Å forstå partikkelbølgedualiteten til elektromagnetisk stråling (lys) er grunnleggende for å forstå kvanteteori og andre fenomener, så vel som lysets natur. En av de største vitenskapelige utviklingene i forrige århundre var oppdagelsen av at svært små gjenstander ikke fulgte de samme reglene som hverdagsobjekter.
Hva er elektromagnetiske bølger?
Enkelt sagt er elektromagnetiske bølger ganske enkelt kjent som lys, selv om begrepet lys noen ganger brukes til å spesifisere synlig lys (det som kan oppdages av øyet), og andre ganger brukes mer generelt for å referere til alle former for elektromagnetisk stråling.
For å forstå elektromagnetiske bølger fullt ut, er det viktig å forstå forestillingen om et felt og forholdet mellom elektrisitet og magnetisme. Dette vil bli forklart mer detaljert i neste avsnitt, men i hovedsak elektromagnetiske bølger (lysbølger) består av en elektrisk feltbølge som svinger i et plan vinkelrett (i rett vinkel) til et magnetfelt bølge.
Hvis elektromagnetisk stråling virker som en bølge, vil enhver bestemt elektromagnetisk bølge ha en frekvens og bølgelengde forbundet med den. Frekvensen er antall svingninger per sekund, målt i hertz (Hz) der 1 Hz = 1 / s. Bølgelengden er avstanden mellom bølgetoppene. Produktet av frekvensen og bølgelengden gir bølgehastigheten, som for lys i vakuum er omtrent 3 × 10
I motsetning til de fleste bølger (som for eksempel lydbølger), trenger ikke elektromagnetiske bølger et medium som de skal gjennom forplante seg, og dermed kan krysse vakuumet i det tomme rommet, noe de gjør med lysets hastighet - den raskeste hastigheten i univers!
Felt og elektromagnetisme
Et felt kan betraktes som et usynlig utvalg av vektorer, en på hvert punkt i rommet som indikerer den relative størrelsen og retningen til en kraft som en gjenstand vil føle hvis den plasseres på det punktet. For eksempel vil et gravitasjonsfelt nær jordens overflate bestå av en vektor på hvert punkt i rommet som peker direkte mot midten av jorden. I samme høyde ville alle disse vektorene ha samme størrelse.
Hvis en masse skulle plasseres på et gitt punkt, ville gravitasjonskraften den føler avhenge av massen og verdien av feltet der. Elektriske felt og magnetfelt fungerer på samme måte, bortsett fra at de påfører krefter avhengig av henholdsvis et objekts lading og magnetmoment i stedet for dets masse.
Det elektriske feltet kommer direkte fra eksistensen av ladninger, akkurat som gravitasjonsfeltet kommer direkte fra masse. Kilden til magnetisme er imidlertid fra å flytte ladning (eller tilsvarende, skifte elektriske felt).
På 1860-tallet utviklet fysikeren James Clerk Maxwell et sett med fire ligninger som fullstendig beskrev forholdet mellom elektrisitet og magnetisme. Disse ligningene viste i utgangspunktet hvordan elektriske felt genereres av ladninger, hvordan ingen grunnleggende magnetiske monopol eksisterer, hvordan skiftende magnetfelt kan generere et elektrisk felt, og hvordan nåværende eller skiftende elektriske felt kan generere magnetiske felt Enger.
Rett etter avledningen av disse ligningene ble det funnet en løsning som beskriver en selvforplantende elektromagnetisk bølge. Denne bølgen ble spådd å bevege seg med lysets hastighet, og viste seg faktisk å være lett!
Det elektromagnetiske spektrumet
Elektromagnetiske bølger kan komme i mange forskjellige bølgelengder og frekvenser, så lenge produktet av bølgelengden og frekvensen til en gitt bølge er likc, lysets hastighet. Formene for elektromagnetisk stråling inkluderer (fra lengre bølgelengder / lav energi til kortere bølgelengder / høy energi):
- Radiobølger (0,187 m - 600 m)
- Mikrobølger (1 mm - 187 mm)
- Infrarøde bølger (750 nm - 1 mm)
- Synlig lys (400 nm - 750 nm; disse bølgelengdene kan påvises av det menneskelige øye og deles ofte inn i et synlig spektrum)
- Ultrafiolett lys (10 nm - 400 nm)
- Røntgenbilder (10-12 m - 10 nm)
- Gamma-stråler (<10-12 m)
Hva er fotoner?
Fotoner er navnet på kvantiserte lyspartikler eller elektromagnetisk stråling. Albert Einstein introduserte forestillingen om lyskvanta (fotoner) i et papir fra begynnelsen av det 20. århundre.
Fotoner er masseløse, og de overholder ikke lovene om bevaring av tall (noe som betyr at de kan opprettes og ødelegges). De adlyder imidlertid energibesparelse.
Faktisk anses fotoner å være i en klasse av partikler som er kraftbærere. Fotonen er formidler av den elektromagnetiske kraften og fungerer som en pakke med energi som kan overføres fra ett sted til et annet.
Du tenker sannsynligvis at det er ganske rart å plutselig snakke om elektromagnetiske bølger som partikler, siden bølger og partikler virker som to fundamentalt forskjellige konstruksjoner. Faktisk er det bare denne typen ting som gjør fysikken til de aller minste så rar. I de neste par avsnittene blir begrepene kvantisering og partikkelbølgedualitet diskutert mer detaljert.
Hvordan produseres elektromagnetiske bølger eller fotoner?
Elektromagnetiske bølger skyldes svingninger i elektriske og magnetiske felt. Hvis en ladning beveger seg frem og tilbake langs en ledning, skaper den et skiftende elektrisk felt, som igjen skaper et skiftende magnetfelt, som deretter sprer seg selv.
Atomer og molekyler, som inneholder bevegelige ladninger i form av elektronskyer, er i stand til å samhandle med elektromagnetisk stråling på interessante måter. I et atom får elektronene bare lov til å eksistere i veldig spesifikke kvantiserte energitilstander.
Hvis et elektron vil være i en lavere energitilstand, kan det gjøre det ved å sende ut en diskret pakke med elektromagnetisk stråling for å transportere energien. Omvendt, for å hoppe inn i en annen energitilstand, må den samme elektronen også absorbere en veldig spesifikk, diskret pakke med energi.
Energien forbundet med en elektromagnetisk bølge avhenger av bølgefrekvensen. Som sådan kan atomer absorbere og avgi bare veldig spesifikke frekvenser av elektromagnetisk stråling i samsvar med deres tilknyttede kvantiserte energinivåer. Disse energipakkene kallesfotoner.
Hva er kvantisering?
Kvantiseringrefererer til noe som er begrenset til diskrete verdier vers et kontinuerlig spektrum. Når atomer absorberer eller avgir en enkelt foton, gjør de det bare med veldig spesifikke kvantiserte energiverdier beskrevet av kvantemekanikken. Denne "enkeltfotonen" kan virkelig tenkes som en diskret bølge "pakke".
En mengde energi kan bare sendes ut i multipler av en elementær enhet (Plancks konstanth). Ligningen som relaterer energienEav en foton til dens frekvens er:
E = h \ nu
Hvorν(den greske bokstaven nu) er fotonets frekvens og Plancks konstanth = 6.62607015 × 10-34 Js.
Wave-Particle Duality
Du vil høre folk bruke ordenefotonogelektromagnetisk strålingom hverandre, selv om det virker som de er forskjellige ting. Når man snakker om fotoner, snakker folk vanligvis om partikkelegenskapene til dette fenomenet, mens når de snakker om elektromagnetiske bølger eller stråling, snakker de til det bølgelignende eiendommer.
Fotoner eller elektromagnetisk stråling viser det som kalles partikkelbølge-dualitet. I visse situasjoner og i visse eksperimenter viser fotoner partikkelignende oppførsel. Et eksempel på dette er i den fotoelektriske effekten, der en lysstråle som treffer en overflate forårsaker frigjøring av elektroner. Det spesifikke ved denne effekten kan bare forstås hvis lys behandles som diskrete pakker som elektronene må absorbere for å bli sendt ut.
I andre situasjoner og eksperimenter virker de mer som bølger. Et godt eksempel på dette er interferensmønstrene som er observert i eksperimenter med en eller flere spalter. I disse eksperimentene beveger lys seg gjennom smale, tett plasserte spalter, som fungerer som flere i fase lyskilder, og som et resultat produserer det et interferensmønster som samsvarer med det du vil se i en bølge.
Enda merkeligere, fotoner er ikke det eneste som viser denne dualiteten. Faktisk ser alle grunnleggende partikler ut, til og med elektroner og protoner, å oppføre seg på denne måten. Jo større partikkelen er, desto kortere blir bølgelengden, og jo mindre vil denne dualiteten vises. Dette er grunnen til at du ikke merker noe slikt i hverdagen.