ovisno o tome koje elemente sadrže objekti.

​Ekvivalencija masa-energija.Dosta djece može recitirati Einsteinovu poznatu jednadžbuE = mc². Kratke i slatke, istinske implikacije ove jednadžbe duboke su:Masami energijeEsu ekvivalentnei mogu se pretvoriti jedni u druge pomoću brzine svjetlosti u vakuumu,c, na kvadrat. To važno podrazumijeva da objekt koji se ne kreće još uvijek ima energiju; u ovom slučaju njegovmasa za odmorkaže se da je jednak njegovomenergija odmora​.

Fizičari čestica koriste ekvivalenciju mase i energije kako bi odredili jednostavnije jedinice za neka od svojih mjerenja. Na primjer, kvantni fizičari traže mase fermiona ili bozona ubrzavajući subatomske čestice poput protona i elektrona do brzine skoro svjetlosti u divovskim akceleratorima i međusobno ih razbijajući, a zatim analizirajući učinke "krhotina" u visoko osjetljivim električnim nizovi.

Umjesto davanja mase u kilogramima, uobičajeni način izvještavanja o masi čestica je u giga-elektron-voltima ili GeV, jedinici energije. Da bi ovu vrijednost vratili masi u SI jedinici kilograma, oni mogu koristiti ovaj jednostavan odnos: 1 GeV /c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.