Fotoner (kvantisering): definisjon, egenskaper og bølgepartikkel dualitet

Lys er uten tvil et av de rare temaene en fysikkstudent vil møte. Den raskeste tingen i universet er på en eller annen måte både en partikkel og en bølge - og viser de unike egenskapene til begge samtidig. Men hvaerlys?

Forstå hvafotonerer og hvakvantiseringmidler er grunnleggende for å forstå lysets natur, kvantefysikk og utallige relaterte fenomener.

Fotoner er det formelle navnet på lette partikler. De kan være synlige for mennesker eller ikke, siden her er begrepetlysbrukes i fysikkforstand, noe som betyr at en foton er en partikkel av elektromagnetisk stråling til enhver frekvens på spekteret, fra radiobølger til gammastråler.

Fotoner er enkvantisertpartikkel. Dette betyr at de bare eksisterer i diskrete mengder energi, snarere enn noen mengde energi i mellom. Når vi vurderer den mer kjemiorienterte beskrivelsen av et foton som energien som frigjøres når et elektron faller til et lavere energinivå i atomet, er dette fornuftig: Elektroner kan bare være i spesifikke orbitaler, eller energi nivåer. Det er ingen halve trinn. Så hvis et foton er resultatet av et "fallende elektron", må et foton også komme i bare spesifikke energimengder, eller kvanta.

Albert Einstein introduserte forestillingen om lyskvanta (fotoner) i et papir fra 1905. En av fire artikler han publiserte det året som revolusjonerte vitenskapen, dette var ideen som vant ham Nobelprisen.

Som tidligere nevnt refererer lys til alle typer elektromagnetisk stråling, hvis typer er preget av forskjellige frekvenser (eller bølgelengder). Disse to målene er kjennetegn ved bølger, det følger at lys må være etelektromagnetisk bølge.​

Men vent - i forrige del av artikkelen ble lys introdusert som enpartikkel, fotonet, ikke som en bølge. Dette er riktig. Den rare naturen til lys er å eksistere i det som kalles bølge-partikkel dualitet:Det er både en bølge og en partikkel.​

Derfor er både "elektromagnetisk bølge" og "foton" akseptable lysbeskrivere. Vanligvis brukes den første frasen for å beskrive lys når det erfungerer som en bølgeog sistnevnte begrep når det erfungerer som en partikkel​.

Dette blir viktig avhengig av fenomenene en fysiker undersøker. I visse situasjoner og i visse eksperimenter virker fotoner som fysikere forventer at partikler virker, for eksempel når de observerer den fotoelektriske effekten. I andre situasjoner og eksperimenter virker lys mer som bølger, for eksempel når man modulerer en radiostasjon.

Alt som er begrenset til diskrete verdier i stedet for å eksistere i et kontinuerlig spektrum, gjennomgår kvantisering.

Kvantisering i et atom forklarer at mengden energi som kan sendes ut i form av et foton vil forekomme bare i multipler av den grunnleggende enheten Plancks konstant,h= 6,6262 x 10 ^-34 joule-sekunder

Denne enheten, oppdaget av Max Planck på slutten av 1800-tallet, er en av de mest bisarre og viktige enhetene i fysikk. Den beskriver forholdet mellom en bølgepartikkels frekvens og dens energinivå, og setter dermed en nedre nedre grense for sikkerheten som vi kan forstå materiens struktur.

En av de største konsekvensene av å kjenne denne grensen, noe som også hjalp til med å begynne det merkelige, men virkelige studieretningen kjent som kvantefysikk, er at på de minste sub-atomnivåene er posisjonen til partikler bare beskrevet som en sannsynlighet. Sagt på en annen måte, bare en sub-atompartikkels posisjonellerhastighet kan være kjent med sikkerhet til enhver tid, menikke begge​.

Definere kvantahføre til en ligning for energien til et foton:

hvor energiEer i joule (J), Plancks konstanther i joule-sekunder (Js) og frekvensfer i hertz (Hz).

De fleste tenker sannsynligvis på partikler som små enheter av materie, som er dimensjonert i henhold til massene. Dette gjør partikkelformen av lys til et spesielt rart dyr, siden en foton av ren energi har null masse.

En annen viktig egenskap ved fotoner er at de alltid beveger seg med lysets hastighet, ~ 300.000.000 m / s i vakuumet på det tomme rommet. Lys kan bevege seg langsommere enn det - når som helst det møter annen materie, samhandler det med det og bremser, slik at jo tettere materialet lyset beveger seg gjennom, jo ​​langsommere går det. Derimot,ingenting i universet kan reise raskere enn lys. Ikke den raskeste raketten eller den mest akselererte atompartikkelen.

• Lysets hastighet, ~ 300.000.000 m / s, er den raskeste som noe kan reise. Dette er grunnen til at det også blir referert til som universets fartsgrense.

På denne måten er forståelse av lys avgjørende for å forstå de grunnleggende grensene til selve universet, fra dets aller største til det aller minste.

Selv om lys alltid beveger seg på samme måtehastigheti et gitt medium, som en form for elektromagnetisk stråling, kan det ha forskjelligfrekvenserellerbølgelengder. Frekvensene og bølgelengdene til lys som elektromagnetiske bølger endres omvendt med hverandre langs et spektrum.

Ved den lengste bølgelengden og den laveste frekvensenden er radiobølger, hvoretter mikrobølgeovn, infrarød, synlig Gamma-stråler med lys, ultrafiolett, røntgen og høy energi, hver med gradvis kortere bølgelengder og høyere frekvenser.

Fysikere på 1930-tallet begynte å lære at all materie i universet er sammensatt av noen få grunnleggende partikler, kjent som elementære partikler, som alle styres av samme sett med grunnleggende krefter. DeStandard modellav partikkelfysikk er et sett med ligninger som prøver å kortfattet beskrive hvordan alle disse elementære partiklene og de grunnleggende kreftene forholder seg. Lys er en kritisk del av denne universelle beskrivelsen.

I utvikling siden 1970-tallet har Standardmodellen så langt korrekt spådd resultatene av mange, men ikke alle, kvantefysikkeksperimenter. Et skarpt problem som ikke er løst i modellen, er hvordan man innlemmer tyngdekraften i settet med ligninger. I tillegg gir den ikke svar på noen store kosmologiske spørsmål, inkludert å finne ut hva mørk materie er eller hvor forsvant alt antimateriale som ble opprettet i Big Bang. Likevel er det allment akseptert og ansett som den beste teorien for å forklare den grunnleggende naturen til vår eksistens til dags dato.

I standardmodellen består all materie av en klasse av elementære partikler som kallesfermioner. Fermions kommer i to typer:kvarkerellerleptoner. Hver av disse kategoriene er videre delt inn i seks partikler, relatert i par kjent somgenerasjoner. Den første generasjonen er den mest stabile, med tyngre og mindre stabile partikler som finnes i andre og tredje generasjon.

De andre komponentene i standardmodellen er krefter og bærerpartikler, kjent sombosoner. Hver av de fire grunnleggende kreftene - tyngdekraften, elektromagnetisk, sterk og svak - er assosiert med et boson som formidler kraften i utveksling med materiepartikler.

Partikkelfysikere som arbeider ved akseleratorer eller ser etter høyenergiske partikkelkollisjoner fra verdensrommet, har identifisert bosoner for de tre sistnevnte kreftene.Fotonen er bosonen som bærer den elektromagnetiske kraften i universet, dengluonkaries den sterke kraften ogWogZpartikler bærer den svake kraften. Men den teoretiske tyngdekraften, dengraviton, forblir unnvikende.

​Blackbody-stråling.Blackbodies er en hypotetisk type gjenstand (perfekte eksisterer ikke i naturen) som absorberer all den elektromagnetiske strålingen som treffer dem. I det vesentlige tjener enhver elektromagnetisk stråling som treffer et svart legeme til å varme den og strålingen den avgir mens den avkjøles, er derfor direkte relatert til temperaturen. Fysikere kan bruke denne tilnærmingen til å utlede egenskapene til nesten perfekte svartkropper i universet, slik som stjerner og sorte hull.

Mens lysets bølgenatur hjelper til med å beskrive frekvenser av svart kroppsstråling som et objekt vil absorbere og avgi, er det partikkelnaturen som foton hjelper også til med å beskrive den matematisk, siden energiene det svarte legemet kan inneholde er kvantifisert. Max Planck var blant de første som undersøkte dette fenomenet.

​Dobbeltspalteeksperimentet.En sentral prinsipp for kvantefysikk, eksperimentet med dobbeltspalte viser hvordan det å skinne et lys på en barriere med to smale åpninger resulterer i et karakteristisk mønster av lyse og mørke skygger kjent som enbølgeforstyrrelsesmønster​.

Den rare delen av dette er at en enkelt foton vist gjennom åpningen fremdeles vil oppføre seg som om den forstyrrer andre fotoner, til tross for at den er alene og udelelig. Dette vil si at lysmønsteret observert i eksperimentet ikke kan forklares ved å behandle lys som bare en foton eller en bølge; det må vurderes begge deler. Dette eksperimentet blir ofte sitert i å forklare hva som menes med ideen om bølgepartikkel-dualitet.

​Compton-effekten.Compton-effekten er et annet observerbart eksempel på samspillet mellom lysets bølge og partikkelnatur. Den beskriver hvordan både energi og fart bevares når et foton kolliderer med et stasjonært elektron. Å kombinere ligningen for energimengden til et foton med momentumbevaringsligninger viser at den resulterende bølgelengden til den utgående fotonet (det opprinnelig fremdeles elektronet) kan forutsies av bølgelengden til det innkommende fotonet som ga det energi.

​Spektroskopi.Teknikken med spektroskopi gjør at fysikere, kjemikere, astronomer og andre forskere kan undersøke materialets sammensetning av en objekt, inkludert fjerne stjerner, ganske enkelt ved å analysere mønstrene som er resultatet av å dele innkommende lys fra objektet med en prisme. Fordi forskjellige elementer absorberer og avgir fotoner i diskrete kvanta, faller de observerte elektromagnetiske bølgelengdene i diskrete segmenter, avhengig av hvilke elementer gjenstandene inneholder.

​Mass-energi-ekvivalens.Mange barn kan resitere Einsteins berømte ligningE = mc². Kort og søtt, den virkelige implikasjonen av denne ligningen er dyp:Massemog energiEer likeverdigeog kan konverteres til hverandre ved hjelp av lysets hastighet i vakuum,c, kvadrat. Dette innebærer viktigere at et objekt som ikke beveger seg fortsatt har energi; i dette tilfellet er dethvilemassesies å være likhvile energi​.

Partikkelfysikere bruker masse-energiekvivalens for å bestemme enklere enheter for noen av deres målinger. For eksempel søker kvantefysikere etter massene av fermioner eller bosoner ved å akselerere subatomære partikler som protoner og elektroner til nærlyshastigheter i gigantiske akseleratorer og knuse dem sammen, og deretter analysere effekten av "rusk" i svært følsom elektrisk arrays.

I stedet for å gi en masse i kilo, er den vanlige måten å rapportere partikkelmasser imidlertid på giga-elektronvolt, eller GeV, en enhet av energi. For å returnere denne verdien til en masse i SI-enheten på kilo, kan de bruke dette enkle forholdet: 1 GeV /c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.