Het begrijpen van de deeltjesgolf-dualiteit van elektromagnetische straling (licht) is van fundamenteel belang voor het begrijpen van de kwantumtheorie en andere verschijnselen, evenals de aard van licht. Een van de grootste wetenschappelijke ontwikkelingen in de vorige eeuw was de ontdekking dat hele kleine voorwerpen niet aan dezelfde regels voldeden als alledaagse voorwerpen.
Wat zijn elektromagnetische golven?
In eenvoudige bewoordingen zijn elektromagnetische golven eenvoudigweg bekend als licht, hoewel de term licht soms wordt gebruikt om zichtbaar licht te specificeren (dat wat met het oog kan worden gedetecteerd), en soms wordt het meer in het algemeen gebruikt om te verwijzen naar alle vormen van elektromagnetische straling.
Om elektromagnetische golven volledig te begrijpen, is het belangrijk om het begrip veld en de relatie tussen elektriciteit en magnetisme te begrijpen. Dit zal in de volgende sectie in meer detail worden uitgelegd, maar in wezen zijn elektromagnetische golven (lichtgolven) bestaan uit een elektrische veldgolf die oscilleert in een vlak loodrecht (loodrecht) op een magnetisch veld Golf.
Als elektromagnetische straling als een golf werkt, dan heeft elke bepaalde elektromagnetische golf een bijbehorende frequentie en golflengte. De frequentie is het aantal trillingen per seconde, gemeten in hertz (Hz) waarbij 1 Hz = 1/s. De golflengte is de afstand tussen golftoppen. Het product van de frequentie en golflengte geeft de golfsnelheid, die voor licht in vacuüm ongeveer 3×10. is8 Mevrouw.
In tegenstelling tot de meeste golven (zoals geluidsgolven, bijvoorbeeld), hebben elektromagnetische golven geen medium nodig om planten zich voort en kunnen daardoor het vacuüm van de lege ruimte doorkruisen, wat ze doen met de snelheid van het licht – de hoogste snelheid in de universum!
Velden en elektromagnetisme
Een veld kan worden gezien als een onzichtbare reeks vectoren, één op elk punt in de ruimte die de relatieve grootte en richting aangeeft van een kracht die een object zou voelen als het op dat punt zou worden geplaatst. Een zwaartekrachtveld nabij het aardoppervlak zou bijvoorbeeld bestaan uit een vector op elk punt in de ruimte die rechtstreeks naar het middelpunt van de aarde wijst. Op dezelfde hoogte zouden al deze vectoren dezelfde grootte hebben.
Als een massa op een bepaald punt zou worden geplaatst, zou de zwaartekracht die hij voelt afhangen van zijn massa en de waarde van het veld daar. Elektrische velden en magnetische velden werken op dezelfde manier, behalve dat ze krachten uitoefenen die afhankelijk zijn van respectievelijk de lading en het magnetische moment van een object in plaats van de massa.
Het elektrische veld vloeit rechtstreeks voort uit het bestaan van ladingen, net zoals het zwaartekrachtsveld rechtstreeks voortvloeit uit massa. De bron van magnetisme is echter van bewegende lading (of equivalent, veranderende elektrische velden).
In de jaren 1860 ontwikkelde natuurkundige James Clerk Maxwell een reeks van vier vergelijkingen die de relatie tussen elektriciteit en magnetisme volledig beschreven. Deze vergelijkingen lieten in feite zien hoe elektrische velden worden gegenereerd door ladingen, hoe er geen fundamentele magnetische monopolen bestaan, hoe veranderende magnetische velden kunnen een elektrisch veld genereren, en hoe stroom of veranderende elektrische velden magnetisch kunnen genereren velden.
Kort na het afleiden van deze vergelijkingen werd een oplossing gevonden die een zichzelf voortplantende elektromagnetische golf beschrijft. Er werd voorspeld dat deze golf met de snelheid van het licht zou bewegen, en het bleek inderdaad licht te zijn!
Het elektromagnetische spectrum
Elektromagnetische golven kunnen in veel verschillende golflengten en frequenties voorkomen, zolang het product van de golflengte en frequentie van een bepaalde golf gelijk is aanc, de snelheid van het licht. De vormen van elektromagnetische straling omvatten (van langere golflengten/lage energie tot kortere golflengten/hoge energie):
- Radiogolven (0,187 m - 600 m)
- Magnetrons (1 mm - 187 mm)
- Infraroodgolven (750 nm - 1 mm)
- Zichtbaar licht (400 nm - 750 nm; deze golflengten zijn detecteerbaar met het menselijk oog en vaak onderverdeeld in een zichtbaar spectrum)
- Ultraviolet licht (10 nm - 400 nm)
- Röntgenstralen (10-12 m - 10 nm)
- Gammastraling (<10-12 m)
Wat zijn fotonen?
Fotonen is de naam voor gekwantiseerde lichtdeeltjes of elektromagnetische straling. Albert Einstein introduceerde het begrip lichtquanta (fotonen) in een vroeg 20e-eeuws artikel.
Fotonen zijn massaloos en houden zich niet aan de wetten voor het behoud van getallen (wat betekent dat ze kunnen worden gemaakt en vernietigd). Ze gehoorzamen echter wel aan energiebesparing.
In feite worden fotonen beschouwd als een klasse van deeltjes die krachtdragers zijn. Het foton is de bemiddelaar van de elektromagnetische kracht en fungeert als een pakket energie dat van de ene plaats naar de andere kan worden overgebracht.
Je denkt waarschijnlijk dat het nogal vreemd is om plotseling over elektromagnetische golven te spreken als deeltjes, omdat golven en deeltjes twee fundamenteel verschillende constructies lijken. Inderdaad, het is precies dit soort dingen dat de fysica van de zeer kleine zo vreemd maakt. In de volgende paragrafen worden de begrippen kwantisatie en deeltjesgolf-dualiteit in meer detail besproken.
Hoe worden elektromagnetische golven of fotonen geproduceerd?
Elektromagnetische golven zijn het gevolg van oscillaties in elektrische en magnetische velden. Als een lading heen en weer beweegt langs een draad, creëert het een veranderend elektrisch veld, dat op zijn beurt een veranderend magnetisch veld creëert, dat zich vervolgens voortplant.
Atomen en moleculen, die bewegende lading bevatten in de vorm van elektronenwolken, kunnen op interessante manieren interageren met elektromagnetische straling. In een atoom mogen de elektronen alleen in zeer specifieke gekwantiseerde energietoestanden voorkomen.
Als een elektron in een lagere energietoestand wil zijn, kan het dit doen door een discreet pakket elektromagnetische straling uit te zenden om de energie af te voeren. Omgekeerd, om in een andere energietoestand te springen, moet datzelfde elektron ook een heel specifiek discreet pakket energie absorberen.
De energie die bij een elektromagnetische golf hoort, hangt af van de frequentie van de golf. Als zodanig kunnen atomen alleen zeer specifieke frequenties van elektromagnetische straling absorberen en uitzenden die consistent zijn met hun bijbehorende gekwantiseerde energieniveaus. Deze energiepakketten hetenfotonen.
Wat is kwantisatie?
kwantificeringverwijst naar iets dat beperkt is tot discrete waarden versus een continu spectrum. Wanneer atomen een enkel foton absorberen of uitzenden, doen ze dat alleen bij zeer specifieke gekwantiseerde energiewaarden beschreven door de kwantummechanica. Dit "enkele foton" kan echt worden gezien als een discrete golf "pakket".
Een hoeveelheid energie kan alleen worden uitgezonden in veelvouden van een elementaire eenheid (constante van Planckh). De vergelijking die de energie relateertEvan een foton tot zijn frequentie is:
E=h\nu
Waarν(de Griekse letter nu) is de frequentie van het foton en de constante van Planckh = 6.62607015 × 10-34 Js.
Golf-deeltje dualiteit
Je zult mensen de woorden horen gebruikenfotonenelectromagnetische stralinguitwisselbaar, ook al lijkt het alsof het verschillende dingen zijn. Als we het over fotonen hebben, hebben mensen het meestal over de deeltjeseigenschappen van dit fenomeen, terwijl wanneer ze het hebben over elektromagnetische golven of straling, ze spreken tegen de golfachtige eigendommen.
Fotonen of elektromagnetische straling vertonen wat de deeltjesgolf-dualiteit wordt genoemd. In bepaalde situaties en in bepaalde experimenten vertonen fotonen deeltjesachtig gedrag. Een voorbeeld hiervan is het foto-elektrisch effect, waarbij een lichtstraal die een oppervlak raakt het vrijkomen van elektronen veroorzaakt. De bijzonderheden van dit effect kunnen alleen worden begrepen als licht wordt behandeld als discrete pakketjes die de elektronen moeten absorberen om te worden uitgezonden.
In andere situaties en experimenten gedragen ze zich meer als golven. Een goed voorbeeld hiervan zijn de interferentiepatronen die worden waargenomen in experimenten met één of meerdere sleuven. In deze experimenten reist licht door smalle, dicht bij elkaar gelegen spleten, die werken als meerdere in-fase lichtbronnen, en als resultaat produceert het een interferentiepatroon dat consistent is met wat je zou zien in een Golf.
Nog vreemder, fotonen zijn niet het enige dat deze dualiteit vertoont. Inderdaad, alle fundamentele deeltjes, zelfs elektronen en protonen, lijken zich op deze manier te gedragen. Hoe groter het deeltje, hoe korter de golflengte en hoe minder deze dualiteit zal verschijnen. Daarom merk je zoiets in het dagelijks leven niet.