פוטונים (כימות): הגדרה, מאפיינים ודואליות של חלקיקי גל

ניתן לטעון כי האור הוא אחד הנושאים המוזרים ביותר שתלמיד לפיזיקה יתקל בהם. הדבר המהיר ביותר ביקום הוא איכשהו גם חלקיק וגם גל - ומציג את התכונות הייחודיות של שניהם בו זמנית. אבל מההואאוֹר?

הבנת מהפוטוניםהם ומהכימותאמצעי הוא בסיסי להבנת אופי האור, פיזיקה קוונטית ותופעות רבות הקשורות אליהן.

פוטונים הם השם הפורמלי לחלקיקי אור. הם יכולים להיות גלויים לבני אדם או לא, מכיוון שכאן המונחאוֹרמשמש במובן הפיזיקה, כלומר פוטון הוא חלקיק של קרינה אלקטרומגנטית בכל תדר בספקטרום, מגלי רדיו ועד לקרני גמא.

פוטונים הם אלכמתחֶלְקִיק. פירוש הדבר שהם קיימים רק בכמויות אנרגיה נפרדות, ולא בכל כמות אנרגיה שביניהם. כאשר בוחנים את התיאור המכווני יותר של פוטון כאנרגיה המשתחררת כשאלקטרון נופל לרמת אנרגיה נמוכה יותר באטום, זה הגיוני: אלקטרונים יכולים להיות רק במסלולים ספציפיים, או באנרגיה רמות. אין חצי צעדים. כך שאם פוטון הוא תוצאה של "אלקטרון נופל", פוטון חייב להגיע גם בכמויות אנרגיה ספציפיות, או קוונטיות.

אלברט איינשטיין הציג את הרעיון של קוונטות אור (פוטונים) במאמר משנת 1905. אחד מארבעה מאמרים שפרסם באותה שנה שעשה מהפכה במדע, זה היה הרעיון שזיכה אותו בפרס נובל.

כפי שצוין קודם לכן, אור מתייחס לכל סוג של קרינה אלקטרומגנטית, שסוגיהן נבדלים על ידי תדרים שונים (או אורכי גל). שני המדדים האלה הם מאפיינים של גלים, ומכאן נובע שאור חייב להיותגל אלקטרומגנטי.​

אבל רגע - בחלק הקודם של המאמר האור הוצג כ-חֶלְקִיק, הפוטון, לא כגל. זה נכון. הטבע המוזר של האור הוא להתקיים במה שמכונה דואליות של חלקיקי גל:זהו גם גל וגם חלקיק.​

לכן הן "גל אלקטרומגנטי" והן "פוטון" הם מתארים מקובלים של אור. בדרך כלל משתמשים בביטוי הראשון לתיאור אור כשהואמתנהג כגלוהמונח האחרון כשזהמתנהג כחלקיק​.

זה הופך להיות חשוב בהתאם לתופעות שהפיזיקאי בוחן. במצבים מסוימים ובניסויים מסוימים, פוטונים פועלים כמו שפיזיקאים מצפים שחלקיקים יפעלו, למשל, כאשר הם צופים באפקט הפוטואלקטרי. במצבים וניסויים אחרים, האור פועל יותר כמו גלים, כמו למשל במווסת תחנת רדיו.

כל מה שמוגבל לערכים בדידים במקום להתקיים בספקטרום רציף עובר כימות.

כימות באטום מסבירה שכמות האנרגיה שניתן לפלוט בצורת פוטון תתרחש רק בכפולות מהקבוע של היחידה האלמנטרית של פלאנק,ח= 6.6262 x 10 ^-34 ג'ול-שניות

יחידה זו, שהתגלתה על ידי מקס פלאנק בסוף המאה ה -19, היא אחת היחידות המוזרות והחשובות בפיזיקה. הוא מתאר את הקשר בין תדר של חלקיק גל לרמת האנרגיה שלו, ובכך קובע גבול תחתון נמוך יותר לוודאות שבה נוכל להבין את מבנה החומר.

אחת ההשלכות הגדולות ביותר של הכרת הגבול הזה, שעזרה גם להתחיל את תחום המחקר המוזר-אך-אמיתי פיזיקה קוונטית, היא שברמות התת אטומיות הקטנות ביותר ניתן לתאר את מיקום החלקיקים רק כ- הִסתַבְּרוּת. במילים אחרות, רק המיקום של חלקיק תת אטומיאוֹניתן לדעת מהירות בוודאות בכל זמן נתון, אךלא שניהם​.

הגדרת הקוונטהחלהוביל למשוואה לאנרגיה של פוטון:

איפה אנרגיההנמצא בג'אול (J), הקבוע של פלאנקחהוא בג'אול-שניות (Js) ובתדירותfנמצא בהרץ (הרץ).

רוב האנשים כנראה חושבים על חלקיקים כעל יחידות זעירות של חומר, שגודלן לפי המוניהם. זה הופך את צורת החלקיקים של האור לחיה מוזרה במיוחד שכן, כיחידת אנרגיה טהורה, לפוטון יש אפס מסה.

מאפיין חשוב נוסף של פוטונים הוא שהם תמיד נעים במהירות האור, ~ 300,000,000 m / s בוואקום של חלל ריק. אור יכול לנוע לאט יותר מכך - בכל פעם שהוא נתקל בחומרים אחרים הוא מתקשר איתו ומאט, כך שככל שהחומר שדרכו האור נע צפוף יותר, כך הוא עובר לאט יותר. למרות זאת,שום דבר ביקום לא יכול לנסוע מהר יותר מאור. לא הרקטה המהירה ביותר וגם לא החלקיק האטומי המואץ ביותר.

• מהירות האור, ~ 300,000,000 m / s, היא המהירה ביותר שכל דבר יכול לנסוע בה. זו הסיבה שהיא מכונה גם מגבלת המהירות של היקום.

באופן זה, הבנת האור היא קריטית להבנת גבולות היסוד של היקום עצמו, מגדולתו ועד הקטנה ביותר.

אם כי האור תמיד נע באותה המידהמְהִירוּתבמדיום נתון, כצורה של קרינה אלקטרומגנטית, זה יכול להיות שונהתדריםאוֹאורכי גל. התדרים ואורכי הגל של האור כגלים אלקטרומגנטיים משתנים זה עם זה לאורך ספקטרום.

בקצה הגל הארוך ביותר ובקצה התדר הנמוך ביותר נמצאים גלי רדיו, שאחריהם מגיעים מיקרוגל, אינפרא אדום, גלוי קרני גמא אור, אולטרה סגול, רנטגן ואנרגיה גבוהה, כל אחת עם אורכי גל קצרים יותר ויותר תדרים.

פיזיקאים בשנות השלושים החלו ללמוד שכל החומר ביקום מורכב ממעטים חלקיקי יסוד, המכונים חלקיקי יסוד, אשר כולם נשלטים על ידי אותה קבוצה של כוחות בסיסיים. הדגם סטנדרטישל פיזיקת החלקיקים היא קבוצה של משוואות המנסות לתאר בקצרה את התייחסותם של כל החלקיקים האלמנטריים הללו והכוחות הבסיסיים. האור הוא חלק קריטי בתיאור אוניברסלי זה.

בפיתוח מאז שנות ה -70, המודל הסטנדרטי ניבא נכון נכון את תוצאותיהם של ניסויים רבים בפיזיקה קוונטית, אם כי לא בכולם. בעיה בולטת שעדיין לא נפתרה במודל היא כיצד לשלב את כוח המשיכה במכל המשוואות. בנוסף, היא אינה מצליחה לספק תשובות על כמה שאלות קוסמולוגיות גדולות, כולל להבין מהו חומר אפל או לאן נעלם כל חומר האנטי-חומר שנוצר במפץ הגדול. ובכל זאת, היא מקובלת ונחשבת לתיאוריה הטובה ביותר להסבר האופי הבסיסי של קיומנו עד היום.

במודל הסטנדרטי, כל החומר מורכב ממעמד של חלקיקים אלמנטריים הנקראיםפרמיונים. פרמיונים מגיעים בשני סוגים:קווארקיםאוֹלפטונים. כל אחת מהקטגוריות הללו מחולקת עוד יותר לשישה חלקיקים, הקשורים בזוגות המכוניםדורות. הדור הראשון הוא היציב ביותר, עם חלקיקים כבדים ופחות יציבים שנמצאים בדור השני והשלישי.

המרכיבים האחרים של המודל הסטנדרטי הם כוחות וחלקיקי נשא, המכוניםבוזונים. כל אחד מארבעת כוחות היסוד - כוח הכבידה, אלקטרומגנטי, חזק וחלש - קשור לבוזון שמעביר את הכוח בחילופי חלקיקי חומר.

פיזיקאים של חלקיקים הפועלים במאיצים או צופים בהתנגשויות חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה מהחלל זיהו בוזונים לשלושת הכוחות האחרונים.הפוטון הוא הבוזון הנושא את הכוח האלקטרומגנטי ביקום, הגלוןעששת את הכוח החזק ואתWוזחלקיקים נושאים את הכוח החלש. אבל הבוזון התיאורטי לכוח המשיכה, הגרביטון, נשאר חמקמק.

​קרינת גוף שחור.תאים שחורים הם סוג אובייקט היפותטי (מושלם לא קיים בטבע) הקולט את כל הקרינה האלקטרומגנטית הפוגעת בהם. בעיקרו של דבר, כל קרינה אלקטרומגנטית הפוגעת בגוף שחור משמשת לחימום זה והקרינה שהוא מפיץ בזמן הקירור קשורה אפוא ישירות לטמפרטורה שלו. פיזיקאים יכולים להשתמש בקירוב זה כדי להסיק את המאפיינים של גופים שחורים כמעט מושלמים ביקום, כמו כוכבים וחורים שחורים.

בעוד שאופי הגל של האור עוזר לתאר את התדרים של קרינת גוף שחור שאובייקט יספוג ויפלט, זה טבע החלקיקים כפוטון עוזר גם לתאר אותו מתמטית, מכיוון שהאנרגיות שהגוף השחור יכול להכיל מכמתות. מקס פלאנק היה בין הראשונים שחקרו תופעות אלה.

​הניסוי כפול החריץ.עיקרון מרכזי בפיזיקה קוונטית, הניסוי עם חריץ כפול מראה כיצד מאיר אור על מחסום עם שני פתחים צרים גורם לדפוס מובהק של צללים כהים וכהים המכונהדפוס הפרעות גל​.

החלק המוזר בכך הוא שפוטון יחיד המוצג דרך הפתח עדיין יתנהג כאילו הוא מפריע לפוטונים אחרים, למרות היותו לבד ובלתי ניתן לחלוקה. זאת אומרת שלא ניתן להסביר את דפוס האור שנצפה בניסוי על ידי התייחסות לאור כאל פוטון או גל בלבד; חייבים להתייחס לשניהם. ניסוי זה צוטט לעיתים קרובות בהסבר למה הכוונה ברעיון דואליות של חלקיקי גל.

​אפקט קומפטון.אפקט קומפטון הוא עוד דוגמה נצפית לזוגיות בין גל האור לחיק הטבע. הוא מתאר כיצד גם האנרגיה וגם המומנטום נשמרים כאשר פוטון מתנגש באלקטרון נייח. שילוב המשוואה לכמות האנרגיה של פוטון עם משוואות שימור המומנטום מראה כי התוצאה ניתן לחזות את אורך הגל של הפוטון היוצא (האלקטרון שעדיין עדיין) על ידי אורך הגל של הפוטון הנכנס שנתן זה אנרגיה.

​ספקטרוסקופיה.טכניקת הספקטרוסקופיה מאפשרת לפיזיקאים, כימאים, אסטרונומים ומדענים אחרים לחקור את ההרכב החומרי של אובייקט, כולל כוכבים רחוקים, פשוט על ידי ניתוח הדפוסים הנובעים מפיצול האור הנכנס מאותו אובייקט עם a פּרִיזמָה. מכיוון שאלמנטים שונים סופגים ופולטים פוטונים בכמויות נפרדות, אורכי הגל האלקטרומגנטיים הנצפים נופלים למקטעים נפרדים, תלוי באילו יסודות האובייקטים מכילים.

​שוויון בין אנרגיה המונית.הרבה ילדים יכולים לדקלם את המשוואה המפורסמת של איינשטייןE = mc². קצרות ומתוקות, ההשלכות האמיתיות של משוואה זו הן עמוקות:מסהMואנרגיההשוויםוניתן להמיר זה את זה באמצעות מהירות האור בחלל ריק,ג, בריבוע. חשוב מכך שיש לאובייקט שאינו זז עדיין אנרגיה; במקרה זה שלההמוני מנוחהנאמר שהוא שווה לזהאנרגיית מנוחה​.

פיזיקאים של חלקיקים משתמשים בשוויון אנרגיה המוני כדי לקבוע יחידות פשוטות יותר עבור חלק מהמידות שלהם. לדוגמה, פיזיקאים קוונטיים מחפשים אחר מסות פרמיונים או בוזונים על ידי האצת חלקיקים תת אטומיים כמו פרוטונים ואלקטרונים ל מהירויות אור כמעט במאיצי ענק וניפוץ ביחד, ואז ניתוח השפעות ה"פסולת "בחשמל רגיש מאוד מערכים.

במקום לתת מסה בקילוגרמים, הדרך הנפוצה לדיווח על מסת חלקיקים היא בגיגה-אלקטרונים וולט, או GeV, יחידת אנרגיה. כדי להחזיר ערך זה למסה ביחידת ה- SI של קילוגרמים, הם יכולים להשתמש בקשר הפשוט הזה: 1 GeV /ג​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.