სინათლე, სავარაუდოდ, ერთ-ერთი ყველაზე უცნაური თემაა, რომელსაც ფიზიკის სტუდენტი შეხვდება. სამყაროში ყველაზე სწრაფი რამ არის რატომღაც ნაწილაკიც და ტალღაც და ერთდროულად ორივეს უნიკალურ თვისებებს ავლენს. Მაგრამ რაარისმსუბუქი?
გაგება რაფოტონებიარის და რაკვანტიზაციასაშუალებები ფუნდამენტურია სინათლის, კვანტური ფიზიკისა და უამრავი დაკავშირებული მოვლენის ბუნების გასაგებად.
რა არის ფოტონები?
ფოტონები არის მსუბუქი ნაწილაკების ოფიციალური სახელი. ისინი შეიძლება იყოს ხილული ადამიანისთვის თუ არა, რადგან აქ ტერმინიმსუბუქიგამოიყენება ფიზიკის გაგებით, რაც ნიშნავს, რომ ფოტონი არის ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ნაწილაკი სპექტრის ნებისმიერი სიხშირით, რადიოტალღებიდან დამთავრებული გამა სხივებით.
ფოტონები არის აკვანტიზებულინაწილაკი. ეს ნიშნავს, რომ ისინი არსებობენ მხოლოდ ენერგიის დისკრეტული რაოდენობით, ვიდრე რაიმე ენერგიის შუალედში. ფოტონის უფრო ქიმიაზე ორიენტირებული აღწერილობის განხილვისას, როგორც ელექტრონი, ელექტრონის ვარდნის დროს გამოყოფილი ენერგია ატომში ენერგიის დაბალ დონემდე, ამას აქვს აზრი: ელექტრონები შეიძლება იყოს მხოლოდ სპეციფიკურ ორბიტალებში, ან ენერგიაში დონეზე. არ არსებობს ნახევარი ნაბიჯები. ასე რომ, თუ ფოტონი არის "ელექტრონის დაცემა", ფოტონი ასევე უნდა მოვიდეს მხოლოდ სპეციფიკური ენერგიის რაოდენობით, ან კვანტით.
ალბერტ აინშტაინმა სინათლის კვანტების (ფოტონები) ცნება შემოიტანა 1905 წლის ნაშრომში. იმ წელს მან გამოაქვეყნა ოთხი ნაშრომიდან ერთმა, რომელმაც რევოლუცია მოახდინა მეცნიერებაში, ეს იყო იდეა, რამაც მას ნობელის პრემია მოუტანა.
ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობა
როგორც ადრე აღვნიშნეთ, სინათლე გულისხმობს ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ნებისმიერ ტიპს, რომელთა ტიპები განსხვავდება განსხვავებული სიხშირეებით (ან ტალღის სიგრძით). ეს ორი ზომაა, როგორც ტალღების მახასიათებლები, აქედან გამომდინარეობს, რომ სინათლე უნდა იყოსელექტრომაგნიტური ტალღა.
მაგრამ დაველოდოთ - სტატიის წინა განყოფილებაში სინათლე იქნა წარმოდგენილი, როგორც ანაწილაკიფოტონი არა ტალღა. Სწორია. სინათლის უცნაური ბუნება უნდა არსებობდეს, რასაც ტალღო-ნაწილაკების ორმაგობას უწოდებენ:ეს არის როგორც ტალღა, ისე ნაწილაკი.
ამიტომ "ელექტრომაგნიტური ტალღა" და "ფოტონი" სინათლის მისაღები აღწერილია. როგორც წესი, პირველი ფრაზა გამოიყენება სინათლის აღსაწერად, როდესაც ის არისმოქმედებს როგორც ტალღადა ეს უკანასკნელი ტერმინია, როდესაც ის არისნაწილაკის როლს ასრულებს.
ეს მნიშვნელოვანი ხდება იმ ფენომენებიდან გამომდინარე, რომელსაც ფიზიკოსი იკვლევს. გარკვეულ სიტუაციებში და გარკვეულ ექსპერიმენტებში, ფოტონები მოქმედებენ ისე, როგორც ფიზიკოსები ელიან ნაწილაკების მოქმედებას, მაგალითად, ფოტოელექტრული ეფექტის დაკვირვებისას. სხვა სიტუაციებსა და ექსპერიმენტებში, სინათლე უფრო ტალღების მსგავსია, მაგალითად, რადიოსადგურის მოდულირებისას.
რა არის კვანტიზაცია?
კვანტიზაციას განიცდის ყველაფერი, რაც შეზღუდულია დისკრეტული მნიშვნელობებით და არა უწყვეტი სპექტრით.
ატომში ქვანტიზაცია განმარტავს, რომ ენერგიის რაოდენობა, რომელიც შეიძლება გამოიყოს ფოტონის სახით, მოხდება მხოლოდ ელემენტარული ერთეულის პლანკის მუდმივის მრავლობითი რაოდენობით,თ= 6,6262 x 10 -34 ჯოულ წამში
ეს ერთეული, რომელიც მაქს პლანკმა 1800-იანი წლების ბოლოს აღმოაჩინა, ერთ-ერთი ყველაზე უცნაური და მნიშვნელოვანი ერთეულია ფიზიკაში. იგი აღწერს ურთიერთობას ტალღის ნაწილაკის სიხშირესა და მის ენერგეტიკულ დონეს შორის და ამით ადგენს ქვედა ქვედა ზღვარს გარკვეულობაში, რომლითაც შეგვიძლია გავიგოთ მატერიის სტრუქტურა.
ამ ლიმიტის ცოდნის ერთ-ერთი უდიდესი შედეგი, რომელიც ასევე შეუწყო უცნაური, მაგრამ რეალური კვლევის სფეროს, რომელიც ცნობილია როგორც კვანტური ფიზიკა არის ის, რომ უმცირეს ქვე-ატომურ დონეზე ნაწილაკების პოზიცია აღწერილია მხოლოდ ალბათობა სხვაგვარად რომ ვთქვათ, მხოლოდ ქვე-ატომური ნაწილაკის პოზიციაანსიჩქარე შეიძლება გარკვეულ დროში იყოს ცნობილი, მაგრამარა ორივე.
კვანტის განსაზღვრათფოტონის ენერგიის განტოლებას მივყავართ:
E = hf
სადაც ენერგიაეარის ჯოლებში (J), პლანკის მუდმივიათარის joule-seconds (Js) და სიხშირევჰერცშია (ჰც).
ფოტონების და ელექტრომაგნიტური გამოსხივების თვისებები
ადამიანების უმეტესობა, ალბათ, ფიქრობს, რომ ნაწილაკები მატერიის მცირე ზომის ერთეულებია, რომელთა ზომაა მათი მასების მიხედვით. ეს სინათლის ნაწილაკების ფორმას განსაკუთრებით უცნაურ მხეცად აქცევს, რადგან, როგორც სუფთა ენერგიის ერთეული, ფოტონს აქვს ნულოვანი მასა.
ფოტონის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი თვისებაა ის, რომ ისინი ყოველთვის მოძრაობენ სინათლის სიჩქარით, 300,000,000 ~ მ / წმ ცარიელი სივრცის ვაკუუმში. სინათლეს შეუძლია ამაზე ნელა იმოძრაოს - ნებისმიერ დროს, როდესაც მას სხვა მატერიას წააწყდება, ის ურთიერთქმედებს მასთან და შენელდება, ისე, რომ რაც უფრო მკვრივია მასალა, რომელშიც სინათლე მიდის, მით უფრო ნელა მიდის. თუმცა,სამყაროში ვერაფერი იმოძრავებს უფრო სწრაფად ვიდრე სინათლე. არ არის ყველაზე სწრაფი რაკეტა და არც ყველაზე დაჩქარებული ატომური ნაწილაკი.
Რჩევები
სინათლის სიჩქარე, 300,000,000 m მ / წმ, ყველაზე სწრაფია, რომლის გამგზავრებაც ნებისმიერ მსურველს შეუძლია. ამიტომ მას ასევე უწოდებენ სამყაროს სიჩქარის შეზღუდვას.
ამ გზით, სინათლის გაგება ძალზე მნიშვნელოვანია სამყაროს ფუნდამენტური საზღვრების გასაგებად, მისი ყველაზე დიდიდან ყველაზე პატარამდე.
მიუხედავად იმისა, რომ სინათლე ყოველთვის ერთნაირად მოძრაობსსიჩქარემოცემულ გარემოში, როგორც ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ფორმა, მას შეიძლება ჰქონდეს განსხვავებულისიხშირეებიანტალღის სიგრძეები. ელექტრომაგნიტური ტალღების სინათლის სიხშირეები და ტალღების სიგრძე სპექტრის გასწვრივ უკუპროპორციულად იცვლება.
გრძელი ტალღის სიგრძეზე და ყველაზე დაბალი სიხშირის ბოლოს არის რადიოტალღები, რის შემდეგაც მოდის მიკროტალღური, ინფრაწითელი, ხილული მსუბუქი, ულტრაიისფერი, რენტგენის და მაღალი ენერგიის გამა სხივები, რომელთაგან თითოეული თანდათანობით მოკლე ტალღის სიგრძით და უფრო მაღალია სიხშირეები.
ელემენტარული ნაწილაკები და ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტული მოდელი
ფიზიკოსებმა მე -20 საუკუნის 30-იან წლებში შეიტყვეს, რომ სამყაროში არსებული ყველა ნივთიერება შედგება რამდენიმედან ფუნდამენტური ნაწილაკები, ცნობილი როგორც ელემენტარული ნაწილაკები, რომლებიც ყველა იმართება ერთი და იგივე სიმრავლის მიერ ფუნდამენტური ძალები.სტანდარტული მოდელინაწილაკების ფიზიკა არის განტოლებათა ერთობლიობა, რომელიც ცდილობს მოკლედ აღწეროს, თუ როგორ უკავშირდება ყველა ეს ელემენტარული ნაწილაკი და ფუნდამენტური ძალები. სინათლე არის ამ უნივერსალური აღწერილობის კრიტიკული ნაწილი.
1970-იანი წლებიდან ვითარებაში, სტანდარტულმა მოდელმა ჯერჯერობით სწორად იწინასწარმეტყველა მრავალი, თუმცა არა ყველა, კვანტური ფიზიკის ექსპერიმენტის შედეგი. აშკარა პრობლემა, რომელიც ჯერ კიდევ არ არის გადასაწყვეტი, არის ის, თუ როგორ უნდა შეიტანოთ სიმძიმე განტოლებების ნაკრებში. გარდა ამისა, ის ვერ პასუხობს რამდენიმე მსხვილ კოსმოლოგიურ კითხვას, მათ შორის იმის გარკვევას, თუ რა არის ბნელი მატერია ან სად გაქრა დიდი აფეთქების დროს შექმნილი მთელი ანტიმატერია. მიუხედავად ამისა, იგი საყოველთაოდ მიღებულია და ითვლება საუკეთესო თეორიად დღემდე ჩვენი არსებობის ფუნდამენტური ხასიათის ასახსნელად.
სტანდარტულ მოდელში, ყველა მატერია შედგება ელემენტარული ნაწილაკების კლასიდან, რომელსაც ეწოდებაფერმიონები. ფერმინი გვხვდება ორი ტიპის:კვარკებიანლეპტონები. თითოეული ამ კატეგორიიდან შემდგომი იყოფა ექვს ნაწილაკად, რომლებიც დაკავშირებულია წყვილებად, რომლებიც ცნობილია როგორცთაობებს. პირველი თაობა ყველაზე სტაბილურია, უფრო მძიმე და ნაკლებად სტაბილური ნაწილაკები გვხვდება მეორე და მესამე თაობებში.
სტანდარტული მოდელის სხვა კომპონენტებია ძალები და გადამზიდი ნაწილაკები, ცნობილი როგორცბოზონები. ოთხი ფუნდამენტური ძალადან თითოეული - სიმძიმე, ელექტრომაგნიტური, ძლიერი და სუსტი - ასოცირდება ბოზონთან, რომელიც მატერიის ნაწილაკებთან გაცვლისას ძალას გადასცემს.
ნაწილაკების ფიზიკოსებმა, რომლებიც ამაჩქარებლებზე მუშაობენ ან კოსმოსურიდან მაღალენერგეტიკული ნაწილაკების შეჯახებას აკვირდებიან, დაადგინეს ბოზონები ამ უკანასკნელი სამი ძალისთვის.ფოტონი არის ბოზონი, რომელიც ახორციელებს ელექტრომაგნიტურ ძალას სამყაროში,გლუონიკარიესი ძლიერი ძალა დავდაზნაწილაკები ატარებენ სუსტ ძალას. მაგრამ სიმძიმის თეორიული ბოზონი,გრავიტონი, მიუწვდომელი რჩება.
შერჩეული მსუბუქი ფენომენი
შავი სხეულის გამოსხივება.შავკანიანები ჰიპოთეტური ტიპის ობიექტია (სრულყოფილი პირობა ბუნებაში არ არსებობს), რომელიც შთანთქავს მათ ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას. სინამდვილეში, ნებისმიერი ელექტრომაგნიტური გამოსხივება, რომელიც მოხვდება შავ სხეულზე, ემსახურება მის გათბობას და გამოსხივებას, რომელსაც იგი გასცემს გაგრილების დროს, პირდაპირ კავშირშია მის ტემპერატურასთან. ფიზიკოსებს შეუძლიათ გამოიყენონ ეს მიახლოება სამყაროში თითქმის სრულყოფილი შავი სხეულების, მაგალითად, ვარსკვლავებისა და შავი ხვრელების თვისებების გამოსაყვანად.
მიუხედავად იმისა, რომ სინათლის ტალღური ბუნება ხელს უწყობს შავი სხეულის გამოსხივების სიხშირეებს, რომელსაც ობიექტი შთანთქავს და გამოყოფს, მისი ნაწილაკების ბუნება, როგორც ფოტონი, აგრეთვე მათემატიკურად აღწერს მას, ვინაიდან ენერგია, რომელსაც შავი სხეული შეიძლება შეიცავს, კვანტიზებულია. მაქს პლანკმა პირველთა შორის შეისწავლა ეს მოვლენები.
ორმაგი ნაპრალის ექსპერიმენტი.კვანტური ფიზიკის ცენტრალური პრინციპი, ორმაგი ნაპრალის ექსპერიმენტი გვიჩვენებს, თუ როგორ იმოქმედებს შუქზე ბარიერი ორი ვიწრო ხვრელითტალღების ჩარევის ნიმუში.
ამის უცნაური ნაწილია ის, რომ გახსნის საშუალებით ნაჩვენები ერთი ფოტონი მაინც იქცევა ისე, როგორც ეს ერევა სხვა ფოტონებში, მიუხედავად მარტოობისა და განუყოფელისა. ეს უნდა ითქვას, რომ ექსპერიმენტში დაფიქსირებული სინათლის ნიმუშის ახსნა შეუძლებელია სინათლის მხოლოდ ფოტონის ან ტალღის დამუშავებით; ეს ორივე უნდა ჩაითვალოს. ამ ექსპერიმენტს ხშირად ახსენებენ ახსნისას, თუ რა იგულისხმება ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობის იდეაში.
კომპტონის ეფექტი.კომპტონის ეფექტი სინათლის ტალღასა და ნაწილაკთა ბუნებებს შორის ურთიერთქმედების კიდევ ერთი თვალსაჩინო მაგალითია. მასში აღწერილია, თუ როგორ ინახება ენერგია და იმპულსი, როდესაც ფოტონი ეჯახება სტაციონარულ ელექტრონს. ფოტონის ენერგიის ოდენობის განტოლების შერწყმა იმპულსის შენარჩუნების განტოლებებთან აჩვენებს, რომ შედეგად გამავალი ფოტონის ტალღის სიგრძე (თავდაპირველად ჯერ კიდევ ელექტრონი) შეიძლება პროგნოზირდეს შემომავალი ფოტონის ტალღის სიგრძით, რომელმაც მისცა ეს ენერგიაა.
სპექტროსკოპია.სპექტროსკოპიის ტექნიკა საშუალებას აძლევს ფიზიკოსებს, ქიმიკოსებს, ასტრონომებსა და სხვა მეცნიერებს, გამოიკვლიონ მატერიალური შემადგენლობა ობიექტი, მათ შორის შორეული ვარსკვლავები, უბრალოდ იმ ნიმუშების ანალიზით, რომლებიც წარმოიქმნება ამ ობიექტიდან შემოსული სინათლის გაყოფით a პრიზმა იმის გამო, რომ სხვადასხვა ელემენტები შთანთქავენ და ასხივებენ ფოტონებს დისკრეტული კვანტებით, დაფიქსირებული ელექტრომაგნიტური ტალღების სიგრძე ხვდება დისკრეტულ სეგმენტებში, იმისდა მიხედვით, თუ რა ელემენტებს შეიცავს ობიექტები.
მასა-ენერგიის ეკვივალენტობა.უამრავ ბავშვს შეუძლია წაიკითხოს აინშტაინის ცნობილი განტოლებაE = mc2. მოკლე და ტკბილი, ამ განტოლების ნამდვილი შედეგები ღრმაა:მასამდა ენერგიაეეკვივალენტურიადა შეიძლება გარდაიქმნას ერთმანეთში ვაკუუმში სინათლის სიჩქარის გამოყენებით,გ, კვადრატში. ეს მნიშვნელოვნად გულისხმობს იმას, რომ ობიექტს, რომელიც არ მოძრაობს, ჯერ კიდევ აქვს ენერგია; ამ შემთხვევაში მისიდასვენების მასანათქვამია, რომ მისი ტოლიადასვენების ენერგია.
ნაწილაკების ფიზიკოსები იყენებენ მასა-ენერგიის ეკვივალენტურობას, რომ განსაზღვრონ უფრო მარტივი ერთეულები მათი ზოგიერთი გაზომვისთვის. მაგალითად, კვანტური ფიზიკოსები ეძებენ ფერმიონების ან ბოზონების მასებს, აჩქარებენ სუბატომიურ ნაწილაკებს, როგორიცაა პროტონები და ელექტრონები, სინათლის სიჩქარე გიგანტურ ამაჩქარებლებში და მათი ერთად განადგურება და შემდეგ "ნამსხვრევების" ეფექტის ანალიზი მაღალმგრძნობიარე ელექტრულ მასივები.
სამაგიეროდ, მასა კილოგრამებში მიცემის ნაცვლად, ნაწილაკების მასების შესახებ გავრცელებული გზაა გიგა-ელექტრონ-ვოლტებში, ან GeV, ენერგიის ერთეულად. ამ მნიშვნელობის მასის დასაბრუნებლად SI კილოგრამის ერთეულში, მათ შეუძლიათ გამოიყენონ ეს მარტივი კავშირი: 1 GeV /გ2 = 1.78266192×10−27 კ
