Fotony (kwantyzacja): definicja, właściwości i dualność falowo-cząsteczkowa

Światło jest prawdopodobnie jednym z najdziwniejszych tematów, jakie napotka student fizyki. Najszybsza rzecz we wszechświecie jest w jakiś sposób zarówno cząsteczką, jak i falą – i wykazuje jednocześnie unikalne właściwości obu. Ale cojestlekki?

Zrozumieć cofotonysą i co?kwantyzacjaŚrodki mają podstawowe znaczenie dla zrozumienia natury światła, fizyki kwantowej i niezliczonych pokrewnych zjawisk.

Fotony to formalna nazwa cząstek światła. Mogą być widoczne dla ludzi lub nie, ponieważ tutaj terminlekkijest używany w sensie fizycznym, co oznacza, że ​​foton jest cząstką promieniowania elektromagnetycznego o dowolnej częstotliwości widma, od fal radiowych po promienie gamma.

Fotony sąskwantyzowanycząstka. Oznacza to, że istnieją tylko w dyskretnych ilościach energii, a nie w jakiejkolwiek ilości energii pomiędzy. Rozważając bardziej zorientowany chemicznie opis fotonu jako energii uwalnianej, gdy elektron spada do niższego poziomu energii w atomie, ma to sens: elektrony mogą znajdować się tylko w określonych orbitalach lub energii poziomy. Nie ma półkroków. Więc jeśli foton jest wynikiem „spadającego elektronu”, foton musi również pochodzić tylko z określonych ilości energii lub kwantów.

Albert Einstein wprowadził pojęcie kwantów światła (fotonów) w pracy z 1905 roku. Jedna z czterech publikacji, które opublikował w tym roku, które zrewolucjonizowały naukę, to pomysł, który przyniósł mu Nagrodę Nobla.

Jak wspomniano wcześniej, światło odnosi się do każdego rodzaju promieniowania elektromagnetycznego, którego rodzaje różnią się częstotliwościami (lub długościami fal). Te dwie miary będące charakterystyką fal, wynika z tego, że światło musi byćfala elektromagnetyczna.​

Ale poczekaj – w poprzedniej części artykułu światło zostało wprowadzone jakocząstka, foton, a nie fala. To jest poprawne. Dziwna natura światła polega na istnieniu w tak zwanej dualności falowo-cząsteczkowej:Jest zarówno falą, jak i cząsteczką.​

Dlatego zarówno "fala elektromagnetyczna" jak i "foton" są akceptowalnymi deskryptorami światła. Zwykle pierwsza fraza jest używana do opisania światła, gdy jestdziałając jak falaa ten ostatni termin, gdy jestdziałając jako cząstka​.

Staje się to ważne w zależności od zjawisk, które bada fizyk. W pewnych sytuacjach iw pewnych eksperymentach fotony zachowują się tak, jak fizycy oczekują, że cząstki będą działać, na przykład podczas obserwacji efektu fotoelektrycznego. W innych sytuacjach i eksperymentach światło działa bardziej jak fale, na przykład podczas modulacji stacji radiowej.

Wszystko, co ogranicza się do wartości dyskretnych, a nie istnieje w ciągłym widmie, podlega kwantyzacji.

Kwantyzacja w atomie wyjaśnia, że ​​ilość energii, jaka może zostać wyemitowana w postaci fotonu, wystąpi tylko w wielokrotnościach jednostki elementarnej stałej Plancka,h= 6,6262 x 10 ^-34 dżul-sekundy

Ta jednostka, odkryta przez Maxa Plancka pod koniec XIX wieku, jest jedną z najdziwniejszych i najważniejszych jednostek w fizyce. Opisuje związek między częstotliwością cząstki falowej a jej poziomem energii, a tym samym wyznacza dolną granicę pewności, z jaką możemy zrozumieć strukturę materii.

Jedna z największych konsekwencji znajomości tego limitu, która pomogła również rozpocząć dziwną, ale prawdziwą dziedzinę badań znaną jako fizyka kwantowa polega na tym, że na najmniejszych poziomach subatomowych położenie cząstek można opisać tylko jako a prawdopodobieństwo. Innymi słowy, tylko pozycja cząstki subatomowejlubprędkość może być znana z całą pewnością w dowolnym momencie, alenie oba​.

Definiowanie kwantyhprowadzić do równania na energię fotonu:

gdzie energiamijest w dżulach (J), stała Planckahjest w dżul-sekundach (Js) i częstotliwościfajest w hercach (Hz).

Większość ludzi prawdopodobnie myśli o cząstkach jako o maleńkich jednostkach materii, których rozmiar odpowiada ich masie. To sprawia, że ​​cząsteczkowa forma światła jest szczególnie dziwną bestią, ponieważ jako jednostka czystej energii foton ma zerową masę.

Inną ważną właściwością fotonów jest to, że zawsze poruszają się z prędkością światła, ~ 300 000 000 m/sw próżni pustej przestrzeni. Światło może poruszać się wolniej – za każdym razem, gdy napotyka inną materię, wchodzi z nią w interakcję i zwalnia, więc im gęstszy materiał, przez który podróżuje światło, tym wolniej się porusza. Jednak,nic we wszechświecie nie może podróżować szybciej niż światło. Nie najszybsza rakieta ani najbardziej przyspieszona cząstka atomowa.

• Prędkość światła, ~300 000 000 m/s, jest najszybszą, jaką może podróżować cokolwiek. Dlatego jest również określany jako ograniczenie prędkości wszechświata.

W ten sposób zrozumienie światła ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia podstawowych ograniczeń samego wszechświata, od jego największego do najmniejszego.

Chociaż światło zawsze podróżuje w tym samym czasieprędkośćw danym ośrodku, jako forma promieniowania elektromagnetycznego, może mieć różnączęstotliwościlubdługości fal. Częstotliwości i długości fal światła jako fal elektromagnetycznych zmieniają się odwrotnie w widmie.

Na najdłuższej długości fali i na końcu najniższej częstotliwości znajdują się fale radiowe, po których nadchodzą mikrofale, podczerwień, widoczne światło, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i wysokoenergetyczne promienie gamma, każde o coraz krótszych długościach fal i wyższych częstotliwości.

Fizycy w latach 30. zaczęli się dowiadywać, że cała materia we wszechświecie składa się z kilku cząstki fundamentalne, znane jako cząstki elementarne, które są zarządzane przez ten sam zbiór podstawowe siły.Model standardowyfizyki cząstek elementarnych jest zbiorem równań próbujących zwięźle opisać, jak wszystkie te cząstki elementarne i siły fundamentalne są powiązane. Światło jest kluczowym elementem tego uniwersalnego opisu.

Rozwijany od lat 70. Model Standardowy do tej pory poprawnie przewidywał wyniki wielu, choć nie wszystkich, eksperymentów fizyki kwantowej. Rażącym problemem w modelu, który nie został jeszcze rozwiązany, jest sposób włączenia grawitacji do zestawu równań. Co więcej, nie dostarcza odpowiedzi na niektóre duże pytania kosmologiczne, w tym ustalenie, czym jest ciemna materia lub gdzie zniknęła cała antymateria stworzona podczas Wielkiego Wybuchu. Mimo to jest powszechnie akceptowana i uważana za najlepszą teorię wyjaśniającą fundamentalną naturę naszego dotychczasowego istnienia.

W Modelu Standardowym cała materia składa się z klasy cząstek elementarnych zwanychfermiony. Fermiony występują w dwóch rodzajach:kwarkilubleptony. Każda z tych kategorii jest dalej podzielona na sześć cząstek, powiązanych parami, znanych jakopokolenia. Pierwsza generacja jest najbardziej stabilna, z cięższymi i mniej stabilnymi cząstkami znalezionymi w drugiej i trzeciej generacji.

Innymi składnikami modelu standardowego są siły i cząstki nośnika, znane jakobozony. Każda z czterech podstawowych sił – grawitacyjna, elektromagnetyczna, silna i słaba – jest powiązana z bozonem, który przenosi siłę w wymianie z cząstkami materii.

Fizycy cząstek pracujący przy akceleratorach lub obserwujący zderzenia wysokoenergetycznych cząstek z kosmosu zidentyfikowali bozony dla tych trzech ostatnich sił.Foton jest bozonem, który przenosi siłę elektromagnetyczną we wszechświecie,gluonpróchnica silna siła iWiZcząstki przenoszą słabą siłę. Ale teoretyczny bozon grawitacji,grawiton, Pozostaje nieuchwytny.

​Promieniowanie ciała doskonale czarnego.Ciała doskonale czarne są hipotetycznym typem obiektów (w naturze idealne nie istnieją), które pochłaniają całe promieniowanie elektromagnetyczne, które je uderza. Zasadniczo każde promieniowanie elektromagnetyczne uderzające w ciało doskonale czarne służy do jego ogrzania, a promieniowanie, które emituje podczas chłodzenia, jest zatem bezpośrednio związane z jego temperaturą. Fizycy mogą wykorzystać to przybliżenie do wydedukowania właściwości niemal idealnych ciał czarnych we wszechświecie, takich jak gwiazdy i czarne dziury.

Chociaż falowa natura światła pomaga opisać częstotliwości promieniowania ciała doskonale czarnego, które obiekt będzie pochłaniał i emitował, jego natura cząsteczkowa jako foton pomaga również opisać ją matematycznie, ponieważ energie, które może zawierać ciało czarne, są skwantowane. Max Planck był jednym z pierwszych, którzy zbadali to zjawisko.

​Eksperyment z podwójną szczeliną.Centralna zasada fizyki kwantowej, eksperyment z podwójną szczeliną, pokazuje, w jaki sposób świecenie światła na barierę z dwoma wąskimi otworami daje charakterystyczny wzór jasnych i ciemnych cieni, znany jakowzór interferencji fal​.

Dziwną częścią tego jest to, że pojedynczy foton widoczny przez otwór nadal będzie zachowywał się tak, jakby zakłócał inne fotony, mimo że jest samotny i niepodzielny. To znaczy, że wzór światła zaobserwowany w eksperymencie nie może być wyjaśniony przez traktowanie światła tylko jako fotonu lub fali; należy wziąć pod uwagę jedno i drugie. Ten eksperyment jest często cytowany w wyjaśnianiu, co oznacza idea dualizmu falowo-cząsteczkowego.

​Efekt Comptona.Efekt Comptona jest kolejnym obserwowalnym przykładem wzajemnego oddziaływania między falą światła a naturą cząstek. Opisuje, w jaki sposób zachowywane są zarówno energia, jak i pęd, gdy foton zderza się z nieruchomym elektronem. Połączenie równania na ilość energii fotonu z równaniami zachowania pędu pokazuje, że wynikowy długość fali wychodzącego fotonu (początkowo nieruchomego elektronu) można przewidzieć na podstawie długości fali nadchodzącego fotonu, który dał to energia.

​Spektroskopia.Technika spektroskopii pozwala fizykom, chemikom, astronomom i innym naukowcom zbadać skład materiału obiektu, w tym odległych gwiazd, po prostu analizując wzory, które wynikają z oddzielenia przychodzącego światła od tego obiektu za pomocą pryzmat. Ponieważ różne pierwiastki pochłaniają i emitują fotony w dyskretnych kwantach, obserwowane długości fal elektromagnetycznych dzielą się na dyskretne segmenty w zależności od tego, jakie pierwiastki zawierają obiekty.

​Równoważność masy i energii.Wiele dzieci potrafi recytować słynne równanie EinsteinaE = mc². Krótkie i słodkie, prawdziwe implikacje tego równania są głębokie:Masami energiamisą równoważnei mogą być konwertowane na siebie przy użyciu prędkości światła w próżni,do, do kwadratu. Oznacza to, że obiekt, który się nie porusza, nadal ma energię; w tym przypadku jegomasa spoczynkowamówi się, że równa się jegoenergia spoczynku​.

Fizycy cząstek elementarnych wykorzystują równoważność masy i energii, aby określić prostsze jednostki niektórych swoich pomiarów. Na przykład fizycy kwantowi szukają mas fermionów lub bozonów, przyspieszając cząstki subatomowe, takie jak protony i elektrony, do prędkości bliskie światłu w gigantycznych akceleratorach i rozbijając je o siebie, a następnie analizując skutki „odpadów” w bardzo czułych tablice.

Jednak zamiast podawać masę w kilogramach, powszechnym sposobem podawania mas cząstek jest gigaelektronowolt lub GeV, jednostka energii. Aby przywrócić tę wartość do masy w jednostce kilogramów w układzie SI, mogą wykorzystać tę prostą zależność: 1 GeV/do​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.