Fotoni (quantizzazione): definizione, proprietà e dualità onda-particella

La luce è probabilmente uno degli argomenti più strani che uno studente di fisica incontrerà. La cosa più veloce nell'universo è in qualche modo sia una particella che un'onda e mostra le proprietà uniche di entrambe allo stesso tempo. Ma cosaèleggero?

Capire cosa?fotonisono e cosa?quantizzazionemezzi è fondamentale per comprendere la natura della luce, la fisica quantistica e una miriade di fenomeni correlati.

I fotoni sono il nome formale delle particelle di luce. Possono essere visibili agli umani o meno, poiché qui il termineleggeroviene utilizzato in senso fisico, il che significa che un fotone è una particella di radiazione elettromagnetica a qualsiasi frequenza dello spettro, dalle onde radio ai raggi gamma.

I fotoni sono aquantizzatoparticella. Ciò significa che esistono solo in quantità discrete di energia, piuttosto che qualsiasi quantità di energia nel mezzo. Quando si considera la descrizione più orientata alla chimica di un fotone come l'energia rilasciata quando un elettrone cade a un livello di energia inferiore nell'atomo, questo ha senso: gli elettroni possono trovarsi solo in orbitali specifici, o energia livelli. Non ci sono mezzi passi. Quindi, se un fotone è il risultato di una "caduta di elettroni", anche un fotone deve avere una quantità di energia specifica, o quanti.

Albert Einstein introdusse la nozione di quanti di luce (fotoni) in un articolo del 1905. Uno dei quattro articoli che ha pubblicato quell'anno che ha rivoluzionato la scienza, questa è stata l'idea che gli è valsa il Premio Nobel.

Come accennato in precedenza, la luce si riferisce a qualsiasi tipo di radiazione elettromagnetica, i cui tipi si distinguono per le loro diverse frequenze (o lunghezze d'onda). Essendo queste due misure caratteristiche delle onde, ne consegue che la luce deve essere unOnda elettromagnetica.​

Ma aspetta - nella sezione precedente dell'articolo la luce è stata introdotta come aparticella, il fotone, non come un'onda. Questo è corretto. La strana natura della luce è quella di esistere in quella che viene chiamata dualità onda-particella:È sia un'onda che una particella.​

Pertanto sia "onda elettromagnetica" che "fotone" sono descrittori accettabili di luce. Di solito la prima frase è usata per descrivere la luce quando lo èagendo come un'ondae quest'ultimo termine quando èagendo come una particella​.

Questo diventa importante a seconda dei fenomeni che un fisico sta esaminando. In certe situazioni e in certi esperimenti, i fotoni si comportano come i fisici si aspettano che le particelle agiscano, per esempio, quando osservano l'effetto fotoelettrico. In altre situazioni ed esperimenti, la luce agisce più come onde, come quando modula una stazione radio.

Tutto ciò che è limitato a valori discreti anziché esistere su uno spettro continuo è in fase di quantizzazione.

La quantizzazione in un atomo spiega che la quantità di energia che può essere emessa sotto forma di fotone avverrà solo in multipli della costante di Planck dell'unità elementare,h= 6,6262 x 10 ^-34 joule-secondi

Questa unità, scoperta da Max Planck alla fine del 1800, è una delle unità più bizzarre e importanti della fisica. Descrive la relazione tra la frequenza di un'onda-particella e il suo livello di energia, e quindi pone un limite inferiore inferiore alla certezza con cui possiamo comprendere la struttura della materia.

Una delle più grandi ramificazioni della conoscenza di questo limite, che ha anche aiutato a iniziare il campo di studio strano ma reale noto come fisica quantistica, è che ai più piccoli livelli subatomici la posizione delle particelle è descrivibile solo come a probabilità. In altre parole, solo la posizione di una particella subatomicaola velocità può essere conosciuta con certezza in un dato momento, manon entrambi​.

Definire i quantihportano ad un'equazione per l'energia di un fotone:

dove l'energiaEè in joule (J), la costante di Planckhè in joule-secondo (Js) e frequenzafè in hertz (Hz).

La maggior parte delle persone probabilmente pensa alle particelle come a minuscole unità di materia, che sono dimensionate in base alle loro masse. Ciò rende la forma particellare della luce una bestia particolarmente strana poiché, come unità di energia pura, un fotone ha massa zero.

Un'altra importante proprietà dei fotoni è che viaggiano sempre alla velocità della luce, ~ 300.000.000 m/s nel vuoto dello spazio vuoto. La luce può viaggiare più lentamente di così: ogni volta che incontra altra materia interagisce con essa e rallenta, in modo che più denso è il materiale attraverso il quale la luce viaggia, più lentamente va. Tuttavia,niente nell'universo può viaggiare più veloce della luce. Non il razzo più veloce né la particella atomica più accelerata.

• La velocità della luce, ~300.000.000 m/s, è la più veloce che qualsiasi cosa possa viaggiare. Questo è il motivo per cui viene anche chiamato il limite di velocità dell'universo.

In questo modo, la comprensione della luce è fondamentale per comprendere i limiti fondamentali dell'universo stesso, dal più grande al più piccolo.

Anche se la luce viaggia sempre allo stesso modovelocitàin un dato mezzo, come forma di radiazione elettromagnetica, può avere differentifrequenzeolunghezze d'onda. Le frequenze e le lunghezze d'onda della luce come onde elettromagnetiche cambiano inversamente l'una con l'altra lungo uno spettro.

Alla lunghezza d'onda più lunga e all'estremità della frequenza più bassa ci sono le onde radio, dopo di che arrivano microonde, infrarossi, visibili luce, ultravioletto, raggi X e raggi gamma ad alta energia, ciascuno con lunghezze d'onda progressivamente più corte e superiori frequenze.

I fisici negli anni '30 iniziarono a imparare che tutta la materia dell'universo è composta da pochi particelle fondamentali, note come particelle elementari, che sono tutte governate dallo stesso insieme di forze fondamentali. IlModello standarddella fisica delle particelle è un insieme di equazioni che tentano di descrivere succintamente come si relazionano tutte queste particelle elementari e le forze fondamentali. La luce è un pezzo fondamentale di questa descrizione universale.

In sviluppo dagli anni '70, il Modello Standard ha finora previsto correttamente i risultati di molti, anche se non tutti, esperimenti di fisica quantistica. Un problema evidente ancora da risolvere nel modello è come incorporare la gravità nell'insieme delle equazioni. Inoltre, non riesce a fornire risposte su alcune grandi domande cosmologiche, incluso capire cosa sia la materia oscura o dove sia scomparsa tutta l'antimateria creata nel Big Bang. Tuttavia, è ampiamente accettata e considerata la migliore teoria per spiegare la natura fondamentale della nostra esistenza fino ad oggi.

Nel Modello Standard, tutta la materia è costituita da una classe di particelle elementari chiamatefermioni. I fermioni sono di due tipi:quarkoleptoni. Ognuna di queste categorie è ulteriormente suddivisa in sei particelle, collegate in coppie note comegenerazioni. La prima generazione è la più stabile, con particelle più pesanti e meno stabili che si trovano nella seconda e terza generazione.

Gli altri componenti del modello standard sono le forze e le particelle portatrici, note comebosoni. Ciascuna delle quattro forze fondamentali – gravità, elettromagnetica, forte e debole – è associata a un bosone che veicola la forza negli scambi con le particelle di materia.

I fisici delle particelle che lavorano agli acceleratori o osservano le collisioni di particelle ad alta energia dallo spazio hanno identificato i bosoni per le ultime tre forze.Il fotone è il bosone che trasporta la forza elettromagnetica nell'universo, ilgluonecarie la forza forte e ilWeZle particelle trasportano la forza debole. Ma il bosone teorico per la gravità, ilgravitone, resta inafferrabile.

​Radiazione del corpo nero.I corpi neri sono un ipotetico tipo di oggetti (quelli perfetti non esistono in natura) che assorbono tutta la radiazione elettromagnetica che li colpisce. In sostanza, qualsiasi radiazione elettromagnetica che colpisce un corpo nero serve a riscaldarlo e la radiazione che emette durante il raffreddamento è quindi direttamente correlata alla sua temperatura. I fisici possono usare questa approssimazione per dedurre le proprietà dei corpi neri quasi perfetti nell'universo, come stelle e buchi neri.

Mentre la natura ondulatoria della luce aiuta a descrivere le frequenze della radiazione del corpo nero che un oggetto assorbirà ed emetterà, la sua la natura delle particelle come fotone aiuta anche a descriverla matematicamente, poiché le energie che il corpo nero può contenere sono quantizzate. Max Planck è stato tra i primi a indagare su questo fenomeno.

​L'esperimento della doppia fenditura.Un principio centrale della fisica quantistica, l'esperimento della doppia fenditura mostra come far brillare una luce su una barriera con due aperture strette si traduce in uno schema distintivo di ombre chiare e scure noto comemodello di interferenza delle onde​.

La parte strana di questo è che un singolo fotone mostrato attraverso l'apertura si comporterà ancora come se stesse interferendo con altri fotoni, nonostante sia solo e indivisibile. Questo per dire che il modello di luce osservato nell'esperimento non può essere spiegato trattando la luce solo come un fotone o un'onda; vanno considerati entrambi. Questo esperimento è spesso citato per spiegare cosa si intende con l'idea di dualità onda-particella.

​L'effetto ComptonL'effetto Compton è un altro esempio osservabile dell'interazione tra l'onda della luce e la natura delle particelle. Descrive come si conservano sia l'energia che la quantità di moto quando un fotone si scontra con un elettrone stazionario. Combinando l'equazione per la quantità di energia di un fotone con le equazioni di conservazione della quantità di moto mostra che il risultante la lunghezza d'onda del fotone in uscita (l'elettrone inizialmente fermo) può essere prevista dalla lunghezza d'onda del fotone in entrata che ha dato è energia.

​Spettroscopia.La tecnica della spettroscopia consente a fisici, chimici, astronomi e altri scienziati di studiare la composizione materiale di un oggetto, comprese le stelle lontane, semplicemente analizzando i modelli che risultano dalla scissione della luce in arrivo da quell'oggetto con a prisma. Poiché diversi elementi assorbono ed emettono fotoni in quanti discreti, le lunghezze d'onda elettromagnetiche osservate cadono in segmenti discreti a seconda di quali elementi contengono gli oggetti.

​Equivalenza massa-energia.Molti bambini sanno recitare la famosa equazione di EinsteinE = mc². Breve e dolce, le vere implicazioni di questa equazione sono profonde:Massamed energiaEsono equivalentie possono essere convertiti l'uno nell'altro usando la velocità della luce nel vuoto,c, quadrato. Ciò implica importante che un oggetto che non si muove ha ancora energia; in questo caso èmassa a ripososi dice che sia uguale aenergia di riposo​.

I fisici delle particelle usano l'equivalenza massa-energia per determinare unità più semplici per alcune delle loro misurazioni. Ad esempio, i fisici quantistici cercano le masse di fermioni o bosoni accelerando particelle subatomiche come protoni ed elettroni per velocità prossime alla luce in acceleratori giganti e schiacciandoli insieme, e quindi analizzando gli effetti dei "detriti" in apparecchiature elettriche altamente sensibili matrici.

Invece di dare una massa in chilogrammi, tuttavia, il modo comune di riportare le masse delle particelle è in giga-elettronvolt, o GeV, un'unità di energia. Per restituire questo valore a una massa nell'unità SI di chilogrammi, possono usare questa semplice relazione: 1 GeV/c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ K.