Fotonen (kwantisatie): definitie, eigenschappen en dualiteit van golven en deeltjes

Licht is misschien wel een van de vreemdste onderwerpen die een natuurkundestudent zal tegenkomen. Het snelste ding in het universum is op de een of andere manier zowel een deeltje als een golf - en vertoont tegelijkertijd de unieke eigenschappen van beide. Maar watislicht?

Begrijpen watfotonenzijn en wat?kwantisatiemiddelen is van fundamenteel belang voor het begrijpen van de aard van licht, de kwantumfysica en talloze gerelateerde verschijnselen.

Fotonen is de formele naam voor lichtdeeltjes. Ze kunnen zichtbaar zijn voor mensen of niet, aangezien hier de termlichtwordt gebruikt in de natuurkundige zin, wat betekent dat een foton een deeltje is van elektromagnetische straling op elke frequentie in het spectrum, van radiogolven tot gammastralen.

Fotonen zijn eengekwantiseerddeeltje. Dit betekent dat ze alleen in discrete hoeveelheden energie bestaan, in plaats van enige hoeveelheid energie daartussenin. Wanneer we de meer op chemie gerichte beschrijving van een foton beschouwen als de energie die vrijkomt wanneer een elektron valt, naar een lager energieniveau in het atoom, is dit logisch: elektronen kunnen alleen in specifieke orbitalen of energie niveaus. Er zijn geen halve stappen. Dus als een foton het resultaat is van een "vallend elektron", moet een foton ook alleen in specifieke energiehoeveelheden of quanta komen.

Albert Einstein introduceerde het begrip lichtquanta (fotonen) in een artikel uit 1905. Een van de vier artikelen die hij dat jaar publiceerde en een revolutie teweegbracht in de wetenschap, was het idee dat hem de Nobelprijs opleverde.

Zoals eerder vermeld, verwijst licht naar elk type elektromagnetische straling, waarvan de soorten zich onderscheiden door hun verschillende frequenties (of golflengten). Aangezien deze twee maten kenmerken van golven zijn, volgt hieruit dat licht eenelektromagnetische golf.​

Maar wacht - in het vorige gedeelte van het artikel werd licht geïntroduceerd als eendeeltje, het foton, niet als een golf. Dit is correct. De vreemde aard van licht is om te bestaan ​​in wat de dualiteit van golven en deeltjes wordt genoemd:Het is zowel een golf als een deeltje.​

Daarom zijn zowel "elektromagnetische golf" als "foton" aanvaardbare descriptoren van licht. Meestal wordt de eerste zin gebruikt om licht te beschrijven wanneer het ishandelen als een golfen de laatste term wanneer het iswerken als een deeltje​.

Dit wordt belangrijk afhankelijk van de verschijnselen die een natuurkundige onderzoekt. In bepaalde situaties en in bepaalde experimenten gedragen fotonen zich zoals natuurkundigen verwachten dat deeltjes werken, bijvoorbeeld bij het waarnemen van het foto-elektrisch effect. In andere situaties en experimenten gedraagt ​​licht zich meer als golven, zoals bij het moduleren van een radiostation.

Alles wat beperkt is tot discrete waarden in plaats van op een continu spectrum te bestaan, wordt gekwantiseerd.

Kwantisatie in een atoom legt uit dat de hoeveelheid energie die kan worden uitgezonden in de vorm van een foton alleen zal voorkomen in veelvouden van de elementaire eenheid Planck's constante,h= 6.6262 x 10 ^-34 joule-seconden

Deze eenheid, ontdekt door Max Planck in de late jaren 1800, is een van de meest bizarre en belangrijke eenheden in de natuurkunde. Het beschrijft de relatie tussen de frequentie van een golfdeeltje en zijn energieniveau, en stelt zo een ondergrens aan de zekerheid waarmee we de structuur van materie kunnen begrijpen.

Een van de grootste gevolgen van het kennen van deze limiet, die ook hielp bij het beginnen van het vreemde maar echte studiegebied dat bekend staat als kwantumfysica, is dat op de kleinste subatomaire niveaus de positie van deeltjes alleen kan worden beschreven als a waarschijnlijkheid. Anders gezegd, alleen de positie van een subatomair deeltjeofsnelheid kan op elk moment met zekerheid bekend zijn, maarniet beide​.

De quanta definiërenhleiden tot een vergelijking voor de energie van een foton:

waar energieEis in joules (J), de constante van Planckhis in joule-seconden (Js) en frequentiefis in hertz (Hz).

De meeste mensen denken waarschijnlijk aan deeltjes als kleine eenheden van materie, die qua grootte zijn afgestemd op hun massa. Dit maakt de deeltjesvorm van licht tot een bijzonder vreemd beest, aangezien een foton als eenheid van pure energie massa nul heeft.

Een andere belangrijke eigenschap van fotonen is dat ze altijd met de lichtsnelheid reizen, ~ 300.000.000 m/s in het vacuüm van de lege ruimte. Licht kan langzamer reizen dan dat - elke keer dat het andere materie tegenkomt, interageert het ermee en vertraagt ​​​​het, zodat hoe dichter het materiaal waardoor het licht reist, hoe langzamer het gaat. Echter,niets in het universum kan sneller reizen dan het licht. Niet de snelste raket, noch het meest versnelde atoomdeeltje.

• De lichtsnelheid, ~300.000.000 m/s, is de snelste die iets kan reizen. Daarom wordt het ook wel de maximumsnelheid van het heelal genoemd.

Op deze manier is het begrijpen van licht van cruciaal belang om de fundamentele grenzen van het universum zelf te begrijpen, van het allergrootste tot het allerkleinste.

Hoewel licht altijd tegelijk reistsnelheidin een bepaald medium, als een vorm van elektromagnetische straling, kan het verschillendefrequentiesofgolflengten. De frequenties en golflengten van licht als elektromagnetische golven veranderen omgekeerd met elkaar langs een spectrum.

Op de langste golflengte en het laagste frequentie-einde zijn radiogolven, daarna komen microgolf, infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet, röntgenstraling en hoogenergetische gammastraling, elk met steeds kortere golflengten en hoger frequenties.

Natuurkundigen begonnen in de jaren dertig te ontdekken dat alle materie in het universum uit een paar is samengesteld fundamentele deeltjes, bekend als elementaire deeltjes, die allemaal worden bestuurd door dezelfde set van fundamentele krachten. DeStandaardmodelvan deeltjesfysica is een reeks vergelijkingen die proberen bondig te beschrijven hoe al deze elementaire deeltjes en de fundamentele krachten zich verhouden. Licht is een cruciaal onderdeel van deze universele beschrijving.

Het standaardmodel, dat sinds de jaren zeventig in ontwikkeling is, heeft tot dusverre de resultaten van veel, maar niet alle, kwantumfysica-experimenten correct voorspeld. Een in het oog springend probleem dat nog in het model moet worden opgelost, is hoe de zwaartekracht in de reeks vergelijkingen kan worden opgenomen. Bovendien geeft het geen antwoorden op enkele grote kosmologische vragen, waaronder het uitzoeken wat donkere materie is of waar alle antimaterie die tijdens de oerknal is ontstaan, is verdwenen. Toch wordt het algemeen aanvaard en beschouwd als de beste theorie om de fundamentele aard van ons bestaan ​​tot nu toe te verklaren.

In het standaardmodel bestaat alle materie uit een klasse van elementaire deeltjes genaamdfermionen. Fermionen zijn er in twee soorten:quarksofleptonen. Elk van deze categorieën is verder onderverdeeld in zes deeltjes, verwant in paren bekend alsgeneraties. De eerste generatie is de meest stabiele, met zwaardere en minder stabiele deeltjes in de tweede en derde generatie.

De andere componenten van het standaardmodel zijn krachten en dragerdeeltjes, bekend alsbosonen. Elk van de vier fundamentele krachten - zwaartekracht, elektromagnetisch, sterk en zwak - wordt geassocieerd met een boson dat de kracht overbrengt in uitwisselingen met materiedeeltjes.

Deeltjesfysici die aan versnellers werken of kijken naar hoogenergetische deeltjesbotsingen vanuit de ruimte, hebben bosonen geïdentificeerd voor de laatste drie krachten.Het foton is het boson dat de elektromagnetische kracht in het universum draagt, degluondraagt ​​de sterke kracht en deWenZdeeltjes dragen de zwakke kracht. Maar het theoretische boson voor zwaartekracht, dezwaartekracht, blijft ongrijpbaar.

​Blackbody straling.Zwarte lichamen zijn een hypothetisch type object (perfecte objecten bestaan ​​niet in de natuur) die alle elektromagnetische straling absorberen die hen treft. In wezen dient elke elektromagnetische straling die een zwart lichaam treft om het te verwarmen en de straling die het afgeeft tijdens het afkoelen is daarom direct gerelateerd aan de temperatuur. Natuurkundigen kunnen deze benadering gebruiken om de eigenschappen af ​​te leiden van bijna perfecte zwarte lichamen in het universum, zoals sterren en zwarte gaten.

Hoewel het golfkarakter van licht helpt bij het beschrijven van de frequenties van blackbody-straling die een object zal absorberen en uitzenden, is het de natuur van deeltjes als een foton helpt ook om het wiskundig te beschrijven, aangezien de energieën die het zwarte lichaam kan bevatten gekwantiseerd zijn. Max Planck was een van de eersten die dit fenomeen onderzocht.

​Het dubbelspleten experiment.Een centraal principe van de kwantumfysica, het experiment met dubbele spleet laat zien hoe het schijnen van een licht op een barrière met twee smalle openingen resulteert in een onderscheidend patroon van lichte en donkere schaduwen dat bekend staat als eengolf interferentiepatroon​.

Het vreemde hiervan is dat een enkel foton dat door de opening wordt getoond zich nog steeds gedraagt ​​alsof het andere fotonen verstoort, ondanks dat het alleen en ondeelbaar is. Dit wil zeggen dat het in het experiment waargenomen lichtpatroon niet kan worden verklaard door licht te behandelen als alleen een foton of een golf; het moet beide worden beschouwd. Dit experiment wordt vaak aangehaald om uit te leggen wat wordt bedoeld met het idee van dualiteit van golven en deeltjes.

​Het Compton-effect.Het Compton-effect is een ander waarneembaar voorbeeld van de wisselwerking tussen de golf van licht en de aard van deeltjes. Het beschrijft hoe zowel energie als momentum behouden blijven wanneer een foton botst met een stationair elektron. Door de vergelijking voor de hoeveelheid energie van een foton te combineren met vergelijkingen voor behoud van momentum, blijkt dat de resulterende golflengte van het uitgaande foton (het aanvankelijk stilstaande elektron) kan worden voorspeld door de golflengte van het inkomende foton dat gaf het energie.

​Spectroscopie.De techniek van spectroscopie stelt natuurkundigen, scheikundigen, astronomen en andere wetenschappers in staat om de materiële samenstelling van een object, inclusief verre sterren, simpelweg door de patronen te analyseren die het resultaat zijn van het splitsen van inkomend licht van dat object met a prisma. Omdat verschillende elementen fotonen absorberen en uitzenden in discrete quanta, vallen de waargenomen elektromagnetische golflengten in discrete segmenten, afhankelijk van welke elementen de objecten bevatten.

​Massa-energie-equivalentie.Veel kinderen kunnen de beroemde vergelijking van Einstein opzeggenE = mc². Kort en krachtig, de ware implicaties van deze vergelijking zijn diepgaand:Massamen energieEzijn gelijkwaardigen kunnen in elkaar worden omgezet met behulp van de lichtsnelheid in een vacuüm,c, kwadraat. Dit houdt in dat een object dat niet beweegt nog steeds energie heeft; in dit geval is hetrust massaer wordt gezegd dat het gelijk is aan zijnrust energie​.

Deeltjesfysici gebruiken massa-energie-equivalentie om eenvoudigere eenheden te bepalen voor sommige van hun metingen. Zo zoeken kwantumfysici bijvoorbeeld naar de massa's van fermionen of bosonen door subatomaire deeltjes zoals protonen en elektronen te versnellen tot bijna-lichtsnelheden in gigantische versnellers en ze tegen elkaar slaan, en vervolgens de effecten analyseren van het "puin" in zeer gevoelige elektrische reeksen.

In plaats van een massa in kilogram te geven, is de gebruikelijke manier om deeltjesmassa's te rapporteren echter in giga-elektron-volt of GeV, een eenheid van energie. Om deze waarde terug te brengen naar een massa in de SI-eenheid van kilogram, kunnen ze deze eenvoudige relatie gebruiken: 1 GeV/c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.