광자 (양자화): 정의, 속성 및 파동 입자 이중성

빛은 물리학 학생이 접하게 될 가장 이상한 주제 중 하나 일 것입니다. 우주에서 가장 빠른 것은 입자와 파동이며 동시에 두 가지 고유 한 특성을 나타냅니다. 근데 뭐이다빛?

무엇을 이해광자무엇입니까양자화수단은 빛의 본질, 양자 물리학 및 수많은 관련 현상을 이해하는 데 기본이됩니다.

광자는 가벼운 입자의 공식적인 이름입니다. 그들은 인간에게 보일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다.빛물리학 적 의미로 사용됩니다. 즉, 광자는 전파에서 감마선에 이르기까지 스펙트럼의 모든 주파수에서 전자기 방사선 입자입니다.

광자는양자화입자. 이것은 그것들이 그 사이에 어떤 양의 에너지가 아닌 별개의 양의 에너지로만 존재한다는 것을 의미합니다. 전자가 떨어질 때 방출되는 에너지로 광자에 대한보다 화학 지향적 인 설명을 고려할 때 원자의 에너지 수준을 낮추면 의미가 있습니다. 전자는 특정 궤도 또는 에너지에만있을 수 있습니다. 수준. 반 단계가 없습니다. 따라서 광자가 "떨어지는 전자"의 결과 인 경우 광자는 특정 에너지 양 또는 양자로만 들어와야합니다.

Albert Einstein은 1905 년 논문에서 빛 양자 (광자) 개념을 소개했습니다. 그가 그해에 과학에 혁명을 일으킨 4 개의 논문 중 하나는 노벨상을 수상한 아이디어였습니다.

앞서 언급했듯이 빛은 모든 유형의 전자기 복사를 의미하며 그 유형은 서로 다른 주파수 (또는 파장)로 구분됩니다. 이 두 가지 측정은 파동의 특성이므로 빛은전자기파.​

그러나 잠깐 – 기사의 이전 섹션에서 조명은입자, 광자, 파동이 아닙니다. 맞습니다. 빛의 기묘한 본질은 파동 입자 이중성 (wave-particle duality)에 존재하는 것입니다.그것은 파동이자 입자입니다.​

따라서 "전자파"와 "광자"는 모두 허용되는 빛의 설명자입니다. 일반적으로 첫 번째 문구는 빛을 설명하는 데 사용됩니다.파도처럼 행동그리고 후기는입자 역할​.

이것은 물리학자가 조사하는 현상에 따라 중요해집니다. 특정 상황 및 특정 실험에서 광자는 예를 들어 광전 효과를 관찰 할 때 입자가 작용할 것으로 예상하는 것처럼 행동합니다. 다른 상황과 실험에서 빛은 라디오 방송국을 변조 할 때처럼 파동처럼 작용합니다.

연속 스펙트럼에 존재하지 않고 이산 값으로 제한된 모든 것은 양자화를 겪고 있습니다.

원자의 양자화는 광자의 형태로 방출 될 수있는 에너지의 양이 기본 단위 플랑크 상수의 배수에서만 발생한다고 설명합니다.h= 6.6262 x 10 ^-34 줄 초

1800 년대 후반 Max Planck에 의해 발견 된이 유닛은 물리학에서 가장 기이하고 중요한 유닛 중 하나입니다. 그것은 파동 입자의 주파수와 에너지 수준 사이의 관계를 설명하고 따라서 우리가 물질의 구조를 이해할 수있는 확실성에 하한을 설정합니다.

이 한계를 아는 가장 큰 결과 중 하나는 다음과 같이 알려진 이상하지만 실제 연구 분야를 시작하는데도 도움이되었습니다. 양자 물리학은 가장 작은 아 원자 수준에서 입자의 위치를 ​​다음과 같이 설명 할 수 있다는 것입니다. 개연성. 달리 말하면 아 원자 입자의 위치 만또는속도는 주어진 시간에 확실하게 알 수 있지만둘 다 아닙니다​.

퀀타 정의h광자의 에너지에 대한 방정식으로 이어집니다.

어디 에너지이자형줄 (J), 플랑크 상수h줄 초 (Js) 및 빈도에프헤르츠 (Hz) 단위입니다.

대부분의 사람들은 입자를 질량에 따라 크기가 결정되는 작은 물질 단위로 생각할 것입니다. 이것은 순수한 에너지의 단위로서 광자는 질량이 0이기 때문에 입자 형태의 빛을 특히 이상한 짐승으로 만듭니다.

광자의 또 다른 중요한 특성은 빈 공간의 진공 상태에서 항상 ~ 300,000,000 m / s의 빛의 속도로 이동한다는 것입니다. 빛은 그보다 더 느리게 이동할 수 있습니다. 다른 물질을 만날 때마다 상호 작용하고 속도가 느려지므로 빛이 통과하는 물질이 밀도가 높을수록 속도가 느려집니다. 하나,우주의 어떤 것도 빛보다 빠르게 이동할 수 없습니다. 가장 빠른 로켓도 아니고 가장 가속 된 원자 입자도 아닙니다.

• 빛의 속도는 ~ 300,000,000 m / s로 모든 것이 이동할 수있는 가장 빠른 속도입니다. 이것이 우주의 제한 속도라고도하는 이유입니다.

이런 식으로 빛을 이해하는 것은 가장 큰 것에서 가장 작은 것까지 우주 자체의 근본적인 한계를 이해하는 데 중요합니다.

빛은 항상 똑같이 여행하지만속도주어진 매체에서 전자기 복사의 한 형태로주파수또는파장. 전자기파로서 빛의 주파수와 파장은 스펙트럼을 따라 서로 반대로 변합니다.

가장 긴 파장과 가장 낮은 주파수 끝에는 전파가 있으며 그 후 마이크로파, 적외선, 가시 광선이 나타납니다. 빛, 자외선, X 선 및 고 에너지 감마선 (각각 파장이 점차 짧아지고 더 높아짐) 주파수.

1930 년대의 물리학 자들은 우주의 모든 물질이 몇 개의 물질로 구성되어 있다는 것을 배우기 시작했습니다. 기본 입자로 알려진 기본 입자는 모두 동일한 세트에 의해 제어됩니다. 근본적인 힘. 그만큼표준 모델입자 물리학의 집합은 이러한 모든 기본 입자와 기본 힘이 관련되는 방식을 간결하게 설명하려는 일련의 방정식입니다. 빛은이 보편적 인 묘사의 중요한 부분입니다.

1970 년대 이후 개발 된 표준 모델은 지금까지 전부는 아니지만 많은 양자 물리학 실험의 결과를 정확하게 예측했습니다. 모델에서 아직 해결되지 않은 눈에 띄는 문제는 중력을 방정식 세트에 통합하는 방법입니다. 또한 암흑 물질이 무엇인지 또는 빅뱅에서 생성 된 모든 반물질이 어디에서 사라 졌는지 파악하는 등 몇 가지 큰 우주 문제에 대한 답변을 제공하지 못합니다. 그럼에도 불구하고 그것은 널리 받아 들여지고 현재까지 우리 존재의 근본적인 본질을 설명하는 최고의 이론으로 간주됩니다.

표준 모델에서 모든 물질은 다음과 같은 기본 입자의 클래스로 구성됩니다.Fermions. Fermions에는 두 가지 유형이 있습니다.쿼크또는Leptons. 이러한 각 범주는 다음과 같이 알려진 쌍으로 관련된 6 개의 입자로 더 나뉩니다.세대. 1 세대가 가장 안정적이며 2 세대와 3 세대에서 발견되는 더 무겁고 덜 안정적인 입자입니다.

표준 모델의 다른 구성 요소는 힘과 캐리어 입자입니다.Bosons. 중력, 전자기, 강하고 약한 네 가지 기본 힘은 각각 물질 입자와 교환하여 힘을 전달하는 보손과 관련이 있습니다.

가속기에서 일하거나 우주에서 고 에너지 입자 충돌을 관찰하는 입자 물리학 자들은 후자의 세 가지 힘에 대한 보손을 확인했습니다.광자는 우주에서 전자기력을 전달하는 보손입니다.,글루온강한 힘과W과지입자는 약한 힘을 전달합니다. 그러나 중력에 대한 이론적 보손은Graviton, 아직 파악하기 어렵습니다.

​흑체 방사선.흑체는 자신에게 닿는 모든 전자기 복사를 흡수하는 가상 유형의 물체입니다 (완벽한 물체는 자연에 존재하지 않음). 본질적으로 흑체에 닿는 전자기 복사는 흑체를 가열하는 역할을하며 냉각 중에 방출되는 복사는 온도와 직접 관련이 있습니다. 물리학 자들은이 근사치를 사용하여 별과 블랙홀과 같이 우주에서 거의 완벽한 흑체의 속성을 추론 할 수 있습니다.

빛의 파동 특성은 물체가 흡수하고 방출하는 흑체 복사의 주파수를 설명하는 데 도움이되지만 흑체가 포함 할 수있는 에너지가 양자화되기 때문에 광자로서의 입자 특성도 수학적으로 설명하는 데 도움이됩니다. 막스 플랑크는이 현상을 최초로 조사한 사람 중 하나입니다.

​이중 슬릿 실험.양자 물리학의 중심 신조 인 이중 슬릿 실험은 두 개의 좁은 구멍이있는 장벽에 빛을 비추면 어떻게 빛과 어두운 그림자의 독특한 패턴이 생성되는지 보여줍니다.웨이브 간섭 패턴​.

이것의 이상한 부분은 개구부를 통해 보이는 단일 광자가 홀로 나눌 수 없음에도 불구하고 다른 광자를 방해하는 것처럼 여전히 행동한다는 것입니다. 즉, 실험에서 관찰 된 빛의 패턴은 빛을 광자 나 파동으로 만 취급한다고 설명 할 수 없다는 것입니다. 둘 다 고려되어야합니다. 이 실험은 파동 입자 이중성의 개념이 의미하는 바를 설명 할 때 자주 인용됩니다.

​Compton 효과.Compton 효과는 빛의 파동과 입자 특성 간의 상호 작용에 대한 또 다른 관찰 가능한 예입니다. 광자가 고정 전자와 충돌 할 때 에너지와 운동량이 어떻게 보존되는지 설명합니다. 광자의 에너지 양에 대한 방정식을 운동량 보존 방정식과 결합하면 결과 나가는 광자의 파장 (초기 여전히 전자)은 들어오는 광자의 파장으로 예측할 수 있습니다. 그것은 에너지입니다.

​분광학.분광기 기술을 사용하면 물리학 자, 화학자, 천문학 자 및 기타 과학자가 물질 구성을 조사 할 수 있습니다. 먼 별을 포함한 물체는 단순히 그 물체에서 들어오는 빛을 분리하여 발생하는 패턴을 프리즘. 서로 다른 요소가 이산 양자에서 광자를 흡수하고 방출하기 때문에 관찰 된 전자기 파장은 물체에 포함 된 요소에 따라 이산 세그먼트로 떨어집니다.

​질량 에너지 등가.많은 아이들이 아인슈타인의 유명한 방정식을 암송 할 수 있습니다.E = mc². 짧고 달콤한이 방정식의 진정한 의미는 심오합니다.질량미디엄그리고 에너지이자형동등하다진공 상태에서 빛의 속도를 사용하여 서로 변환 할 수 있습니다.씨, 제곱. 이것은 움직이지 않는 물체가 여전히 에너지를 가지고 있음을 의미합니다. 이 경우에는나머지 질량그것과 같다고휴식 에너지​.

입자 물리학 자들은 질량 에너지 등가를 사용하여 일부 측정에 대해 더 간단한 단위를 결정합니다. 예를 들어, 양자 물리학 자들은 양성자 및 전자와 같은 아 원자 입자를 가속하여 페르미온 또는 보손의 질량을 검색합니다. 거대 가속기에서 빛에 가까운 속도를 내고 함께 분쇄 한 다음 고감도 전기에서 "파편"의 영향을 분석합니다. 배열.

그러나 질량을 킬로그램으로 제공하는 대신 입자 질량을보고하는 일반적인 방법은 에너지 단위 인 기가 전자 볼트 (GeV)입니다. 이 값을 SI 단위 킬로그램의 질량으로 되돌리려면 다음과 같은 간단한 관계를 사용할 수 있습니다. 1 GeV /씨​² = 1.78266192×10⁻²⁷ 케이.