光は、間違いなく、物理学の学生が遭遇する最も奇妙なトピックの1つです。 宇宙で最も速いのは、どういうわけか粒子と波の両方であり、同時に両方のユニークな特性を示します。 しかし、何です光？
何を理解するフォトンとは何ですか量子化手段は、光の性質、量子物理学、および無数の関連する現象を理解するための基本です。
光子とは何ですか？
光子は、軽い粒子の正式な名前です。 ここでは用語が光は物理学の意味で使用されます。つまり、光子は、電波からガンマ線まで、スペクトル上の任意の周波数の電磁放射の粒子です。
光子は量子化粒子。 これは、それらが間にあるエネルギーの量ではなく、離散的な量のエネルギーでのみ存在することを意味します。 電子が落下したときに放出されるエネルギーとして、光子のより化学指向の記述を検討する場合 原子のより低いエネルギーレベルに、これは理にかなっています：電子は特定の軌道、またはエネルギーにのみ存在することができます レベル。 ハーフステップはありません。 したがって、光子が「落下する電子」の結果である場合、光子も特定のエネルギー量または量子のみで発生する必要があります。
アルバートアインシュタインは、1905年の論文で光量子（光子）の概念を紹介しました。 彼がその年に発表した科学に革命をもたらした4つの論文の1つであり、これが彼にノーベル賞を受賞したアイデアでした。
波動粒子の二重性
前述のように、光とはあらゆる種類の電磁放射を指し、その種類は周波数（または波長）の違いによって区別されます。 これらの2つの測定値は波の特性であるため、光は電磁波。
しかし、待ってください–記事の前のセクションで、ライトは粒子、波としてではなく、光子。 これは正しいです。 光の奇妙な性質は、いわゆる波動粒子の二重性に存在することです。それは波であり粒子でもあります。
したがって、「電磁波」と「光子」の両方が光の許容可能な記述子です。 通常、最初のフレーズは、光があるときに光を説明するために使用されます波のように振る舞うそして後期は粒子として機能する.
これは、物理学者が調べている現象によっては重要になります。 特定の状況および特定の実験では、光子は、たとえば光電効果を観察するときに、物理学者が粒子が作用することを期待するように作用します。 他の状況や実験では、ラジオ局を変調するときなど、光は波のように機能します。
量子化とは何ですか？
連続スペクトル上に存在するのではなく、離散値に制限されているものはすべて量子化されています。
原子の量子化は、光子の形で放出できるエネルギーの量が、基本単位プランク定数の倍数でのみ発生することを説明しています。h= 6.6262 x 10 -34 ジュール秒
1800年代後半にマックスプランクによって発見されたこのユニットは、物理学で最も奇妙で重要なユニットの1つです。 波動粒子の周波数とそのエネルギー準位の関係を説明し、物質の構造を理解できる確実性の下限を設定します。
この制限を知ることの最大の影響の1つは、次のように知られている奇妙だが現実の研究分野を開始するのにも役立ちました。 量子物理学は、最小の亜原子レベルでは、粒子の位置は次のようにしか記述できないということです。 確率。 言い換えれば、亜原子粒子の位置だけですまたは速度はいつでも確実に知ることができますが、両方ではない.
クォンタムの定義h光子のエネルギーの方程式を導きます：
E = hf
ここでエネルギーEプランク定数のジュール（J）hはジュール秒（Js）と頻度ですfはヘルツ（Hz）です。
光子と電磁放射の特性
ほとんどの人はおそらく、粒子を質量に応じたサイズの小さな物質の単位と考えています。 これは、純粋なエネルギーの単位として、光子の質量がゼロであるため、光の粒子形態を特に奇妙な獣にします。
光子のもう1つの重要な特性は、光の速度、つまり空の空間の真空中で約300,000,000 m / sで移動することです。 光はそれよりもゆっくりと移動する可能性があります。他の物質に遭遇すると、光はそれと相互作用して速度が低下するため、光が移動する材料の密度が高いほど、光の移動は遅くなります。 しかしながら、宇宙で光より速く移動できるものはありません. 最速のロケットでも、最も加速された原子粒子でもありません。
チップ
光の速度は約300,000,000m / sで、何でも移動できる最速です。 これが、宇宙の制限速度とも呼ばれる理由です。
このように、光を理解することは、宇宙自体の最大の限界から最小の限界まで、宇宙自体の基本的な限界を理解するために重要です。
光は常に同じように移動しますが速度与えられた媒体では、電磁放射の形として、それは異なる可能性があります周波数または波長. 電磁波としての光の周波数と波長は、スペクトルに沿って互いに逆に変化します。
最も長い波長と最も低い周波数の端には電波があり、その後にマイクロ波、赤外線、可視光が続きます 光、紫外線、X線、高エネルギーのガンマ線で、それぞれ波長が徐々に短くなり、高くなります。 周波数。
素粒子と素粒子物理学の標準模型
1930年代の物理学者は、宇宙のすべての物質がいくつかで構成されていることを学び始めました。 素粒子として知られる基本粒子。これらはすべて同じセットの 基本的な力。 ザ・標準モデル素粒子物理学は、これらすべての素粒子と基本的な力がどのように関連しているかを簡潔に説明しようとする一連の方程式です。 光はこの普遍的な記述の重要な部分です。
1970年代以降の開発において、標準模型はこれまでのところ、すべてではありませんが、多くの量子物理学実験の結果を正しく予測してきました。 モデルでまだ解決されていない明白な問題は、重力を方程式のセットにどのように組み込むかです。 さらに、暗黒物質が何であるか、またはビッグバンで作成されたすべての反物質がどこに消えたのかを理解することを含む、いくつかの大きな宇宙論的質問についての答えを提供することができません。 それでも、それは広く受け入れられており、これまでの私たちの存在の基本的な性質を説明するための最良の理論と見なされています。
標準模型では、すべての物質はと呼ばれる素粒子のクラスで構成されていますフェルミ粒子. フェルミ粒子には2つのタイプがあります。クォークまたはレプトン. これらの各カテゴリはさらに6つのパーティクルに分割され、次のようにペアで関連付けられます。世代. 第1世代が最も安定しており、第2世代と第3世代に重くて安定性の低い粒子が見られます。
標準モデルの他のコンポーネントは、力とキャリア粒子であり、ボソン. 重力、電磁力、強い力、弱い力の4つの基本的な力のそれぞれは、物質粒子と交換して力を伝達するボソンに関連付けられています。
加速器で働いているか、宇宙からの高エネルギー粒子衝突を監視している素粒子物理学者は、後者の3つの力のボソンを特定しました。光子は宇宙で電磁力を運ぶボソンです、グルーオン強い力とWそしてZ粒子は弱い力を運びます。 しかし、重力の理論的ボソン、重力子、とらえどころのないままです。
選択された光の現象
黒体放射。黒体は、それらに当たるすべての電磁放射を吸収する架空のタイプのオブジェクトです（完全なものは自然界には存在しません）。 本質的に、黒体に当たる電磁放射は黒体を加熱するのに役立ち、したがって、冷却中に黒体が放出する放射は、黒体の温度に直接関係しています。 物理学者は、この近似を使用して、星やブラックホールなど、宇宙のほぼ完全な黒体の特性を推測できます。
光の波の性質は、物体が吸収および放出する黒体放射の周波数を説明するのに役立ちますが、 黒体が含むことができるエネルギーは量子化されているため、光子としての粒子の性質も数学的に説明するのに役立ちます。 マックスプランクは、この現象を最初に調査した人の1人です。
ダブルスリット実験。量子物理学の中心的な信条である二重スリット実験は、2つの狭い開口部を持つバリアに光を当てると、波の干渉パターン.
これの奇妙な部分は、開口部を通して示される単一の光子が、単独で分割できないにもかかわらず、他の光子に干渉しているように動作することです。 つまり、実験で観察された光のパターンは、光を光子または波として扱うだけでは説明できません。 両方を考慮する必要があります。 この実験は、波動粒子の二重性の概念が何を意味するのかを説明する際によく引用されます。
コンプトン効果。コンプトン効果は、光の波と粒子の性質の間の相互作用のもう1つの観察可能な例です。 光子が静止電子と衝突したときに、エネルギーと運動量の両方がどのように保存されるかを説明します。 光子のエネルギー量の方程式を運動量保存方程式と組み合わせると、次のようになります。 出て行く光子（最初はまだ電子）の波長は、与えた入ってくる光子の波長によって予測することができます それはエネルギーです。
分光法。分光法の技術により、物理学者、化学者、天文学者、その他の科学者は、 遠くの星を含むオブジェクトは、そのオブジェクトからの入射光を プリズム。 さまざまな元素が離散量子で光子を吸収および放出するため、観測された電磁波長は、オブジェクトに含まれる元素に応じて離散セグメントに分類されます。
質量エネルギー等価。たくさんの子供たちがアインシュタインの有名な方程式を暗唱することができますE = mc2. 短くて甘い、この方程式の真の意味は深いです：質量mとエネルギーE同等です真空中の光速を使用して相互に変換できます。c、二乗。 これは重要なことに、動いていないオブジェクトにはまだエネルギーがあることを意味します。 この場合、残りの質量そのと等しいと言われています残りのエネルギー.
素粒子物理学者は、質量エネルギー等価性を使用して、いくつかの測定のより単純な単位を決定します。 たとえば、量子物理学者は、陽子や電子などの亜原子粒子を加速して、フェルミ粒子やボソンの質量を検索します。 巨大な加速器の光速に近い速度でそれらを一緒に粉砕し、次に高感度の電気の「破片」の影響を分析します 配列。
ただし、質量をキログラムで表す代わりに、粒子の質量を報告する一般的な方法は、エネルギーの単位であるギガ電子ボルト（GeV）です。 この値をキログラム単位のSI単位の質量に戻すには、次の単純な関係を使用できます。1GeV /c2 = 1.78266192×10−27 k。