სინათლე (ფიზიკა): რა არის ეს და როგორ მუშაობს?

ელექტრომაგნიტური გამოსხივების (სინათლის) ნაწილაკთა ტალღის ორმაგობის გაგება ფუნდამენტურია კვანტური თეორიისა და სხვა ფენომენების, აგრეთვე სინათლის ბუნების გასაგებად. წინა საუკუნის ერთ-ერთი უდიდესი სამეცნიერო განვითარება იყო აღმოჩენა, რომ ძალიან მცირე ობიექტები არ ემორჩილებოდნენ იმავე წესებს, როგორც ყოველდღიური საგნები.

უბრალო თვალსაზრისით, ელექტრომაგნიტური ტალღები უბრალოდ ცნობილია როგორც სინათლე, თუმცა ზოგჯერ ტერმინი სინათლე ხილული სინათლის დასაზუსტებლად გამოიყენება (ის, რისი ამოცნობაც შესაძლებელია თვალის საშუალებით) და სხვა დროს გამოიყენება უფრო ზოგადად, ელექტრომაგნიტური ყველა ფორმის დასადგენად გამოსხივება.

ელექტრომაგნიტური ტალღების სრულყოფილად გასაგებად, მნიშვნელოვანია გავიგოთ ველის ცნება და ელექტროენერგიასა და მაგნეტიზმს შორის კავშირი. ამის შესახებ უფრო დეტალურად განვიხილავთ შემდეგ განყოფილებაში, მაგრამ არსებითად, ელექტრომაგნიტური ტალღები (სინათლის ტალღები) შედგება ელექტრული ველის ტალღისაგან, რომელიც მოძრაობს მაგნიტური ველის პერპენდიკულარულ (სწორი კუთხით) სიბრტყეში ტალღა

თუ ელექტრომაგნიტური გამოსხივება მოქმედებს როგორც ტალღა, მაშინ რომელიმე კონკრეტულ ელექტრომაგნიტურ ტალღას ექნება მასთან დაკავშირებული სიხშირე და ტალღის სიგრძე. სიხშირე არის წამში რხევების რაოდენობა, იზომება ჰერცი (Hz) სადაც 1 Hz = 1 / წმ. ტალღის სიგრძე არის მანძილი ტალღის მწვერვალებს შორის. სიხშირისა და ტალღის სიგრძის პროდუქტი იძლევა ტალღის სიჩქარეს, რომელიც ვაკუუმში სინათლისთვის არის დაახლოებით 3 × 10⁸ ქალბატონი.

უმეტეს ტალღებისგან განსხვავებით (მაგალითად, მაგალითად, ბგერითი ტალღები), ელექტრომაგნიტურ ტალღებს არ სჭირდება გარემო, რომლის საშუალებითაც პროპაგანდა, და ამრიგად შეუძლია ცარიელი სივრცის ვაკუუმის გადალახვა, რასაც ისინი აკეთებენ სინათლის სიჩქარით - ყველაზე სწრაფი სიჩქარე სამყარო!

ველი შეიძლება ვექტორების უხილავ მასივად მივიჩნიოთ, სივრცის თითოეულ წერტილში, რომელიც მიუთითებს იმ სიძლიერის ფარდობით სიდიდეზე და მიმართულებაზე, რომელსაც ობიექტი იგრძნობდა ამ წერტილში. მაგალითად, გრავიტაციული ველი დედამიწის ზედაპირთან ახლოს შედგება ვექტორისგან სივრცის თითოეულ წერტილში, რომელიც პირდაპირ მიემართება დედამიწის ცენტრისკენ. იმავე სიმაღლეზე, ყველა ამ ვექტორს იგივე სიდიდე ექნება.

თუკი მოცემულ წერტილში უნდა განთავსდეს მასა, მაშინ მიზიდულობის ძალა, რომელსაც ის გრძნობს, დამოკიდებული იქნებოდა მის მასაზე და იქ არსებული ველის ღირებულებაზე. ელექტრული ველები და მაგნიტური ველები ერთნაირად მუშაობენ, გარდა იმ შემთხვევისა, როდესაც ისინი იყენებენ ობიექტის მუხტზე და მაგნიტურ მომენტზე დამოკიდებულ ძალებს მისი მასის ნაცვლად.

ელექტრული ველი მოდის უშუალოდ მუხტების არსებობის შედეგად, ისევე როგორც გრავიტაციული ველი უშუალოდ მასისაგან. მაგნეტიზმის წყარო არის მუხტის მოძრავი გადაადგილება (ან ეკვივალენტურად, ელექტრული ველების შეცვლა).

1860-იან წლებში ფიზიკოსმა ჯეიმს კლერკ მაქსველმა შეიმუშავა ოთხი განტოლების ნაკრები, რომლებიც მთლიანად აღწერდა ელექტროენერგიასა და მაგნეტიზმს შორის ურთიერთობას. ამ განტოლებებმა ძირითადად აჩვენა, თუ როგორ წარმოიქმნება ელექტრული ველები მუხტებით, როგორ არ არსებობს ფუნდამენტური მაგნიტური მონოპოლები, როგორ შეცვლის მაგნიტური ველები შეიძლება წარმოქმნას ელექტრო ველი, და როგორ მიმდინარე ან შეცვლის ელექტრო სფეროებში შეიძლება წარმოქმნას მაგნიტური ველები.

ამ განტოლებების წარმოებიდან მალევე იპოვნეს გამოსავალი, რომელიც აღწერს თვითგამრავლებელ ელექტრომაგნიტურ ტალღას. წინასწარმეტყველებს, რომ ეს ტალღა სინათლის სიჩქარით იმოძრავებს და მართლაც მსუბუქი აღმოჩნდა!

ელექტრომაგნიტური ტალღები შეიძლება იყოს სხვადასხვა ტალღის სიგრძე და სიხშირე, თუ მოცემული ტალღის ტალღის სიგრძისა და სიხშირის პროდუქტი ტოლიაგ, სინათლის სიჩქარე. ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ფორმები მოიცავს (გრძელი ტალღის სიგრძე / დაბალი ენერგიიდან მოკლე ტალღის სიგრძე / მაღალი ენერგია):

• რადიოტალღები (0.187 მ - 600 მ)
• მიკროტალღური ღუმელები (1 მმ - 187 მმ)
• ინფრაწითელი ტალღები (750 ნმ - 1 მმ)
• ხილული სინათლე (400 ნმ - 750 ნმ); ეს ტალღების სიგრძე ადამიანის თვალით იგრძნობა და ხშირად იყოფა ხილულ სპექტად)
• ულტრაიისფერი სინათლე (10 ნმ - 400 ნმ)
• რენტგენის სხივები (10^-12 მ - 10 ნმ)
• გამა სხივები (<10^-12 მ)

ფოტონები არის კვანტიზებული სინათლის ნაწილაკების ან ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სახელი. ალბერტ აინშტაინმა მე -20 საუკუნის დასაწყისში ნაშრომში შეიტანა სინათლის კვანტების (ფოტონები) ცნება.

ფოტონები არის მასობრივი, და ისინი არ ემორჩილებიან რაოდენობის შენარჩუნების კანონებს (ნიშნავს, რომ ისინი შეიძლება შეიქმნას და განადგურდეს). ამასთან, ისინი ემორჩილებიან ენერგიის დაზოგვას.

სინამდვილეში, ფოტონები ითვლება ნაწილაკების იმ ჯგუფში, რომლებიც ძალების მატარებლები არიან. ფოტონი არის ელექტრომაგნიტური ძალის შუამავალი და მოქმედებს, როგორც ენერგიის პაკეტი, რომლის გადატანა შესაძლებელია ერთი ადგილიდან მეორეზე.

თქვენ ალბათ ფიქრობთ, რომ საკმაოდ უცნაურია ელექტრომაგნიტური ტალღების ნაწილაკებზე მოულოდნელად ლაპარაკი, რადგან ტალღები და ნაწილაკები ორი პრინციპულად განსხვავებული აღნაგობი ჩანს. მართლაც, სწორედ ამგვარი რამეა უცნაური ძალიან მცირე ფიზიკის. შემდეგ რამდენიმე განყოფილებაში უფრო დეტალურად განიხილება კვანტიზაციისა და ნაწილაკთა ტალღის დუალების ცნებები.

ელექტრომაგნიტური ტალღები წარმოიქმნება ელექტრო და მაგნიტურ ველებში რყევების შედეგად. თუ მუხტი მავთულის გასწვრივ წინ და უკან მოძრაობს, ეს ქმნის ცვალებად ელექტრულ ველს, რაც თავის მხრივ ქმნის ცვალებად მაგნიტურ ველს, რომელიც შემდეგ თვითგამრავლებს.

ატომები და მოლეკულები, რომლებიც შეიცავს მოძრავ მუხტს ელექტრონული ღრუბლების სახით, შეუძლიათ ურთიერთქმედება ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებასთან საინტერესო გზებით. ატომში, ელექტრონებს უფლება აქვთ მხოლოდ ძალიან სპეციფიკურ კვანტიზირებულ ენერგეტიკულ მდგომარეობებში იარსებონ.

თუ ელექტრონს სურს იყოს უფრო დაბალი ენერგეტიკულ მდგომარეობაში, მას ამის გაკეთება შეუძლია ელექტრომაგნიტური გამოსხივების დისკრეტული პაკეტის გამოსხივებით ენერგიის გასატანად. და პირიქით, სხვა ენერგიულ მდგომარეობაში გადასასვლელად, იმავე ელექტრონმა უნდა აღიქვას ენერგიის ძალიან სპეციფიკური დისკრეტული პაკეტიც.

ელექტრომაგნიტურ ტალღასთან დაკავშირებული ენერგია დამოკიდებულია ტალღის სიხშირეზე. როგორც ასეთი, ატომებს შეუძლიათ შეიწოვონ და გამოყონ ელექტრომაგნიტური გამოსხივების მხოლოდ ძალიან სპეციფიკური სიხშირეები, რომლებიც შეესაბამება მათ კვანტიზირებულ ენერგიის დონეს. ამ ენერგეტიკულ პაკეტებს უწოდებენფოტონები​.

​კვანტიზაციაეხება იმას, რაც იზღუდება დისკრეტული მნიშვნელობებით, უწყვეტი სპექტრით. როდესაც ატომები შთანთქავენ ან გამოყოფენ ერთ ფოტონს, ისინი ამას აკეთებენ მხოლოდ ძალიან სპეციფიკურ კვანტიზირებულ ენერგიის მნიშვნელობებზე, რომლებიც აღწერილია კვანტური მექანიკის მიერ. ეს "ერთი ფოტონი" ნამდვილად შეიძლება განვიხილოთ როგორც დისკრეტული ტალღის "პაკეტი".

ენერგიის ოდენობა მხოლოდ ელემენტარული ერთეულის ჯერადობითაა შესაძლებელი (პლანკის მუდმივა)თ). განტოლება, რომელიც უკავშირებს ენერგიასეფოტონის სიხშირეა:

სადν(ბერძნული ასო nu) არის ფოტონის სიხშირე და პლანკის მუდმივათ​ = 6.62607015 × 10^-34 ჯს

თქვენ მოისმენთ, თუ როგორ იყენებენ ადამიანები სიტყვებსფოტონიდაელექტრომაგნიტური რადიაციასხვაგვარად, მიუხედავად იმისა, რომ, როგორც ჩანს, ისინი სხვადასხვა რამეები არიან. ფოტონებზე საუბრისას, ადამიანები ჩვეულებრივ საუბრობენ ამ ფენომენის ნაწილაკების თვისებებზე, ხოლო როდესაც ისინი საუბრობენ ელექტრომაგნიტურ ტალღებზე ან გამოსხივებაზე, ისინი ტალღის მსგავსებაზე საუბრობენ თვისებები.

ფოტონები ან ელექტრომაგნიტური გამოსხივება აჩვენებს იმას, რასაც ნაწილაკების ტალღის ორმაგობა ეწოდება. გარკვეულ სიტუაციებში და გარკვეულ ექსპერიმენტებში ფოტონები ავლენენ ნაწილაკების მსგავს ქცევას. ამის ერთ – ერთი მაგალითია ფოტოელექტრულ ეფექტში, სადაც ზედაპირზე მოხვედრილი სინათლის სხივი იწვევს ელექტრონების გამოყოფას. ამ ეფექტის სპეციფიკის გაგება მხოლოდ მაშინ შეიძლება, თუკი სინათლე განიხილება, როგორც დისკრეტული პაკეტი, რომელიც ელექტრონებმა უნდა აითვისონ, რომ გამოიყოს.

სხვა სიტუაციებსა და ექსპერიმენტებში ისინი უფრო მეტად ტალღებად იქცევიან. ამის მთავარი მაგალითია ჩარევის ნიმუშები, რომლებიც შეიმჩნევა ერთ ან მრავალ ნაპრალ ექსპერიმენტებში. ამ ექსპერიმენტებში სინათლე გადადის ვიწრო, მჭიდროდ დაშორებულ ჭრილებში, რომლებიც მოქმედებს მრავალი ფაზის მსგავსად სინათლის წყაროები, და შედეგად, იგი წარმოქმნის ჩარევის ნიმუშს, რაც შეესაბამება აქ ტალღა

უცნაურიც კი, მხოლოდ ფოტონები არ წარმოადგენს ამ ორმაგობას. მართლაც, როგორც ჩანს, ყველა ფუნდამენტური ნაწილაკი, თუნდაც ელექტრონები და პროტონები, იქცევიან. რაც უფრო დიდია ნაწილაკი, მით უფრო მოკლეა მისი ტალღის სიგრძე და მით ნაკლები გამოჩნდება ეს ორმაგობა. ამიტომ ყოველდღიურ ცხოვრებაში მსგავსი არაფერი შეგიმჩნევიათ.