Az elektromágneses sugárzás (fény) részecske-hullám kettősségének megértése alapvető fontosságú a kvantumelmélet és más jelenségek, valamint a fény természetének megértéséhez. Az előző évszázad egyik legnagyobb tudományos fejleménye az volt a felfedezés, hogy a nagyon apró tárgyak nem tartják be ugyanazokat a szabályokat, mint a mindennapi tárgyak.
Mik azok az elektromágneses hullámok?
Világos értelemben az elektromágneses hullámokat egyszerűen fénynek nevezik, bár a fény kifejezést néha a látható fény meghatározására használják (amit a szemmel érzékelni lehet), máskor pedig általánosabban használják az elektromágneses formák minden formájára sugárzás.
Az elektromágneses hullámok teljes megértéséhez fontos megérteni a mező fogalmát, valamint az elektromosság és a mágnesesség kapcsolatát. Ezt részletesebben a következő szakaszban fejtjük ki, de lényegében az elektromágneses hullámok (fényhullámok) elektromos mágneses hullámból áll, amely a mágneses mezőre merőleges (derékszögben) síkban oszcillál hullám.
Ha az elektromágneses sugárzás hullámként működik, akkor minden egyes elektromágneses hullámhoz frekvencia és hullámhossz tartozik. A frekvencia a másodpercenkénti rezgések száma, hercben (Hz) mérve, ahol 1 Hz = 1 / s. A hullámhossz a hullámgerincek közötti távolság. A frekvencia és a hullámhossz szorzata adja meg a hullámsebességet, amely vákuumban való fény esetén körülbelül 3 × 108 Kisasszony.
A legtöbb hullámtól (például a hanghullámoktól) eltérően az elektromágneses hullámokhoz nincs szükség közegre, amelyen keresztül lehet terjed, és ezáltal áthaladhat az üres tér vákuumában, amit fénysebességgel tesznek meg - a leggyorsabb sebesség a világegyetem!
Terek és elektromágnesesség
Egy mezőt úgy lehet felfogni, mint egy láthatatlan vektor-tömböt, amely a tér minden pontján egy-egy jelzi annak az erőnek a relatív nagyságát és irányát, amelyet egy tárgy érezne, ha az adott pontra helyezné. Például egy gravitációs mező a föld felszíne közelében egy vektorból állna a tér minden pontján, amely közvetlenül a föld közepe felé mutat. Ugyanazon a magasságon ezeknek a vektoroknak ugyanaz a nagysága.
Ha egy tömeget egy adott pontra helyeznének, akkor az általa érzett gravitációs erő a tömegétől és az ott lévő mező értékétől függ. Az elektromos mezők és a mágneses mezők ugyanúgy működnek, kivéve, ha a tárgy helyett a tárgy töltésétől és a mágneses momentumától függő erőket alkalmazzák.
Az elektromos mező közvetlenül a töltések létezéséből származik, ahogy a gravitációs mező is közvetlenül a tömegből. A mágnesesség forrása azonban a mozgó töltésből (vagy ekvivalens módon az elektromos mezők megváltoztatásából) származik.
Az 1860-as években James Clerk Maxwell fizikus négy egyenlet halmazát dolgozta ki, amely teljesen leírta az elektromosság és a mágnesesség kapcsolatát. Ezek az egyenletek alapvetően megmutatták, hogyan generálják az elektromos mezőket a töltések, hogyan nem léteznek alapvető mágneses monopólusok, hogyan a változó mágneses mezők elektromos teret generálhatnak, és az áram vagy a változó elektromos mezők miként képesek mágneseset létrehozni mezők.
Röviddel ezen egyenletek levezetése után megoldást találtak egy önmagában terjedő elektromágneses hullám leírására. Az előrejelzések szerint ez a hullám fénysebességgel mozog, és valóban kiderült, hogy valóban könnyű!
Az elektromágneses spektrum
Az elektromágneses hullámok sokféle hullámhosszon és frekvencián jöhetnek, amennyiben az adott hullám hullámhosszának és frekvenciájának szorzata megegyezikc, a fénysebesség. Az elektromágneses sugárzás formái a következők: (hosszabb hullámhosszaktól / alacsony energiától rövidebb hullámhosszig / nagy energiáig):
- Rádióhullámok (0,187 m - 600 m)
- Mikrohullámok (1 mm - 187 mm)
- Infravörös hullámok (750 nm - 1 mm)
- Látható fény (400 nm - 750 nm; ezeket a hullámhosszakat az emberi szem detektálja, és gyakran látható spektrumra oszlik fel)
- Ultraibolya fény (10 nm - 400 nm)
- Röntgen (10-12 m - 10 nm)
- Gammasugarak (<10-12 m)
Mik a fotonok?
A fotonok a kvantált fényrészecskék vagy az elektromágneses sugárzás neve. Albert Einstein a 20. század elején bemutatta a fénykvanták (fotonok) fogalmát.
A fotonok tömegtelenek, és nem tartják be a számmegőrzési törvényeket (vagyis létrehozhatók és megsemmisíthetők). Engedelmeskednek azonban az energiatakarékosságnak.
Valójában a fotonokat a részecskék osztályának tekintik, amelyek erőhordozók. A foton az elektromágneses erő közvetítője, és energiacsomagként működik, amely egyik helyről a másikra átvihető.
Valószínűleg arra gondolsz, hogy meglehetősen furcsa az elektromágneses hullámokról hirtelen részecskékként beszélni, mivel a hullámok és a részecskék két alapvetően különböző konstrukciónak tűnnek. Valóban, csak ez a fajta dolog teszi olyan furcsává a nagyon kicsi fizikáját. A következő néhány szakaszban a kvantálás és a részecske-hullám kettősség fogalmát tárgyaljuk részletesebben.
Hogyan keletkeznek elektromágneses hullámok vagy fotonok?
Az elektromágneses hullámok elektromos és mágneses mezők rezgéseiből származnak. Ha egy töltés egy huzal mentén előre-hátra mozog, akkor változó elektromos mezőt hoz létre, amely viszont változó mágneses teret hoz létre, amely aztán önmagában terjed.
Az atomok és molekulák, amelyek mozgó töltést tartalmaznak elektronfelhők formájában, érdekes módon képesek kölcsönhatásba lépni az elektromágneses sugárzással. Egy atomban az elektronok csak nagyon specifikus kvantált energiaállapotokban létezhetnek.
Ha egy elektron alacsonyabb energiaállapotban akar lenni, akkor ezt úgy teheti meg, hogy diszkrét elektromágneses sugárcsomagot bocsát ki az energia leadására. Fordítva: ahhoz, hogy egy másik energiaállapotba ugorhasson, ugyanennek az elektronnak egy nagyon specifikus diszkrét energiacsomagot is el kell nyelnie.
Az elektromágneses hullámhoz kapcsolódó energia a hullám frekvenciájától függ. Mint ilyen, az atomok csak nagyon specifikus elektromágneses sugárzási frekvenciákat képesek elnyelni és kibocsájtani, összhangban a hozzájuk kapcsolódó kvantált energiaszintekkel. Ezeket az energiacsomagokat únfotonok.
Mi a kvantálás?
Kvantálásarra utal, hogy valami diszkrét értékekre korlátozódik, és folytonos spektrummal versus. Amikor az atomok egyetlen fotont nyelnek el vagy bocsátanak ki, akkor ezt csak a kvantummechanika által leírt, nagyon specifikus kvantált energiaértékek mellett teszik meg. Ezt az „egyetlen fotont” valóban diszkrét hullámú „csomagként” lehet elképzelni.
Egy energiamennyiség csak egy elemi egység többszörösében bocsátható ki (Planck állandója)h). Az energiát összekapcsoló egyenletEegy foton frekvenciájára:
E = h \ nu
Holν(a görög nu betű) a foton frekvenciája és Planck állandójah = 6.62607015 × 10-34 Js.
Hullám-részecske kettősség
Hallani fogja, hogy az emberek használják a szavakatfotonéselektromágneses sugárzásfelcserélhető módon, bár úgy tűnik, hogy különböző dolgokról van szó. Amikor fotonokról beszélünk, az emberek általában ennek a jelenségnek a részecske tulajdonságairól beszélnek, míg amikor elektromágneses hullámokról vagy sugárzásról beszélnek, akkor a hullámhegyre beszélnek tulajdonságait.
A fotonok vagy az elektromágneses sugárzás úgynevezett részecske-hullám kettősséget mutat. Bizonyos helyzetekben és bizonyos kísérletek során a fotonok részecskeszerű viselkedést mutatnak. Ennek egyik példája a fotoelektromos hatás, ahol a felületet érő fénysugár elektronok felszabadulását okozza. Ennek a hatásnak a sajátosságait csak akkor lehet megérteni, ha a fényt különálló csomagként kezeljük, amelyet az elektronoknak el kell szívniuk ahhoz, hogy kibocsássanak.
Más helyzetekben és kísérletekben inkább hullámként viselkednek. Ennek kiváló példája az egy- vagy többréses kísérletekben megfigyelt interferencia-minták. Ezekben a kísérletekben a fény keskeny, szorosan elhelyezett réseken keresztül halad, amelyek több szakaszban működnek fényforrások, és ennek eredményeként olyan interferencia mintát eredményez, amely megfelel annak, amit a hullám.
Még furcsább, hogy nem a fotonok mutatják ezt a kettősséget. Valójában úgy tűnik, hogy minden alapvető részecske, még az elektron és a proton is, így viselkedik. Minél nagyobb a részecske, annál rövidebb a hullámhossza, és annál kevésbé jelenik meg ez a kettősség. Ezért nem vesz észre ilyesmit a mindennapi életben.