Światło (fizyka): co to jest i jak działa?

Zrozumienie dualizmu cząsteczkowo-falowego promieniowania elektromagnetycznego (światła) ma podstawowe znaczenie dla zrozumienia teorii kwantowej i innych zjawisk, a także natury światła. Jednym z największych osiągnięć naukowych ostatniego stulecia było odkrycie, że bardzo małe przedmioty nie podlegają tym samym zasadom, co przedmioty codziennego użytku.

Mówiąc prościej, fale elektromagnetyczne są po prostu znane jako światło, chociaż czasami używa się terminu światło do określenia światła widzialnego (to, co może być wykryte przez oko), a innym razem jest używane bardziej ogólnie w odniesieniu do wszystkich form elektromagnetycznych promieniowanie.

Aby w pełni zrozumieć fale elektromagnetyczne, ważne jest zrozumienie pojęcia pola i związku między elektrycznością a magnetyzmem. Zostanie to wyjaśnione bardziej szczegółowo w następnej sekcji, ale w istocie fale elektromagnetyczne (fale świetlne) składają się z fali pola elektrycznego oscylującej w płaszczyźnie prostopadłej (pod kątem prostym) do pola magnetycznego fala.

Jeśli promieniowanie elektromagnetyczne działa jak fala, to każda konkretna fala elektromagnetyczna będzie miała powiązaną z nią częstotliwość i długość fali. Częstotliwość to liczba oscylacji na sekundę, mierzona w hercach (Hz), gdzie 1 Hz = 1/s. Długość fali to odległość między grzbietami fal. Iloczyn częstotliwości i długości fali daje prędkość fali, która dla światła w próżni wynosi około 3×10⁸ SM.

W przeciwieństwie do większości fal (takich jak na przykład fale dźwiękowe), fale elektromagnetyczne nie wymagają ośrodka, przez który można: propagują, a zatem mogą przemierzać próżnię pustej przestrzeni, co robią z prędkością światła – największą prędkością w wszechświat!

Pole można traktować jako niewidzialną tablicę wektorów, po jednym w każdym punkcie przestrzeni, wskazującym względną wielkość i kierunek siły, jaką odczuwałby obiekt, gdyby został umieszczony w tym punkcie. Na przykład pole grawitacyjne w pobliżu powierzchni Ziemi składałoby się z wektora w każdym punkcie przestrzeni skierowanego bezpośrednio do środka Ziemi. Na tej samej wysokości wszystkie te wektory miałyby tę samą wielkość.

Gdyby w danym punkcie umieścić masę, to odczuwana przez nią siła grawitacyjna zależałaby od jej masy i wartości pola w tym miejscu. Pola elektryczne i magnetyczne działają w ten sam sposób, z wyjątkiem tego, że przykładają siły zależne odpowiednio od ładunku i momentu magnetycznego obiektu zamiast jego masy.

Pole elektryczne wynika bezpośrednio z istnienia ładunków, tak jak pole grawitacyjne wynika bezpośrednio z masy. Źródłem magnetyzmu jest jednak poruszający się ładunek (lub równoważnie zmieniające się pola elektryczne).

W latach 60. XIX wieku fizyk James Clerk Maxwell opracował zestaw czterech równań, które całkowicie opisują związek między elektrycznością a magnetyzmem. Równania te zasadniczo pokazały, w jaki sposób pola elektryczne są generowane przez ładunki, jak nie istnieją podstawowe monopole magnetyczne, w jaki sposób zmieniające się pola magnetyczne mogą generować pole elektryczne i jak prąd lub zmieniające się pola elektryczne mogą generować pole magnetyczne pola.

Wkrótce po wyprowadzeniu tych równań znaleziono rozwiązanie opisujące samorozchodzącą się falę elektromagnetyczną. Przewidywano, że ta fala będzie poruszać się z prędkością światła i rzeczywiście okazała się światłem!

Fale elektromagnetyczne mogą mieć wiele różnych długości i częstotliwości, o ile iloczyn długości fali i częstotliwości danej fali jest równydo, prędkość światła. Formy promieniowania elektromagnetycznego obejmują (od dłuższych fal/o niskiej energii do krótszych/o wysokiej energii):

• Fale radiowe (0,187 m - 600 m)
• Mikrofale (1 mm - 187 mm)
• Fale podczerwone (750 nm - 1 mm)
• Światło widzialne (400 nm - 750 nm; te długości fal są wykrywalne przez ludzkie oko i często dzielone na widmo widzialne)
• Światło ultrafioletowe (10 nm - 400 nm)
• Promienie rentgenowskie (10^-12 m - 10 nm)
• Promienie gamma (<10^-12 m)

Fotony to nazwa skwantowanych cząstek światła lub promieniowania elektromagnetycznego. Albert Einstein wprowadził pojęcie kwantów światła (fotonów) w artykule z początku XX wieku.

Fotony są bezmasowe i nie podlegają prawom zachowania liczb (co oznacza, że ​​można je tworzyć i niszczyć). Przestrzegają jednak zasady oszczędzania energii.

W rzeczywistości uważa się, że fotony należą do klasy cząstek, które są nośnikami siły. Foton jest pośrednikiem siły elektromagnetycznej i działa jak pakiet energii, który może być przenoszony z jednego miejsca na drugie.

Prawdopodobnie myślisz, że dziwne jest nagle mówić o falach elektromagnetycznych jako o cząstkach, ponieważ fale i cząstki wydają się dwiema fundamentalnie różnymi konstrukcjami. Rzeczywiście, właśnie tego rodzaju rzeczy sprawiają, że fizyka bardzo małych jest tak dziwna. W kilku następnych rozdziałach bardziej szczegółowo omówiono pojęcia kwantyzacji i dualizmu fal cząsteczkowych.

Fale elektromagnetyczne powstają w wyniku oscylacji pól elektrycznych i magnetycznych. Jeśli ładunek porusza się tam iz powrotem wzdłuż przewodu, wytwarza zmieniające się pole elektryczne, które z kolei wytwarza zmieniające się pole magnetyczne, które następnie samo się rozchodzi.

Atomy i cząsteczki, które zawierają poruszający się ładunek w postaci chmur elektronowych, mogą w ciekawy sposób oddziaływać z promieniowaniem elektromagnetycznym. W atomie elektrony mogą istnieć tylko w bardzo specyficznych skwantowanych stanach energetycznych.

Jeśli elektron chce być w stanie niższej energii, może to zrobić, emitując dyskretny pakiet promieniowania elektromagnetycznego w celu odprowadzenia energii. I odwrotnie, aby przejść do innego stanu energetycznego, ten sam elektron musi również pochłonąć bardzo specyficzny dyskretny pakiet energii.

Energia związana z falą elektromagnetyczną zależy od częstotliwości fali. Jako takie, atomy mogą absorbować i emitować tylko bardzo specyficzne częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego zgodne z powiązanymi z nimi skwantowanymi poziomami energii. Te pakiety energii nazywają sięfotony​.

​Kwantyzacjaodnosi się do czegoś ograniczonego do wartości dyskretnych w stosunku do ciągłego widma. Kiedy atomy absorbują lub emitują pojedynczy foton, robią to tylko przy bardzo określonych skwantowanych wartościach energii opisanych przez mechanikę kwantową. Ten „pojedynczy foton” można naprawdę traktować jako „pakiet” fali dyskretnej.

Ilość energii może być emitowana tylko w wielokrotnościach jednostki elementarnej (stała Planckackh). Równanie odnoszące się do energiimifotonu do jego częstotliwości wynosi:

Gdzieν(grecka litera nu) to częstotliwość fotonu i stała Planckah​ = 6.62607015 × 10^-34 Js.

Usłyszysz, jak ludzie używają słówfotonipromieniowanie elektromagnetycznezamiennie, chociaż wydaje się, że są to różne rzeczy. Mówiąc o fotonach, zwykle mówi się o właściwościach cząstek tego zjawiska, podczas gdy gdy mówią o falach elektromagnetycznych lub promieniowaniu, mówią o falopodobnych nieruchomości.

Fotony lub promieniowanie elektromagnetyczne wykazują tak zwaną dualność fal cząsteczkowych. W pewnych sytuacjach iw pewnych eksperymentach fotony wykazują zachowanie podobne do cząstek. Jednym z przykładów jest efekt fotoelektryczny, w którym wiązka światła uderzająca w powierzchnię powoduje uwolnienie elektronów. Specyfikę tego efektu można zrozumieć tylko wtedy, gdy światło traktuje się jako dyskretne pakiety, które elektrony muszą pochłonąć, aby mogły zostać wyemitowane.

W innych sytuacjach i eksperymentach zachowują się bardziej jak fale. Doskonałym tego przykładem są wzory interferencji obserwowane w eksperymentach z jedną lub wieloma szczelinami. W tych eksperymentach światło przechodzi przez wąskie, blisko rozmieszczone szczeliny, które działają jak wielokrotne w fazie źródła światła, w wyniku czego powstaje wzór interferencji zgodny z tym, co można zobaczyć w fala.

Co jeszcze dziwniejsze, fotony nie są jedyną rzeczą, która wykazuje tę dwoistość. Rzeczywiście, wszystkie cząstki elementarne, nawet elektrony i protony, wydają się zachowywać w ten sposób. Im większa cząstka, tym krótsza jest jej długość fali i tym mniej pojawi się ta dwoistość. Dlatego w życiu codziennym nie zauważasz czegoś takiego.