הבנת הדואליות של גל החלקיקים של קרינה אלקטרומגנטית (אור) היא בסיסית להבנת תורת הקוונטים ותופעות אחרות כמו גם אופי האור. אחת ההתפתחויות המדעיות הגדולות ביותר במאה הקודמת הייתה הגילוי שחפצים קטנים מאוד אינם מצייתים לאותם חוקים כמו חפצים יומיומיים.
מהם גלים אלקטרומגנטיים?
במילים פשוטות, גלים אלקטרומגנטיים מכונים פשוט אור, אם כי לפעמים משתמשים במונח אור לציון האור הנראה (זה שניתן לגלות בעין), ובפעמים אחרות משתמשים באופן כללי יותר בכדי להתייחס לכל צורות האלקטרומגנטיות קְרִינָה.
כדי להבין באופן מלא גלים אלקטרומגנטיים, חשוב להבין את הרעיון של שדה ואת הקשר בין חשמל למגנטיות. יוסבר בפירוט רב יותר בסעיף הבא, אך למעשה, גלים אלקטרומגנטיים (גלי אור) מורכב מגל שדה חשמלי המתנודד במישור הניצב (בזווית ישרה) לשדה מגנטי גַל.
אם קרינה אלקטרומגנטית פועלת כגל, אזי לכל גל אלקטרומגנטי מסוים יש תדר ואורך גל הקשורים אליו. התדר הוא מספר התנודות בשנייה, נמדד בהרץ (הרץ) כאשר 1 הרץ = 1 לשנייה. אורך הגל הוא המרחק בין פסגות הגל. תוצר התדר ואורך הגל נותן את מהירות הגל, אשר עבור אור בוואקום הוא כ -3 × 108 גברת.
בניגוד לרוב הגלים (כמו גלי קול, למשל), גלים אלקטרומגנטיים אינם דורשים מדיום דרכו מתפשט, ולכן יכול לחצות את הוואקום של החלל הריק, שהם עושים במהירות האור - המהירות המהירה ביותר עוֹלָם!
שדות ואלקטרומגנטיות
ניתן לחשוב על שדה כמערך וקטורים בלתי נראה, אחד בכל נקודה בחלל המציין את גודל הכיוון היחסי של הכוח שאובייקט יחוש אם יונח בנקודה זו. לדוגמא, שדה כבידה ליד פני האדמה יורכב מווקטור בכל נקודה בחלל המכוון ישירות לעבר מרכז האדמה. באותו גובה, לכל הווקטורים הללו יהיה אותו גודל.
אם הייתה מוצבת מסה בנקודה נתונה, אז כוח הכבידה שהוא מרגיש יהיה תלוי במסתו ובערך השדה שם. שדות חשמליים ושדות מגנטיים פועלים באותה הדרך, אלא שהם מפעילים כוחות התלויים במטען של האובייקט וברגע המגנטי בהתאמה במקום במסתו.
השדה החשמלי נובע ישירות מקיומם של מטענים, כמו ששדה הכבידה נובע ישירות ממסה. מקור המגנטיות, לעומת זאת, הוא ממטען נע (או באופן שווה, שינוי שדות חשמליים).
בשנות ה -60 של המאה ה -20 פיתח הפיזיקאי ג'יימס קלקר מקסוול סט של ארבע משוואות שתיארו לחלוטין את הקשר בין חשמל למגנטיות. משוואות אלו הראו בעצם כיצד נוצרים שדות חשמליים על ידי מטענים, כיצד אין מונופול מגנטי בסיסי, כיצד שינוי שדות מגנטיים יכול לייצר שדה חשמלי, וכיצד שדות חשמליים נוכחיים או משתנים יכולים לייצר מגנטים שדות.
זמן קצר לאחר גזירת המשוואות הללו, נמצא פיתרון המתאר גל אלקטרומגנטי המתפשט בעצמו. גל זה היה צפוי לנוע במהירות האור, ואכן התברר שהוא ממש קל!
הספקטרום האלקטרומגנטי
גלים אלקטרומגנטיים יכולים להגיע באורכי גל ותדרים רבים ושונים, כל עוד התוצר של אורך הגל והתדירות של גל נתון שווהג, מהירות האור. צורות הקרינה האלקטרומגנטית כוללות (מאורכי גל ארוכים יותר / אנרגיה נמוכה לאורכי גל קצרים יותר / אנרגיה גבוהה):
- גלי רדיו (0.187 מ '- 600 מ')
- מיקרוגל (1 מ"מ - 187 מ"מ)
- גלים אינפרא אדום (750 ננומטר - 1 מ"מ)
- אור גלוי (400 ננומטר - 750 ננומטר; אורכי הגל הללו ניתנים לזיהוי על ידי העין האנושית ולעתים קרובות מחולקים לספקטרום גלוי)
- אור אולטרה סגול (10 ננומטר - 400 ננומטר)
- צילומי רנטגן (10-12 מ '- 10 ננומטר)
- קרני גמא (<10-12 M)
מהם פוטונים?
פוטונים הם שמם של חלקיקי אור מכמתים או קרינה אלקטרומגנטית. אלברט איינשטיין הציג את המושג קוונטים קלים (פוטונים) במאמר של תחילת המאה ה -20.
פוטונים הם חסרי המונים, והם אינם מצייתים לחוקי שימור המספרים (כלומר ניתן ליצור ולהשמיד אותם). עם זאת, הם מצייתים לחיסכון באנרגיה.
למעשה, פוטונים נחשבים למעמד של חלקיקים שהם נושאי כוח. הפוטון הוא המתווך של הכוח האלקטרומגנטי ופועל כחבילת אנרגיה שניתן להעביר ממקום למקום אחר.
אתה בטח חושב שזה די מוזר לדבר פתאום על גלים אלקטרומגנטיים כעל חלקיקים, מכיוון שגלים וחלקיקים נראים כשני מבנים שונים במהותם. ואכן, זה בדיוק הדבר הזה שהופך את הפיזיקה של הקטנים למוזרים כל כך. בחלקים הבאים נדון ביתר פירוט מושגי הכימות וכפילות גל החלקיקים.
כיצד מייצרים גלים אלקטרוניים או פוטונים?
גלים אלקטרומגנטיים נובעים מתנודות בשדות חשמליים ומגנטיים. אם מטען נע קדימה ואחורה לאורך חוט, הוא יוצר שדה חשמלי משתנה, אשר בתורו יוצר שדה מגנטי משתנה, אשר מתפשט בעצמו.
אטומים ומולקולות, המכילים מטען נע בצורת ענני אלקטרונים, מסוגלים לתקשר עם קרינה אלקטרומגנטית בדרכים מעניינות. באטום, האלקטרונים מורשים להתקיים רק במצבי אנרגיה כמותיים מאוד ספציפיים.
אם אלקטרון רוצה להיות במצב אנרגיה נמוך יותר, הוא יכול לעשות זאת על ידי פליטת חבילה קריטית של קרינה אלקטרומגנטית כדי להעביר את האנרגיה. לעומת זאת, כדי לקפוץ למצב אנרגיה אחר, אותו אלקטרון חייב לספוג גם חבילת אנרגיה דיסקרטית מאוד.
האנרגיה הקשורה לגל אלקטרומגנטי תלויה בתדר הגל. ככאלה, אטומים יכולים לקלוט ולפלוט רק תדרים ספציפיים מאוד של קרינה אלקטרומגנטית העולה בקנה אחד עם רמות האנרגיה הכמותיות שלהם. חבילות אנרגיה אלה נקראותפוטונים.
מהי כימות?
כימותמתייחס למשהו שמוגבל לערכים בדידים בפסוקים של ספקטרום מתמשך. כאשר אטומים סופגים או פולטים פוטון יחיד, הם עושים זאת רק בערכי אנרגיה מכמתים ספציפיים מאוד המתוארים על ידי מכניקת הקוונטים. "פוטון יחיד" זה באמת יכול להיחשב כ"חבילה "גל בדידה.
כמות אנרגיה ניתנת לפליטה רק בכפולות של יחידה אלמנטרית (קבוע של פלאנקח). המשוואה המתייחסת לאנרגיההשל פוטון לתדירותו הוא:
E = h \ nu
איפהν(האות היוונית נו) הוא תדר הפוטון וקבוע של פלאנקח = 6.62607015 × 10-34 ג'ס.
דואליות של גל-חלקיקים
תוכלו לשמוע אנשים משתמשים במיליםפוטוןוקרינה אלקטרומגנטיתלסירוגין, למרות שנראה שהם דברים שונים. כאשר מדברים על פוטונים, אנשים בדרך כלל מדברים על תכונות החלקיקים של תופעה זו, ואילו כאשר הם מדברים על גלים אלקטרומגנטיים או על קרינה, הם מדברים אל הגלים נכסים.
פוטונים או קרינה אלקטרומגנטית מציגים מה שמכונה דואליות של גל חלקיקים. במצבים מסוימים ובניסויים מסוימים, פוטונים מראים התנהגות כמו חלקיקים. אחת הדוגמאות לכך היא באפקט הפוטואלקטרי, בו קרן אור הפוגעת במשטח גורמת לשחרור אלקטרונים. ניתן להבין את הפרטים של השפעה זו רק אם מטפלים באור כחבילות נפרדות שעל האלקטרונים לספוג כדי להיפלט.
במצבים וניסויים אחרים הם פועלים יותר כמו גלים. דוגמה מצוינת לכך היא דפוסי ההפרעה שנצפו בניסויים עם חריץ יחיד או מרובה חריצים. בניסויים אלה האור עובר דרך חריצים צרים ומרווחים מקרוב, שפועלים כמו מספר פאזות מקורות אור, וכתוצאה מכך הוא מייצר דפוס הפרעה העולה בקנה אחד עם מה שהיית רואה ב- גַל.
אפילו יותר מוזר, הפוטונים הם לא הדבר היחיד שמפגין את הדואליות הזו. ואכן, נראה כי כל חלקיקי היסוד, אפילו אלקטרונים ופרוטונים, מתנהגים כך. ככל שהחלקיק גדול יותר, אורך הגל שלו קצר יותר, והדואליות הזו תופיע פחות. זו הסיבה שאתה לא שם לב לשום דבר כזה בחיי היומיום.