Gaisma (fizika): kas tas ir un kā tas darbojas?

Elektromagnētiskā starojuma (gaismas) daļiņu un viļņu dualitātes izpratne ir būtiska, lai izprastu kvantu teoriju un citas parādības, kā arī gaismas būtību. Viens no lielākajiem zinātnes sasniegumiem iepriekšējā gadsimtā bija atklājums, ka ļoti mazi priekšmeti neievēro tos pašus noteikumus kā ikdienas priekšmeti.

Vienkārši runājot, elektromagnētiskos viļņus vienkārši sauc par gaismu, lai gan terminu gaisma dažreiz lieto, lai norādītu redzamo gaismu (tas, ko var noteikt ar aci), un citi laiki tiek izmantoti vispārīgāk, lai apzīmētu visas elektromagnētiskās formas starojums.

Lai pilnībā izprastu elektromagnētiskos viļņus, ir svarīgi saprast lauka jēdzienu un attiecības starp elektrību un magnētismu. Tas tiks sīkāk paskaidrots nākamajā sadaļā, bet būtībā elektromagnētiskie viļņi (gaismas viļņi) sastāv no elektriskā lauka viļņa, kas svārstās plaknē, kas perpendikulāra (taisnā leņķī) magnētiskajam laukam vilnis.

Ja elektromagnētiskais starojums darbojas kā vilnis, tad jebkuram konkrētam elektromagnētiskajam vilnim ar to būs saistīta frekvence un viļņa garums. Frekvence ir svārstību skaits sekundē, mērot hercos (Hz), kur 1 Hz = 1 / s. Viļņa garums ir attālums starp viļņu cekuliem. Frekvences un viļņa garuma reizinājums dod viļņa ātrumu, kas gaismai vakuumā ir aptuveni 3 × 10

Atšķirībā no vairuma viļņu (piemēram, skaņas viļņiem, piemēram, skaņas viļņiem), elektromagnētiskajiem viļņiem nav nepieciešama vide, caur kuru izplatīties un tādējādi var šķērsot tukšās telpas vakuumu, ko viņi dara ar gaismas ātrumu - visātrāko ātrumu Visums!

Lauku var uzskatīt par neredzamu vektoru masīvu, pa vienam katrā kosmosa punktā norādot relatīvo lielumu un virzienu spēkam, kuru objekts izjustu, ja to novietotu šajā punktā. Piemēram, gravitācijas lauks netālu no zemes virsmas sastāvētu no vektora katrā kosmosa punktā, kas vērsts tieši uz zemes centru. Tajā pašā augstumā visiem šiem vektoriem būtu vienāds lielums.

Ja masa būtu jānovieto noteiktā punktā, tad gravitācijas spēks, ko tā izjūt, būtu atkarīgs no tā masas un lauka vērtības. Elektriskie lauki un magnētiskie lauki darbojas vienādi, izņemot to, ka tie masas vietā pieliek spēkus, kas atkarīgi no objekta lādiņa un magnētiskā momenta.

Elektriskais lauks rodas tieši no lādiņu esamības, tāpat kā gravitācijas lauks rodas tieši no masas. Tomēr magnētisma avots ir lādiņa pārvietošana (vai līdzvērtīga elektrisko lauku maiņa).

1860. gados fiziķis Džeimss Klerks Maksvels izstrādāja četru vienādojumu kopumu, kas pilnībā aprakstīja elektrības un magnētisma attiecības. Šie vienādojumi būtībā parādīja, kā elektriskos laukus rada lādiņi, kā nepastāv fundamentāli magnētiski monopoli, kā mainot magnētiskos laukus, var ģenerēt elektrisko lauku un to, kā strāva vai mainīgie elektriskie lauki var radīt magnētisko lauki.

Neilgi pēc šo vienādojumu atvasināšanas tika atrasts risinājums, kurā aprakstīts pašpopulējošais elektromagnētiskais vilnis. Paredzēts, ka šis vilnis pārvietosies ar gaismas ātrumu, un tas patiešām izrādījās viegls!

Elektromagnētiskie viļņi var nonākt dažādos viļņu garumos un frekvencēs, ja vien viļņa garuma un frekvences reizinājums ir vienāds arc, gaismas ātrums. Elektromagnētiskā starojuma veidi ietver (no garākiem viļņu garumiem / zemas enerģijas līdz īsākiem viļņu garumiem / ar lielu enerģiju):

• Radioviļņi (0,187 m - 600 m)
• Mikroviļņu krāsnis (1 mm - 187 mm)
• Infrasarkanie viļņi (750 nm - 1 mm)
• Redzamā gaisma (400 nm - 750 nm; šos viļņu garumus var noteikt cilvēka acs un tie bieži tiek sadalīti redzamajā spektrā)
• Ultravioletā gaisma (10 nm - 400 nm)
• Rentgens (10^-12 m - 10 nm)
• Gamma stari (<10^-12 m)

Fotoni ir kvantētu gaismas daļiņu vai elektromagnētiskā starojuma nosaukums. Alberts Einšteins 20. gadsimta sākuma dokumentā ieviesa gaismas kvantu (fotonu) jēdzienu.

Fotoni ir bez masas, un tie neievēro skaitļu saglabāšanas likumus (tas nozīmē, ka tos var izveidot un iznīcināt). Viņi tomēr pakļaujas enerģijas taupīšanai.

Faktiski fotoni tiek uzskatīti par daļiņu klasi, kas ir spēka nesēji. Foton ir elektromagnētiskā spēka starpnieks un darbojas kā enerģijas pakete, kuru var pārnest no vienas vietas uz otru.

Jūs, iespējams, domājat, ka ir diezgan dīvaini pēkšņi runāt par elektromagnētiskajiem viļņiem kā par daļiņām, jo ​​viļņi un daļiņas šķiet kā divi principiāli atšķirīgi uzbūvējumi. Patiešām, tieši šāda veida lieta padara mazu cilvēku fiziku tik dīvainu. Dažās nākamajās sadaļās kvantēšanas un daļiņu-viļņu dualitātes jēdzieni tiek aplūkoti sīkāk.

Elektromagnētiskie viļņi rodas elektrisko un magnētisko lauku svārstību rezultātā. Ja lādiņš virzās uz priekšu un atpakaļ pa vadu, tas rada mainīgu elektrisko lauku, kas savukārt rada mainīgu magnētisko lauku, kas pēc tam pats izplatās.

Atomi un molekulas, kas satur kustīgu lādiņu elektronu mākoņu formā, interesantos veidos spēj mijiedarboties ar elektromagnētisko starojumu. Atomā elektroniem ir atļauts eksistēt tikai ļoti specifiskos kvantētos enerģijas stāvokļos.

Ja elektrons vēlas atrasties zemākas enerģijas stāvoklī, tas var to izdarīt, izstarojot diskrētu elektromagnētiskā starojuma paketi enerģijas nodošanai. Un otrādi, lai pārietu citā enerģijas stāvoklī, tam pašam elektronam ir jāuzsūc arī ļoti specifiska diskrēta enerģijas pakete.

Enerģija, kas saistīta ar elektromagnētisko vilni, ir atkarīga no viļņa frekvences. Kā tādi atomi var absorbēt un izstarot tikai ļoti specifiskas elektromagnētiskā starojuma frekvences, kas atbilst ar tiem saistītajiem kvantētajiem enerģijas līmeņiem. Šīs enerģijas paketes tiek sauktasfotoni​.

​Kvantēšanaattiecas uz kaut ko tikai diskrētām vērtībām pret nepārtrauktu spektru. Kad atomi absorbē vai izstaro vienu fotonu, tie to dara tikai ar ļoti specifiskām kvantētas enerģijas vērtībām, kuras apraksta kvantu mehānika. Šo “vienu fotonu” patiešām var uzskatīt par diskrēta viļņa “paketi”.

Enerģijas daudzumu var izstarot tikai elementārvienības daudzkārtnēs (Plankas konstanteh). Vienādojums, kas attiecas uz enerģijuEfotona frekvence ir:

Kurν(grieķu burts nu) ir fotona frekvence un Plankas konstanteh​ = 6.62607015 × 10^-34 Dž.

Jūs dzirdēsiet, kā cilvēki lieto vārdusfotonsunelektromagnētiskā radiācijakaut arī šķiet, ka tās ir dažādas lietas. Runājot par fotoniem, cilvēki parasti runā par šīs parādības daļiņu īpašībām, turpretī, runājot par elektromagnētiskajiem viļņiem vai radiāciju, viņi runā ar viļņveidīgo īpašības.

Fotoni vai elektromagnētiskais starojums parāda to, ko sauc par daļiņu-viļņu dualitāti. Noteiktās situācijās un noteiktos eksperimentos fotoniem piemīt daļiņām līdzīga izturēšanās. Viens piemērs tam ir fotoelektriskais efekts, kur gaismas stars, kas ietriecas virsmā, izraisa elektronu izdalīšanos. Šī efekta specifiku var saprast tikai tad, ja gaisma tiek uzskatīta par atsevišķām paketēm, kuras elektroniem jāuzsūc, lai tie tiktu izstaroti.

Citās situācijās un eksperimentos viņi darbojas vairāk kā viļņi. Spilgts piemērs tam ir traucējumu modeļi, kas novēroti eksperimentos ar vienu vai vairākām spraugām. Šajos eksperimentos gaisma pārvietojas pa šauriem, cieši izvietotiem spraugām, kas darbojas kā vairākas fāzes gaismas avotiem, un rezultātā tas rada traucējumu modeli, kas atbilst tam, ko jūs redzētu a vilnis.

Pat dīvaināk, ka fotoni nav vienīgais, kas parāda šo dualitāti. Patiešām, šķiet, ka visas pamata daļiņas, pat elektroni un protoni, izturas šādi. Jo lielāka ir daļiņa, jo īsāks ir viļņa garums, un jo mazāk šī dualitāte parādīsies. Tāpēc ikdienā neko tādu nepamanāt.