Fotonai (kvantavimas): apibrėžimas, savybės ir bangų dalelių dvilypumas

Šviesa neabejotinai yra viena keisčiausių temų, su kuriomis susidurs fizikos studentas. Greičiausias dalykas visatoje yra kažkaip ir dalelė, ir banga - ir jie tuo pačiu metu demonstruoja unikalias abiejų savybes. Bet kasyralengvas?

Suprasti kąfotonaiyra ir kaskvantavimaspriemonės yra esminės suprantant šviesos prigimtį, kvantinę fiziką ir begalę susijusių reiškinių.

Fotonai yra oficialus šviesos dalelių pavadinimas. Jie gali būti matomi žmonėms ar ne, nes čia šis terminaslengvasyra naudojamas fizikos prasme, o tai reiškia, kad fotonas yra elektromagnetinės spinduliuotės dalelė bet kokiu dažnio spektru, pradedant radijo bangomis ir baigiant gama spinduliais.

Fotonai yra akiekybiškaidalelė. Tai reiškia, kad jie egzistuoja tik atskirais energijos kiekiais, o ne bet kokiu energijos kiekiu tarp jų. Nagrinėjant labiau į chemiją orientuotą fotono apibūdinimą kaip energiją, išsiskiriančią nukritus elektronui iki žemesnio energijos lygio atome, tai yra prasminga: elektronai gali būti tik tam tikrose orbitose arba energijoje lygius. Pusiau žingsnių nėra. Taigi, jei fotonas yra „krentančio elektrono“ rezultatas, fotonas taip pat turi būti tik tam tikrais energijos kiekiais arba kvantais.

Albertas Einšteinas 1905 m. Straipsnyje pristatė šviesos kvantų (fotonų) sąvoką. Vienas iš keturių tais metais jo išleistų straipsnių, perversmusį mokslą, tai buvo idėja, kuri jam pelnė Nobelio premiją.

Kaip minėta anksčiau, šviesa reiškia bet kokio tipo elektromagnetinę spinduliuotę, kurios tipai išsiskiria skirtingais dažniais (arba bangos ilgiais). Šios dvi priemonės yra bangų charakteristikos, todėl šviesa turi būtielektromagnetinė banga.​

Bet palaukite - ankstesniame straipsnio skyriuje šviesa buvo pristatyta kaipdalelė, fotonas, o ne kaip banga. Tai yra teisinga. Keista šviesos prigimtis turi egzistuoti vadinamajame bangų ir dalelių dvilypume:Tai ir banga, ir dalelė.​

Todėl tiek „elektromagnetinė banga“, tiek „fotonas“ yra priimtini šviesos apibūdintojai. Paprastai pirma frazė naudojama šviesai apibūdinti, kai ji yraveikiantis kaip bangao pastarasis terminas, kai jis yraveikiantis kaip dalelė​.

Tai tampa svarbu atsižvelgiant į fiziko nagrinėjamus reiškinius. Tam tikrose situacijose ir atliekant tam tikrus eksperimentus fotonai elgiasi taip, kaip fizikai tikisi, kad dalelės veiks, pavyzdžiui, stebėdami fotoelektrinį efektą. Kitose situacijose ir eksperimentuose šviesa veikia labiau kaip bangos, pavyzdžiui, moduliuojant radijo stotį.

Viskas, kas ribojama atskiromis vertėmis, o ne esama ištisiniame spektre, yra kvantuojama.

Kvantavimas atome paaiškina, kad energijos kiekis, kurį galima išskirti fotono pavidalu, atsiras tik elementaro Plancko konstantos kartotiniais,h= 6,6262 x 10 ^-34 džaulio sekundės

Šis vienetas, kurį Maxas Planckas atrado 1800-ųjų pabaigoje, yra vienas keisčiausių ir svarbiausių fizikos vienetų. Jis apibūdina bangos dalelės dažnio ir jos energijos lygio santykį ir taip nustato apatinę apatinę ribą tikrumui, su kuriuo galime suprasti materijos struktūrą.

Vienas iš didžiausių pasekmių žinant šią ribą, kuri taip pat padėjo pradėti keistą, bet realią studijų sritį, vadinamą kvantinė fizika yra ta, kad mažiausiuose subatominiuose lygiuose dalelių padėtis apibūdinama tik kaip a tikimybė. Kitaip tariant, tik subatominės dalelės padėtisarbagreitį galima tiksliai žinoti bet kuriuo metu, betne tiek​.

Kvantų apibrėžimashnustatyti fotono energijos lygtį:

kur energijaEyra džauliais (J), Plancko konstantahyra džaulio sekundėmis (Js) ir dažniufyra hercais (Hz).

Daugelis žmonių tikriausiai mano, kad dalelės yra maži materijos vienetai, kurių dydis priklauso nuo jų masės. Dėl to šviesos dalelių forma yra ypač keistas žvėris, nes kaip grynos energijos vienetas fotonas turi nulinę masę.

Kita svarbi fotonų savybė yra ta, kad tuščios erdvės vakuume jie visada važiuoja šviesos greičiu, ~ 300 000 000 m / s. Šviesa gali keliauti lėčiau nei bet kada - susidūrusi su kita materija, sąveikauja su ja ir lėtina, todėl kuo tankesnė medžiaga, per kurią sklinda šviesa, tuo lėčiau ji eina. Tačiauniekas visatoje negali keliauti greičiau nei šviesa. Ne greičiausia raketa, nei greičiausia atominė dalelė.

• Šviesos greitis ~ 300 000 000 m / s yra greičiausias, kad viskas gali keliauti. Štai kodėl jis dar vadinamas visatos greičio apribojimu.

Tokiu būdu šviesos supratimas yra labai svarbus norint suprasti pagrindines visatos ribas, nuo pačios didžiausios iki pačios mažiausios.

Nors šviesa visada keliauja tuo pačiugreičiutam tikroje terpėje, kaip elektromagnetinės spinduliuotės forma, ji gali būti skirtingadažniaiarbabangos ilgius. Šviesos dažniai ir bangos ilgiai, kai elektromagnetinės bangos keičiasi atvirkščiai viena kitai išilgai spektro.

Ilgiausio bangos ilgio ir žemiausio dažnio gale yra radijo bangos, po kurių atsiranda mikrobangų, infraraudonųjų spindulių, matomos šviesos, ultravioletinių spindulių, rentgeno ir didelės energijos gama spinduliai, kurių kiekvieno bangos ilgis laipsniškai mažesnis ir didesnis dažniai.

Ketvirtajame dešimtmetyje fizikai pradėjo sužinoti, kad visa visatos materija susideda iš kelių pagrindinės dalelės, žinomos kaip elementariosios dalelės, kurias visas valdo tas pats rinkinys pagrindinės jėgos. TheStandartinis modelisdalelių fizikos dalis yra lygčių rinkinys, bandantis glaustai apibūdinti, kaip susijusios visos šios elementariosios dalelės ir pagrindinės jėgos. Šviesa yra kritinė šio universalaus aprašymo dalis.

Kuriant nuo 1970-ųjų, standartinis modelis iki šiol teisingai numatė daugelio, nors ir ne visų, kvantinės fizikos eksperimentų rezultatus. Akivaizdi problema, kurią dar reikia išspręsti modelyje, yra tai, kaip įtraukti gravitaciją į lygčių rinkinį. Be to, ji nepateikia atsakymų į kai kuriuos didelius kosmologinius klausimus, įskaitant išsiaiškinimą, kas yra tamsioji materija arba kur dingo visos Antimaterijos, sukurtos Didžiojo sprogimo metu. Vis dėlto tai yra plačiai pripažinta ir laikoma geriausia teorija, paaiškinančia pagrindinį mūsų egzistencijos pobūdį.

Standartiniame modelyje visa materija susideda iš vadinamųjų elementariųjų dalelių klasėsfermionai. Fermionai yra dviejų tipų:kvarkaiarbaleptonai. Kiekviena iš šių kategorijų yra dar suskirstyta į šešias daleles, susietas poromis, žinomas kaipkartos. Pirmoji karta yra pati stabiliausia, sunkesnių ir mažiau stabilių dalelių yra antroje ir trečioje kartose.

Kiti standartinio modelio komponentai yra jėgos ir nešiklio dalelės, žinomos kaipbozonai. Kiekviena iš keturių pagrindinių jėgų - gravitacija, elektromagnetinė, stipri ir silpna - yra susijusi su bozonu, kuris perduoda jėgą mainais su materijos dalelėmis.

Dalelių fizikai, dirbantys greitintuvuose arba stebintys, ar iš kosmoso susiduria didelės energijos dalelės, nustatė trijų pastarųjų jėgų bozonus.Fotonas yra bozonas, nešantis elektromagnetinę jėgą visatoje,gluonasėduonis stiprią jėgą irWirZdalelės neša silpną jėgą. Tačiau teorinis gravitacijos bozonasgravitonas, lieka nepagaunamas.

​Juodojo kūno spinduliuotė.Juodieji kūnai yra hipotetinis objekto tipas (tobulų gamtoje nėra), sugeriančių visą į juos patekusią elektromagnetinę spinduliuotę. Iš esmės, bet kokia juodąjį kūną pataikanti elektromagnetinė spinduliuotė jį šildo, todėl radiacija, kurią jis skleidžia vėsdamas, yra tiesiogiai susijusi su jo temperatūra. Fizikai gali naudoti šį apytikslį rezultatą, kad nustatytų beveik tobulų visatos juodųjų kūnų, tokių kaip žvaigždės ir juodosios skylės, savybes.

Nors bangos šviesos pobūdis padeda apibūdinti juodojo kūno spinduliuotės dažnius, kuriuos daiktas sugers ir skleis, jos dalelių prigimtis, kaip fotonas, taip pat padeda ją apibūdinti matematiškai, nes juodojo kūno energijos gali būti kvantuojamos. Maxas Planckas buvo vienas iš pirmųjų, tyrinėjančių šiuos reiškinius.

​Dviejų plyšių eksperimentas.Pagrindinis kvantinės fizikos principas, dvigubo plyšio eksperimentas rodo, kaip šviesa apšviečiant barjerą su dviem siauromis angomis, gaunamas ryškus šviesos ir tamsių šešėlių modelis, žinomas kaipbangos trukdžių modelis​.

Keista tai, kad vienas pro angą parodytas fotonas vis tiek elgsis taip, tarsi trukdytų kitiems fotonams, nepaisant to, kad yra vienas ir nedalomas. Tai reiškia, kad eksperimente pastebėtas šviesos modelis negali būti paaiškintas traktuojant šviesą tik kaip fotoną ar bangą; tai reikia laikyti abiem. Šis eksperimentas dažnai cituojamas paaiškinant, ką reiškia bangų ir dalelių dvilypumo idėja.

​Compton efektas.Compton efektas yra dar vienas pastebimas šviesos bangos ir dalelių prigimčių sąveikos pavyzdys. Čia aprašoma, kaip išsaugoma energija ir impulsas, kai fotonas susiduria su nejudančiu elektronu. Sujungus fotono energijos kiekio lygtį su impulsų išsaugojimo lygtimis, paaiškėja, kad gautas išeinančio fotono (iš pradžių dar elektrono) bangos ilgį galima numatyti pagal gaunamo fotono bangos ilgį, kuris suteikė tai energija.

​Spektroskopija.Spektroskopijos technika leidžia fizikams, chemikams, astronomams ir kitiems mokslininkams ištirti objektą, įskaitant tolimas žvaigždes, paprasčiausiai analizuojant modelius, atsirandančius dėl to objekto gaunamos šviesos padalijimo su prizmė. Kadangi skirtingi elementai absorbuoja ir išskiria fotonus atskirais kvantais, stebimi elektromagnetiniai bangos ilgiai patenka į atskirus segmentus, priklausomai nuo to, kokius elementus turi objektai.

​Masės ir energijos ekvivalentiškumas.Daugybė vaikų gali pasakyti garsiąją Einšteino lygtįE = mc². Trumpas ir mielas, tikrosios šios lygties reikšmės yra gilios:Mišiosmir energijaEyra lygiaverčiaiir gali būti paversti vienas kitu, naudojant šviesos greitį vakuume,c, kvadratu. Tai reiškia, kad nejudantis objektas vis tiek turi energijos; šiuo atveju jospoilsio masėsakoma, kad lygi jospoilsio energija​.

Dalelių fizikai naudoja masės ir energijos ekvivalentiškumą, kad nustatytų paprastesnius matavimo vienetus. Pavyzdžiui, kvantiniai fizikai ieško fermionų ar bozonų masės, spartindami subatomines daleles, tokias kaip protonai ir elektronai, beveik šviesos greičiu milžiniškuose greitintuvuose ir juos sutriuškinant, tada analizuojant „šiukšlių“ poveikį labai jautriose elektrinėse masyvai.

Užuot pateikęs masę kilogramais, vis dėlto įprastas būdas pranešti apie dalelių masę yra gigai-elektronui-voltui arba GeV, energijos vienetas. Norėdami grąžinti šią vertę į SI vienetų kilogramų masę, jie gali naudoti šį paprastą ryšį: 1 GeV /c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.