Comprendere la dualità particella-onda della radiazione elettromagnetica (luce) è fondamentale per comprendere la teoria quantistica e altri fenomeni, nonché la natura della luce. Uno dei più grandi sviluppi scientifici del secolo precedente è stata la scoperta che oggetti molto piccoli non obbedivano alle stesse regole degli oggetti di uso quotidiano.
Cosa sono le onde elettromagnetiche?
In parole povere, le onde elettromagnetiche sono semplicemente conosciute come luce, sebbene il termine luce sia talvolta usato per specificare la luce visibile visible (ciò che può essere rilevato dall'occhio), e altre volte è usato più in generale per riferirsi a tutte le forme di elettromagnetismo radiazione.
Per comprendere appieno le onde elettromagnetiche, è importante comprendere la nozione di campo e la relazione tra elettricità e magnetismo. Questo sarà spiegato più dettagliatamente nella prossima sezione, ma in sostanza, le onde elettromagnetiche (onde luminose) sono costituiti da un'onda di campo elettrico che oscilla in un piano perpendicolare (ad angolo retto) ad un campo magnetico onda.
Se la radiazione elettromagnetica agisce come un'onda, allora ogni particolare onda elettromagnetica avrà una frequenza e una lunghezza d'onda ad essa associate. La frequenza è il numero di oscillazioni al secondo, misurato in hertz (Hz) dove 1 Hz = 1/s. La lunghezza d'onda è la distanza tra le creste d'onda. Il prodotto della frequenza e della lunghezza d'onda fornisce la velocità dell'onda, che per la luce nel vuoto è di circa 3×108 SM.
A differenza della maggior parte delle onde (come le onde sonore, ad esempio), le onde elettromagnetiche non richiedono un mezzo attraverso il quale propagarsi, e quindi possono attraversare il vuoto dello spazio vuoto, cosa che fanno alla velocità della luce - la velocità più veloce nel universo!
Campi ed elettromagnetismo
Un campo può essere pensato come una matrice invisibile di vettori, uno in ogni punto dello spazio che indica la grandezza relativa e la direzione di una forza che un oggetto proverebbe se posizionato in quel punto. Ad esempio, un campo gravitazionale vicino alla superficie terrestre consisterebbe in un vettore in ogni punto dello spazio che punta direttamente verso il centro della terra. Alla stessa altitudine, tutti questi vettori avrebbero la stessa grandezza.
Se una massa dovesse essere posta in un dato punto, allora la forza gravitazionale che sente dipenderebbe dalla sua massa e dal valore del campo lì. I campi elettrici e magnetici funzionano allo stesso modo, tranne per il fatto che applicano forze dipendenti rispettivamente dalla carica e dal momento magnetico di un oggetto anziché dalla sua massa.
Il campo elettrico risulta direttamente dall'esistenza di cariche, proprio come il campo gravitazionale risulta direttamente dalla massa. La fonte del magnetismo, tuttavia, proviene dal movimento di carica (o equivalentemente dal cambiamento dei campi elettrici).
Nel 1860, il fisico James Clerk Maxwell sviluppò una serie di quattro equazioni che descrivevano completamente la relazione tra elettricità e magnetismo. Queste equazioni hanno fondamentalmente mostrato come i campi elettrici sono generati dalle cariche, come non esistono monopoli magnetici fondamentali, come campi magnetici variabili possono generare un campo elettrico e come i campi elettrici correnti o variabili possono generare campi magnetici campi.
Poco dopo la derivazione di queste equazioni, è stata trovata una soluzione che descrive un'onda elettromagnetica autopropagante. Si prevedeva che questa onda si muovesse alla velocità della luce, e in effetti si è rivelata effettivamente luce!
Lo spettro elettromagnetico
Le onde elettromagnetiche possono avere molte lunghezze d'onda e frequenze diverse, purché il prodotto della lunghezza d'onda e della frequenza di una data onda sia ugualec, la velocità della luce. Le forme di radiazione elettromagnetica includono (da lunghezze d'onda più lunghe/bassa energia a lunghezze d'onda più corte/alta energia):
- Onde radio (0,187 m - 600 m)
- Microonde (1 mm - 187 mm)
- Onde infrarosse (750 nm - 1 mm)
- Luce visibile (400 nm - 750 nm; queste lunghezze d'onda sono rilevabili dall'occhio umano e spesso suddivise in uno spettro visibile)
- Luce ultravioletta (10 nm - 400 nm)
- Raggi X (10-12 m - 10 nm)
- Raggi gamma (<10-12 m)
Cosa sono i fotoni?
I fotoni sono il nome di particelle luminose quantizzate o radiazioni elettromagnetiche. Albert Einstein ha introdotto la nozione di quanti di luce (fotoni) in un articolo dell'inizio del XX secolo.
I fotoni sono privi di massa e non obbediscono alle leggi di conservazione del numero (nel senso che possono essere creati e distrutti). Tuttavia, obbediscono alla conservazione dell'energia.
In effetti, i fotoni sono considerati in una classe di particelle che sono portatrici di forza. Il fotone è il mediatore della forza elettromagnetica e agisce come un pacchetto di energia che può essere trasferito da un luogo all'altro.
Probabilmente stai pensando che è piuttosto strano parlare improvvisamente di onde elettromagnetiche come particelle, dal momento che onde e particelle sembrano due costrutti fondamentalmente diversi. In effetti, è proprio questo genere di cose che rende così strana la fisica del molto piccolo. Nelle prossime sezioni verranno discusse in maggior dettaglio le nozioni di quantizzazione e dualità particella-onda.
Come vengono prodotte le onde elettromagnetiche o i fotoni?
Le onde elettromagnetiche derivano da oscillazioni nei campi elettrici e magnetici. Se una carica si muove avanti e indietro lungo un filo, crea un campo elettrico variabile, che a sua volta crea un campo magnetico variabile, che poi si autopropaga.
Atomi e molecole, che contengono cariche in movimento sotto forma di nuvole di elettroni, sono in grado di interagire con la radiazione elettromagnetica in modi interessanti. In un atomo, gli elettroni possono esistere solo in stati energetici quantizzati molto specifici.
Se un elettrone vuole essere in uno stato di energia inferiore, può farlo emettendo un pacchetto discreto di radiazione elettromagnetica per trasportare l'energia. Al contrario, per saltare in un altro stato energetico, quello stesso elettrone deve assorbire anche un pacchetto discreto di energia molto specifico.
L'energia associata a un'onda elettromagnetica dipende dalla frequenza dell'onda. In quanto tali, gli atomi possono assorbire ed emettere solo frequenze molto specifiche di radiazione elettromagnetica coerenti con i loro livelli di energia quantizzata associati. Questi pacchetti di energia sono chiamatifotoni.
Che cos'è la quantizzazione?
Quantizzazionesi riferisce a qualcosa che è limitato a valori discreti rispetto a uno spettro continuo. Quando gli atomi assorbono o emettono un singolo fotone, lo fanno solo a valori di energia quantizzata molto specifici descritti dalla meccanica quantistica. Questo "singolo fotone" può davvero essere pensato come un "pacchetto" di onde discrete.
Una quantità di energia può essere emessa solo in multipli di un'unità elementare (costante di Planckh). L'equazione che mette in relazione l'energiaEdi un fotone alla sua frequenza è:
E=h\nu
Doveν(la lettera greca nu) è la frequenza del fotone e la costante di Planckh = 6.62607015 × 10-34 Js.
Dualità onda-particella
Sentirai le persone usare le parolefotoneeradiazioni elettromagnetichein modo intercambiabile, anche se sembra che siano cose diverse. Quando si parla di fotoni, le persone in genere parlano delle proprietà delle particelle di questo fenomeno, mentre quando parlano di onde elettromagnetiche o radiazioni, si riferiscono all'onde proprietà.
I fotoni o le radiazioni elettromagnetiche mostrano quella che viene chiamata dualità particella-onda. In determinate situazioni e in determinati esperimenti, i fotoni mostrano un comportamento simile a quello delle particelle. Un esempio di ciò è nell'effetto fotoelettrico, dove un raggio di luce che colpisce una superficie provoca il rilascio di elettroni. Le specifiche di questo effetto possono essere comprese solo se la luce viene trattata come pacchetti discreti che gli elettroni devono assorbire per essere emessi.
In altre situazioni ed esperimenti, agiscono più come onde. Un primo esempio di ciò sono i modelli di interferenza osservati negli esperimenti a fenditura singola o multipla. In questi esperimenti, la luce viaggia attraverso fessure strette e ravvicinate, che agiscono come multiple in fase sorgenti luminose e, di conseguenza, produce uno schema di interferenza coerente con quello che vedresti in a onda.
Ancora più strano, i fotoni non sono l'unica cosa che mostra questa dualità. In effetti, tutte le particelle fondamentali, anche elettroni e protoni, sembrano comportarsi in questo modo. Più grande è la particella, più corta è la sua lunghezza d'onda e meno apparirà questa dualità. Questo è il motivo per cui non si nota nulla di simile nella vita di tutti i giorni.
