Fotoni (kvantēšana): definīcija, īpašības un viļņu daļiņu dualitāte

Gaisma neapšaubāmi ir viena no dīvainākajām tēmām, ar kuru saskaras fizikas students. Ātrākais Visumā kaut kā ir gan daļiņa, gan vilnis - un tajā pašā laikā ir abu īpašās īpašības. Bet kasirgaisma?

Izpratne par kofotoniir un kaskvantēšanalīdzekļi ir būtiski, lai izprastu gaismas būtību, kvantu fiziku un neskaitāmas saistītās parādības.

Fotoni ir oficiāls nosaukums gaismas daļiņām. Tie var būt redzami cilvēkiem vai nē, jo šeit šis terminsgaismatiek izmantots fizikas izpratnē, kas nozīmē, ka fotons ir elektromagnētiskā starojuma daļiņa jebkurā spektra frekvencē, sākot no radioviļņiem līdz gamma stariem.

Fotoni ir akvantitatīvidaļiņa. Tas nozīmē, ka tie pastāv tikai atsevišķos enerģijas daudzumos, nevis jebkādā enerģijas daudzumā starp tiem. Apsverot vairāk uz ķīmiju orientētu fotona aprakstu kā enerģiju, kas izdalās, krītot elektronam līdz zemākam enerģijas līmenim atomā, tam ir jēga: elektroni var atrasties tikai noteiktās orbitālēs vai enerģijā līmeņiem. Pussoli nav. Tātad, ja fotons ir "krītoša elektrona" rezultāts, arī fotonam jābūt tikai noteiktā enerģijas daudzumā jeb kvantos.

Alberts Einšteins 1905. gada dokumentā ieviesa gaismas kvantu (fotonu) jēdzienu. Viens no četriem tajā gadā publicētajiem dokumentiem, kas radikāli mainīja zinātni, šī ideja viņam ieguva Nobela prēmiju.

Kā minēts iepriekš, gaisma attiecas uz jebkura veida elektromagnētisko starojumu, kura tipus izceļ ar atšķirīgo frekvenci (vai viļņa garumu). Šie divi rādītāji ir viļņu raksturlielumi, tāpēc gaismai jābūtelektromagnētiskais vilnis.​

Bet pagaidiet - raksta iepriekšējā sadaļā gaisma tika ieviesta kā adaļiņa, fotons, nevis kā vilnis. Tas ir pareizi. Gaismas dīvainajai būtībai ir jāpastāv tajā, ko sauc par viļņu-daļiņu dualitāti:Tas ir gan vilnis, gan daļiņa.​

Tāpēc gan "elektromagnētiskais vilnis", gan "fotons" ir pieņemami gaismas aprakstītāji. Parasti pirmo frāzi izmanto, lai aprakstītu gaismu, kad tā irdarbojas kā vilnisun pēdējais termins, kad tas irdarbojas kā daļiņa​.

Tas kļūst svarīgi atkarībā no fiziķa apskatītajām parādībām. Noteiktās situācijās un noteiktos eksperimentos fotoni rīkojas tā, kā fiziķi sagaida daļiņu darbību, piemēram, novērojot fotoelektrisko efektu. Citās situācijās un eksperimentos gaisma darbojas vairāk kā viļņi, piemēram, modulējot radiostaciju.

Viss, kas aprobežojas ar diskrētām vērtībām, nevis pastāvīgā spektrā, notiek kvantēšana.

Kvantēšana atomā izskaidro, ka enerģijas daudzums, ko var izstarot fotona veidā, notiks tikai Plankas elementa vienības konstanta daudzkārtnēs,h= 6,6262 x 10 ^-34 džoula sekundes

Šī vienība, kuru Makss Planks atklāja 1800. gadu beigās, ir viena no visdīvainākajām un svarīgākajām fizikas vienībām. Tas apraksta saistību starp viļņu daļiņas frekvenci un tās enerģijas līmeni, un tādējādi nosaka zemāko zemāko robežu noteiktībai, ar kādu mēs varam saprast vielas struktūru.

Viens no lielākajiem atzariem, zinot šo robežu, kas arī palīdzēja sākt nepāra, bet reālu pētījumu jomu, kas pazīstama kā kvantu fizika ir tāda, ka mazākajos subatomu līmeņos daļiņu stāvoklis ir aprakstāms tikai kā a varbūtība. Citādi sakot, tikai subatomu daļiņu stāvoklisvaiātrumu jebkurā laikā var droši noteikt, betne abi​.

Kvantu noteikšanahnovest pie fotona enerģijas vienādojuma:

kur enerģijaEir džoulos (J), Plankas konstantehir džoula sekundēs (Js) un frekvencēfir hercos (Hz).

Lielākā daļa cilvēku, iespējams, domā, ka daļiņas ir niecīgas vielas vienības, kuru lielums ir atkarīgs no to masas. Tas padara gaismas daļiņu formu par īpaši dīvainu zvēru, jo kā tīras enerģijas vienībai fotonam ir nulle.

Vēl viena svarīga fotonu īpašība ir tā, ka tukšās telpas vakuumā tie vienmēr pārvietojas ar gaismas ātrumu, ~ 300 000 000 m / s. Gaisma var pārvietoties lēnāk - jebkurā laikā, kad tā sastopas ar citu vielu, tā mijiedarbojas ar to un palēnina tā, ka jo blīvāks materiāls, pa kuru gaisma virzās, jo lēnāk tā iet. Tomērnekas Visumā nevar ceļot ātrāk par gaismu. Ne ātrākā raķete, ne vispaātrinātā atomu daļiņa.

• Gaismas ātrums ~ 300 000 000 m / s ir ātrākais, ar ko var pārvietoties. Tāpēc to dēvē arī par Visuma ātruma ierobežojumu.

Tādā veidā gaismas izpratnei ir izšķiroša nozīme, lai izprastu paša Visuma fundamentālās robežas, sākot no tās lielākajām līdz pat mazākajām.

Lai gan gaisma vienmēr ceļo vienlaicīgiātrumsnoteiktā vidē kā elektromagnētiskā starojuma formā tam var būt dažādifrekvencesvaiviļņu garumi. Gaismas frekvences un viļņu garumi, elektromagnētiskajiem viļņiem mainoties apgriezti viens otram gar spektru.

Garākajā viļņa garumā un zemākajā frekvences galā ir radioviļņi, pēc kuriem nāk mikroviļņu, infrasarkanie, redzamie gaismas, ultravioletā starojuma, rentgenstaru un augstas enerģijas gamma stari, kuriem katram ir pakāpeniski īsāks viļņu garums un lielāks frekvences.

Trīsdesmitajos gados fiziķi sāka uzzināt, ka visu Visuma matēriju veido daži pamatdaļiņas, kas pazīstamas kā elementārdaļiņas, kuras visas pārvalda viens un tas pats kopums fundamentālie spēki. TheStandarta modelisdaļiņu fizikas daļa ir vienādojumu kopums, kas mēģina īsi aprakstīt, kā visas šīs elementārdaļiņas un pamatspēki ir saistīti. Gaisma ir kritisks elements šajā universālajā aprakstā.

Attīstībā kopš pagājušā gadsimta 70. gadiem standarta modelis līdz šim ir pareizi prognozējis daudzu, lai arī ne visu kvantu fizikas eksperimentu rezultātus. Spilgta problēma, kas modelī vēl nav atrisināta, ir tas, kā gravitāciju iekļaut vienādojumu komplektā. Turklāt tas nespēj sniegt atbildes uz dažiem lieliem kosmoloģiskiem jautājumiem, tostarp noskaidrot, kas ir tumšā matērija vai kur pazuda visa Lielajā sprādzienā radītā antimatērija. Tomēr tas ir plaši pieņemts un tiek uzskatīts par labāko teoriju, lai izskaidrotu mūsu līdzšinējās būtības būtību.

Standarta modelī visu vielu veido elementārdaļiņu klase, ko saucfermioni. Fermioni ir divu veidu:kvarkivaileptoni. Katra no šīm kategorijām ir sīkāk sadalīta sešās daļiņās, kas saistītas pa pāriem, kas pazīstamas kāpaaudzēm. Pirmā paaudze ir visstabilākā, otrajā un trešajā paaudzē sastopamas smagākas un mazāk stabilas daļiņas.

Pārējās standarta modeļa sastāvdaļas ir spēki un nesējdaļiņas, kas pazīstamas kābozoni. Katrs no četriem pamatspēkiem - gravitācijas, elektromagnētiskais, spēcīgais un vājais - ir saistīts ar bozonu, kas spēku pārnes apmaiņā ar matērijas daļiņām.

Daļiņu fiziķi, kas strādā pie akseleratoriem vai novēro lielas enerģijas daļiņu sadursmes no kosmosa, ir identificējuši bosonus pēdējiem trim spēkiem.Fotons ir bozons, kas nes elektromagnētisko spēku Visumā,gluonkariess spēcīgais spēks unWunZdaļiņas nes vājo spēku. Bet teorētiskais gravitācijas bozonsgravitons, joprojām ir nenotverams.

​Melnā ķermeņa starojums.Melnās struktūras ir hipotētisks objekta veids (dabā nepastāv ideāli), kas absorbē visu elektromagnētisko starojumu, kas viņus skar. Būtībā jebkurš elektromagnētiskais starojums, kas skar melno ķermeni, kalpo tā sildīšanai, un tāpēc starojums, ko tas izdala dzesēšanas laikā, ir tieši saistīts ar tā temperatūru. Fiziķi var izmantot šo tuvinājumu, lai secinātu gandrīz ideālu Visuma melno ķermeņu, piemēram, zvaigžņu un melno caurumu, īpašības.

Lai gan gaismas viļņu raksturs palīdz aprakstīt melnā ķermeņa starojuma frekvences, kuras objekts absorbēs un izstaros, tā daļiņu daba kā fotons arī palīdz to matemātiski aprakstīt, jo enerģijas, kuras var saturēt melnais ķermenis, tiek kvantētas. Makss Planks bija viens no pirmajiem, kas pētīja šīs parādības.

​Eksperiments ar dubultu spraugu.Kvantu fizikas centrālais princips, dubulto spraugu eksperiments parāda, kā gaismas spīdēšana uz barjeras ar divām šaurām atverēm rada atšķirīgu gaismas un tumšo ēnu modeli, kas pazīstams kāviļņu iejaukšanās modelis​.

Dīvainā daļa ir tā, ka viens fotons, kas parādīts caur atveri, joprojām izturēsies tā, it kā tas traucētu citus fotonus, neskatoties uz to, ka tas ir viens un nedalāms. Tas nozīmē, ka eksperimentā novēroto gaismas modeli nevar izskaidrot, uzskatot gaismu par tikai fotonu vai vilni; tas jāņem vērā gan. Šis eksperiments bieži tiek minēts, izskaidrojot viļņu-daļiņu dualitātes ideju.

​Compton efekts.Komptona efekts ir vēl viens novērojams gaismas viļņa un daļiņu rakstura mijiedarbības piemērs. Tas apraksta, kā tiek saglabāta enerģija un impulss, kad fotons saduras ar stacionāru elektronu. Apvienojot fotona enerģijas daudzuma vienādojumu ar impulsa saglabāšanas vienādojumiem, redzams, ka iegūtais izejošā fotona (sākotnēji nekustīgā elektrona) viļņa garumu var paredzēt pēc ienākošā fotona viļņa garuma, kas tā enerģija.

​Spektroskopija.Spektroskopijas metode ļauj fiziķiem, ķīmiķiem, astronomiem un citiem zinātniekiem izpētīt materiāla sastāvu objektu, ieskaitot tālas zvaigznes, vienkārši analizējot modeļus, kas rodas, sadalot ienākošo gaismu no šī objekta ar prizma. Tā kā dažādi elementi absorbē un izstaro fotonus diskrētos kvantos, novērotie elektromagnētiskie viļņu garumi ietilpst atsevišķos segmentos atkarībā no tā, kādus elementus objekti satur.

​Masas un enerģijas ekvivalence.Daudz bērnu var noskaitīt Einšteina slaveno vienādojumuE = mc². Īsi un mīļi, šī vienādojuma patiesās sekas ir dziļas:Misemun enerģijaEir līdzvērtīgiun tos var pārveidot savā starpā, izmantojot gaismas ātrumu vakuumā,c, kvadrātā. Tas nozīmē, ka objektam, kas nekustās, joprojām ir enerģija; šajā gadījumā tāatpūtas masatiek teikts, ka tas ir vienāds ar toatpūtas enerģija​.

Daļiņu fiziķi izmanto masas un enerģijas ekvivalenci, lai dažiem mērījumiem noteiktu vienkāršākas vienības. Piemēram, kvantu fiziķi meklē fermionu vai bozonu masas, paātrinot subatomiskās daļiņas, piemēram, protonus un elektronus, tuvu gaismas ātrumam milzu akseleratoros un tos sasmalcinot, un pēc tam analizējot "gruvešu" ietekmi ļoti jutīgās elektriskās masīvi.

Tā vietā, lai dotu masu kilogramos, tomēr parastais veids, kā ziņot par daļiņu masām, ir giga-elektronvoltos vai GeV, enerģijas vienībā. Lai atgrieztu šo vērtību uz masu SI vienībās kilogramos, viņi var izmantot šo vienkāršo sakarību: 1 GeV /c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.