A fény vitathatatlanul az egyik legfurcsább téma, amellyel a fizikus hallgató találkozni fog. A leggyorsabb dolog az univerzumban valahogy mind a részecske, mind a hullám - és egyszerre mutatja mindkettő egyedi tulajdonságait. De mi vanvanfény?
Megérteni mitfotonokvannak és mikvantálásAz eszköz alapvető fontosságú a fény, a kvantumfizika és a számtalan kapcsolódó jelenség természetének megértésében.
Mik a fotonok?
A fotonok a fényrészecskék hivatalos neve. Láthatóak lehetnek az emberek számára, vagy sem, hiszen itt ez a kifejezésfényfizikai értelemben használatos, ami azt jelenti, hogy a foton az elektromágneses sugárzás részecskéje a spektrum bármely frekvenciáján, a rádióhullámoktól a gammasugarakig.
A fotonok aszámszerűsítverészecske. Ez azt jelenti, hogy csak különálló mennyiségű energiában léteznek, nem pedig bármilyen mennyiségű energiában. Ha figyelembe vesszük a foton kémia-orientáltabb leírását, mint az elektron leesésekor felszabaduló energiát az atom alacsonyabb energiaszintjéig ennek van értelme: Az elektronok csak meghatározott pályákon vagy energiában lehetnek szintek. Nincsenek féllépések. Tehát, ha egy foton egy "eső elektron" eredménye, akkor a fotonnak is csak meghatározott energiamennyiségekben, vagy kvantumokban kell lennie.
Albert Einstein egy 1905-ös cikkben vezette be a fénykvanták (fotonok) fogalmát. Abban az évben megjelent négy írása közül, amely forradalmasította a tudományt, ez az ötlet nyerte el a Nobel-díjat.
Hullám-részecske kettősség
Mint korábban említettük, a fény bármilyen típusú elektromágneses sugárzásra utal, amelyek típusait különböző frekvenciájuk (vagy hullámhosszuk) különbözteti meg. E két intézkedés a hullámok jellemzője, ezért a fénynek egyelektromágneses hullám.
De várjon - a cikk előző szakaszában a fényt arészecske, a foton, nem hullámként. Ez helyes. A fény furcsa természete abban áll, hogy az úgynevezett hullám-részecske kettősség:Ez egyszerre hullám és részecske.
Ezért mind az "elektromágneses hullám", mind a "foton" elfogadható fényleíró. Általában az első kifejezést a fény leírására használják, amikor az vanhullámként viselkedikés ez utóbbi kifejezés, amikor vanrészecskeként viselkedik.
Ez a fizikus által vizsgált jelenségektől függően válik fontossá. Bizonyos helyzetekben és bizonyos kísérletek során a fotonok úgy viselkednek, mint a fizikusok a részecskék hatására, például a fotoelektromos hatás megfigyelésekor. Más helyzetekben és kísérletekben a fény inkább hullámként viselkedik, például egy rádióállomás modulálásakor.
Mi a kvantálás?
Minden, ami diszkrét értékekre korlátozódik, nem pedig folyamatos spektrumon létezik, kvantálás alatt áll.
Az atomban történő kvantálás megmagyarázza, hogy a foton formájában kibocsátható energiamennyiség csak a Planck-féle elemi konstans többszörösében fordul elő,h= 6,6262 x 10 -34 joule-másodperc
Ez az egység, amelyet Max Planck fedezett fel az 1800-as évek végén, a fizika egyik legbizarabb és legfontosabb egysége. Leírja a hullám-részecske frekvenciája és energiaszintje közötti kapcsolatot, és ezáltal alsó alsó határt szab annak a bizonyosságnak, amellyel megérthetjük az anyag szerkezetét.
Az egyik legnagyobb következménye ennek a határnak az ismeretében, amely szintén segítette a furcsa, de valós kutatási terület megkezdését kvantumfizika, hogy a legkisebb szubatomi szinteken a részecskék helyzete csak a-ként írható le valószínűség. Másképp fogalmazva, csak egy szubatomi részecske helyzetevagya sebesség bármikor biztosan megismerhető, denem mindkettő.
A kvantumok meghatározásaha foton energiájának egyenletéhez vezet:
E = hf
ahol az energiaEjoule-ban van (J), Planck állandójahjoule-másodpercben (Js) és frekvenciában van megadvafhertzben (Hz) van.
A fotonok és az elektromágneses sugárzás tulajdonságai
A legtöbb ember valószínűleg úgy gondolja, hogy a részecskék apró anyagegységek, amelyek tömegük szerint vannak méretezve. Ez a fény részecske-formáját különös vadállattá teszi, mivel a tiszta energia egységeként a fotonnak nulla a tömege.
A fotonok másik fontos tulajdonsága, hogy mindig fénysebességgel haladnak, ~ 300 000 000 m / s az üres tér vákuumában. A fény ennél lassabban haladhat - bármikor, amikor más anyagokkal találkozik, kölcsönhatásba lép és lassul, így minél sűrűbb az anyag, amelyen keresztül a fény halad, annál lassabban halad. Azonban,az univerzumban semmi sem tud gyorsabban haladni, mint a fény. Nem a leggyorsabb rakéta, és nem is a leggyorsabb atomrészecske.
Tippek
A fénysebesség, ~ 300 000 000 m / s, a leggyorsabb, amit bármi képes megtenni. Ezért emlegetik az univerzum sebességkorlátozásaként is.
Ily módon a fény megértése kritikus fontosságú a világegyetem alapvető határainak megértéséhez, a legnagyobbtól a legkisebbig.
Bár a fény mindig ugyanabban az időben haladsebességegy adott közegben az elektromágneses sugárzás egyik formájaként eltérő lehetfrekvenciákvagyhullámhosszak. A fény frekvenciái és hullámhosszai, amikor az elektromágneses hullámok fordítottan változnak egymással egy spektrum mentén.
A leghosszabb hullámhosszon és a legalacsonyabb frekvenciájú végén rádióhullámok találhatók, amelyek után mikrohullámú, infravörös, látható fény, ultraibolya, röntgen és nagy energiájú gammasugarak, mindegyik fokozatosan rövidebb hullámhosszú és magasabb frekvenciák.
Elemi részecskék és a részecskefizika standard modellje
A fizikusok az 1930-as években kezdték megtanulni, hogy az univerzum összes anyaga kevésből áll alapvető részecskék, úgynevezett elemi részecskék, amelyek mindegyikét ugyanazon halmaz szabályozza alapvető erők. ANormál modellA részecskefizika egy olyan egyenletkészlet, amely megpróbálja tömören leírni, hogyan viszonyulnak ezek az elemi részecskék és az alapvető erők. A fény kritikus része ennek az egyetemes leírásnak.
Az 1970-es évek óta tartó fejlesztés során a standard modell eddig helyesen jósolta meg sok, bár nem az összes, kvantumfizikai kísérlet eredményét. A modellben egyelőre megoldatlan probléma, hogy a gravitációt hogyan lehet beépíteni az egyenlethalmazba. Ezenkívül nem tud választ adni néhány nagy kozmológiai kérdésre, beleértve azt sem, hogy kiderítse, mi a sötét anyag, vagy hova tűnt el az ősrobbanásban létrehozott összes antianyag. Ennek ellenére széles körben elfogadott és a legjobb elmélet a létezésünk alapvető természetének magyarázatához.
A standard modellben minden anyag az úgynevezett elemi részecskék osztályából állfermionok. A fermionoknak két típusa van:kvarkokvagyleptonok. Ezen kategóriák mindegyike további hat részecskére oszlik, amelyek páronként ismertekgenerációk. Az első generáció a legstabilabb, nehezebb és kevésbé stabil részecskék találhatók a második és a harmadik generációban.
A standard modell további összetevői az erők és a hordozó részecskék, az úgynevezettbozonok. A négy alapvető erő - a gravitáció, az elektromágneses, az erős és a gyenge - mindegyikéhez kapcsolódik egy bozon, amely az anyagot részecskékkel cserélve továbbítja az erőt.
A gyorsítóknál dolgozó részecskefizikusok, vagy az űrből érkező nagy energiájú részecske-ütközésekre figyelnek, boszonokat azonosítottak az utóbbi három erő számára.A foton az a bozon, amely az elektromágneses erőt hordozza az univerzumban, agluoncaries az erős erőt és aWésZrészecskék hordozzák a gyenge erőt. De a gravitáció elméleti bozonja, agraviton, megfoghatatlan marad.
Kiválasztott fényjelenségek
Fekete test sugárzás.A feketetestek hipotetikus típusú objektumok (tökéletesek a természetben nem léteznek), amelyek elnyelik az őket elütő összes elektromágneses sugárzást. Lényegében minden, a feketetestet elütő elektromágneses sugárzás annak melegítésére szolgál, és a sugárzás, amelyet hűtés közben ad ki, közvetlenül összefügg a hőmérsékletével. A fizikusok ezt a közelítést felhasználhatják a világegyetem szinte tökéletes feketetestjeinek, például a csillagoknak és a fekete lyukaknak a tulajdonságainak levezetésére.
Míg a fény hullám jellege segít leírni a fekete test sugárzás frekvenciáit, amelyeket egy tárgy elnyel és kibocsájt, annak a részecske jellege, mint foton, segít matematikailag is leírni, mivel a feketetest energiáit kvantálják. Max Planck az elsők között vizsgálta ezt a jelenséget.
A kettős réses kísérlet.A kvantumfizika központi tétele, a kettős réses kísérlet azt mutatja be, hogy a két keskeny nyílással rendelkező korlátra való fény megvilágítása a világos és sötét árnyékok jellegzetes mintázatát eredményezihullám interferencia mintázat.
Ennek furcsa része, hogy egyetlen nyíláson keresztül látható foton akkor is úgy fog viselkedni, mintha interferálna más fotonokkal, annak ellenére, hogy egyedül van és oszthatatlan. Ez azt jelenti, hogy a kísérlet során megfigyelt fényminta nem magyarázható azzal, hogy a fényt csak fotonnak vagy hullámnak kezeljük; mindkettőt figyelembe kell venni. Erre a kísérletre gyakran hivatkoznak a hullám-részecske kettősség gondolata alatt.
A Compton-effektus.A Compton-effektus egy másik megfigyelhető példa a fényhullám és a részecske-természet kölcsönhatására. Leírja, hogyan konzerválódik mind az energia, mind a lendület, amikor egy foton ütközik egy álló elektronnal. A foton energiamennyiségének és a lendületmegőrzési egyenleteknek az egyenletét kombinálva kiderül, hogy az eredmény a kimenő foton (az eredetileg még mindig álló elektron) hullámhossza megjósolható a bejövő foton hullámhosszával, amely ez az energia.
Spektroszkópia.A spektroszkópia technikája lehetővé teszi a fizikusok, vegyészek, csillagászok és más tudósok számára, hogy objektum, beleértve a távoli csillagokat is, egyszerűen annak a mintázatnak az elemzésével, amely abból a tárgyból származó bejövő fénynek a prizma. Mivel a különböző elemek diszkrét kvantumokban szívják fel és bocsátják ki a fotonokat, a megfigyelt elektromágneses hullámhosszak diszkrét szegmensekbe esnek, attól függően, hogy az objektumok milyen elemeket tartalmaznak.
Tömeg-energia egyenértékűség.Rengeteg gyerek tudja elmondani Einstein híres egyenletétE = mc2. Rövid és édes, ennek az egyenletnek valódi következményei mélyek:Tömegmés energiaEegyenértékűekés a fény vákuumban történő sebességével átalakíthatók egymásba,c, négyzetre. Ez fontos azt jelenti, hogy egy nem mozgó tárgynak van energiája; ebben az esetben annakpihenő tömegállítólag egyenlő annaknyugalmi energia.
A részecskefizikusok tömeg-energia egyenértékűséggel határozzák meg egyes méréseik egyszerűbb mértékegységeit. Például a kvantumfizikusok a fermionok vagy bozonok tömegét keresik azáltal, hogy szubatomi részecskéket, például protonokat és elektronokat gyorsítanak fel fényközeli sebességet óriási gyorsítókban és összetörve, majd elemezve a "törmelék" hatásait nagyon érzékeny elektromos tömbök.
A tömeg kilogrammokban való megadása helyett a részecsketömegek jelentésének általános módja giga-elektron-volt vagy GeV, energiaegység. Ha ezt az értéket vissza akarják adni egy tömegre SI-egységben, kilogrammban, használhatják ezt az egyszerű összefüggést:c2 = 1.78266192×10−27 k.
