전자기 복사 (빛)의 입자-파 이중성을 이해하는 것은 빛의 특성뿐만 아니라 양자 이론 및 기타 현상을 이해하는 데 기본이됩니다. 지난 세기의 가장 큰 과학적 발전 중 하나는 아주 작은 물체가 일상적인 물체와 동일한 규칙을 따르지 않는다는 발견이었습니다.
전자기파 란 무엇입니까?
간단히 말해서 전자기파는 단순히 빛으로 알려져 있지만 빛이라는 용어는 가시 광선을 지정하는 데 사용되기도합니다. (눈으로 감지 할 수있는 것), 다른 때는 모든 형태의 전자기를 지칭하는 데 더 일반적으로 사용됩니다. 방사능.
전자기파를 완전히 이해하려면 장의 개념과 전기와 자기의 관계를 이해하는 것이 중요합니다. 이에 대해서는 다음 섹션에서 자세히 설명하지만 본질적으로 전자파 (광파) 자기장에 수직 인 (직각으로) 평면에서 진동하는 전 계파로 구성 웨이브.
전자기 복사가 파동으로 작용하면 특정 전자기파는 그와 관련된 주파수와 파장을 갖게됩니다. 주파수는 1Hz = 1 / s 인 경우 헤르츠 (Hz) 단위로 측정되는 초당 진동 수입니다. 파장은 파문 사이의 거리입니다. 주파수와 파장의 곱은 파동 속도를 나타내며 진공 상태의 빛은 약 3x10입니다.8 m / s.
대부분의 파동 (예: 음파)과 달리 전자기파는 빛의 속도로 빈 공간의 진공을 통과 할 수 있습니다. 우주!
필드와 전자기학
필드는 보이지 않는 벡터 배열로 생각할 수 있으며, 공간의 각 지점에 하나씩 개체가 해당 지점에 배치 될 때 느낄 수있는 힘의 상대적인 크기와 방향을 나타냅니다. 예를 들어, 지구 표면 근처의 중력장은 지구 중심을 직접 가리키는 공간의 각 지점에서 벡터로 구성됩니다. 동일한 고도에서 이러한 모든 벡터는 동일한 크기를 갖습니다.
질량이 주어진 지점에 배치된다면, 그것이 느끼는 중력은 질량과 그곳의 장의 값에 따라 달라집니다. 전기장과 자기장은 물체의 질량 대신 각각 물체의 전하와 자기 모멘트에 의존하는 힘을 적용한다는 점을 제외하면 동일한 방식으로 작동합니다.
전기장은 중력장이 질량에서 직접 발생하는 것처럼 전하의 존재에서 직접 발생합니다. 그러나 자기의 원천은 이동 전하 (또는 이에 상응하는 전기장의 변화)에서 비롯됩니다.
1860 년대에 물리학 자 James Clerk Maxwell은 전기와 자기의 관계를 완전히 설명하는 네 가지 방정식을 개발했습니다. 이 방정식은 기본적으로 전하에 의해 전기장이 생성되는 방식, 기본 자기 모노폴이 존재하지 않는 방식, 변화하는 자기장은 전기장을 생성 할 수 있으며 전류 또는 변화하는 전기장이 자기장을 생성하는 방법 필드.
이러한 방정식을 유도 한 직후 자기 전파 전자기파를 설명하는 솔루션이 발견되었습니다. 이 파도는 빛의 속도로 움직일 것으로 예상되었고 실제로는 빛으로 밝혀졌습니다!
전자기 스펙트럼
전자기파는 주어진 파동의 파장과 주파수의 곱이 같으면 다양한 파장과 주파수로 올 수 있습니다.씨, 빛의 속도. 전자기 복사의 형태는 다음과 같습니다 (긴 파장 / 저에너지에서 짧은 파장 / 고 에너지까지).
- 전파 (0.187m-600m)
- 전자 레인지 (1mm-187mm)
- 적외선 파 (750nm-1mm)
- 가시 광선 (400 nm-750 nm; 이 파장은 사람의 눈으로 감지 할 수 있으며 가시 광선으로 세분화되는 경우가 많습니다.)
- 자외선 (10nm-400nm)
- 엑스레이 (10-12 m-10 nm)
- 감마선 (<10-12 미디엄)
광자는 무엇입니까?
광자는 양자화 된 빛 입자 또는 전자기 복사의 이름입니다. Albert Einstein은 20 세기 초의 논문에서 광양자 (광자)의 개념을 소개했습니다.
광자는 질량이 없으며 수 보존 법칙 (생성 및 파괴 될 수 있음)을 따르지 않습니다. 그러나 그들은 에너지 절약에 순종합니다.
사실, 광자는 힘을 운반하는 입자의 한 부류로 간주됩니다. 광자는 전자기력의 매개체이며 한 곳에서 다른 곳으로 이동할 수있는 에너지 패킷 역할을합니다.
파동과 입자가 근본적으로 다른 두 구조처럼 보이기 때문에 갑자기 전자기파를 입자로 말하는 것이 다소 이상하다고 생각할 것입니다. 사실, 아주 작은 물리학을 매우 이상하게 만드는 것은 이런 종류의 것입니다. 다음 몇 섹션에서는 양자화 및 입자 파동 이중성 개념에 대해 자세히 설명합니다.
전자기파 또는 광자는 어떻게 생성됩니까?
전자기파는 전기장 및 자기장의 진동으로 인해 발생합니다. 전하가 전선을 따라 앞뒤로 이동하면 변화하는 전기장을 생성하고 이는 차례로 변화하는 자기장을 생성 한 다음 자체 전파합니다.
전자 구름 형태의 이동 전하를 포함하는 원자와 분자는 흥미로운 방식으로 전자기 복사와 상호 작용할 수 있습니다. 원자에서 전자는 매우 특정한 양자화 된 에너지 상태에서만 존재할 수 있습니다.
전자가 더 낮은 에너지 상태를 원하면 에너지를 전달하기 위해 개별적인 전자기 복사 패킷을 방출함으로써 그렇게 할 수 있습니다. 반대로, 다른 에너지 상태로 점프하려면 동일한 전자가 매우 특정한 개별 에너지 패킷을 흡수해야합니다.
전자기파와 관련된 에너지는 파동의 주파수에 따라 다릅니다. 따라서 원자는 관련 양자화 된 에너지 수준과 일치하는 매우 특정한 전자기 복사 주파수만을 흡수하고 방출 할 수 있습니다. 이러한 에너지 패킷은광자.
양자화 란 무엇입니까?
양자화연속 스펙트럼에 비해 이산 값으로 제한되는 것을 말합니다. 원자가 단일 광자를 흡수하거나 방출 할 때 양자 역학에 의해 설명되는 매우 특정한 양자화 된 에너지 값에서만 그렇게합니다. 이 "단일 광자"는 실제로 이산 파 "패킷"으로 생각할 수 있습니다.
에너지의 양은 기본 단위의 배수로 만 방출 될 수 있습니다 (플랑크 상수h). 에너지와 관련된 방정식이자형광자의 주파수는 다음과 같습니다.
E = h \ nu
어디ν(그리스 문자 nu)는 광자의 주파수와 플랑크의 상수입니다.h = 6.62607015 × 10-34 Js.
파동 입자 이중성
사람들이 단어를 사용하는 것을들을 것입니다.광자과전자기 방사선서로 다른 것으로 보이지만 서로 바꿔서 사용할 수 있습니다. 광자에 대해 말할 때 사람들은 일반적으로이 현상의 입자 특성에 대해 이야기합니다. 전자파 나 방사능에 대해 이야기 할 때는 파도처럼 속성.
광자 또는 전자기 복사는 입자-파 이중성이라고하는 것을 나타냅니다. 특정 상황 및 특정 실험에서 광자는 입자와 같은 동작을 나타냅니다. 이에 대한 한 가지 예는 광전 효과로, 표면에 닿는 광선이 전자를 방출하는 현상입니다. 이 효과의 세부 사항은 빛이 방출되기 위해 전자가 흡수해야하는 개별 패킷으로 취급되는 경우에만 이해할 수 있습니다.
다른 상황과 실험에서는 파도처럼 행동합니다. 이에 대한 대표적인 예는 단일 또는 다중 슬릿 실험에서 관찰 된 간섭 패턴입니다. 이 실험에서 빛은 여러 동 위상처럼 작동하는 좁고 밀접한 간격의 슬릿을 통해 이동합니다. 결과적으로 그것은 당신이 볼 수있는 것과 일치하는 간섭 패턴을 생성합니다. 웨이브.
더 이상하게도 광자 만이이 이중성을 나타내는 것은 아닙니다. 실제로 모든 기본 입자, 심지어 전자와 양성자까지도 이런 식으로 행동하는 것 같습니다. 입자가 클수록 파장이 짧아지고이 이중성이 덜 나타납니다. 그렇기 때문에 일상 생활에서 이런 것을 눈치 채지 못합니다.