Fótons (quantização): definição, propriedades e dualidade onda-partícula

A luz é sem dúvida um dos tópicos mais estranhos que um estudante de física encontrará. A coisa mais rápida do universo é, de alguma forma, uma partícula e uma onda - e exibe as propriedades únicas de ambas ao mesmo tempo. Mas o queéluz?

Entendendo o quefótonssão e o quequantizaçãomeios é fundamental para a compreensão da natureza da luz, física quântica e uma miríade de fenômenos relacionados.

Fótons são o nome formal das partículas de luz. Eles podem ser visíveis aos humanos ou não, já que aqui o termoluzé usado no sentido físico, o que significa que um fóton é uma partícula de radiação eletromagnética em qualquer freqüência do espectro, desde ondas de rádio até raios gama.

Fótons são umquantificadopartícula. Isso significa que eles existem apenas em quantidades discretas de energia, ao invés de qualquer quantidade de energia intermediária. Ao considerar a descrição mais orientada para a química de um fóton como a energia liberada quando um elétron cai a um nível de energia inferior no átomo, isso faz sentido: os elétrons só podem estar em orbitais específicos, ou energia níveis. Não há meio-passos. Portanto, se um fóton é o resultado de um "elétron em queda", um fóton também deve vir em apenas quantidades específicas de energia, ou quanta.

Albert Einstein introduziu a noção de quanta de luz (fótons) em um artigo de 1905. Um dos quatro artigos que publicou naquele ano que revolucionou a ciência, foi essa ideia que lhe rendeu o Prêmio Nobel.

Como mencionado anteriormente, a luz se refere a qualquer tipo de radiação eletromagnética, cujos tipos são diferenciados por suas diferentes frequências (ou comprimentos de onda). Essas duas medidas sendo características das ondas, segue-se que a luz deve ser umaonda eletromagnética.​

Mas espere - na seção anterior do artigo, a luz foi introduzida como umpartícula, o fóton, não como uma onda. Isto está certo. A natureza estranha da luz é existir no que é chamado de dualidade onda-partícula:É uma onda e uma partícula.​

Portanto, tanto "onda eletromagnética" quanto "fóton" são descritores aceitáveis ​​de luz. Normalmente, a primeira frase é usada para descrever a luz quando éagindo como uma ondae o último termo quando éagindo como uma partícula​.

Isso se torna importante dependendo dos fenômenos que um físico está examinando. Em certas situações e em certos experimentos, os fótons agem como os físicos esperam que as partículas atuem, por exemplo, ao observar o efeito fotoelétrico. Em outras situações e experimentos, a luz age mais como ondas, como ao modular uma estação de rádio.

Qualquer coisa restrita a valores discretos em vez de existir em um espectro contínuo está passando por quantização.

A quantização em um átomo explica que a quantidade de energia que pode ser emitida na forma de um fóton ocorrerá apenas em múltiplos da constante de Planck da unidade elementar,h= 6,6262 x 10 ^-34 joule-segundos

Esta unidade, descoberta por Max Planck no final dos anos 1800, é uma das unidades mais bizarras e importantes da física. Ele descreve a relação entre a frequência de uma onda-partícula e seu nível de energia e, assim, estabelece um limite inferior inferior para a certeza com a qual podemos compreender a estrutura da matéria.

Uma das maiores ramificações de conhecer esse limite, que também ajudou a iniciar o campo de estudo ímpar, mas real, conhecido como física quântica, é que nos menores níveis subatômicos a posição das partículas só pode ser descrita como um probabilidade. Dito de outra forma, apenas a posição de uma partícula subatômicaoua velocidade pode ser conhecida com certeza a qualquer momento, masnão ambos​.

Definindo os quantahlevam a uma equação para a energia de um fóton:

onde energiaEestá em joules (J), a constante de Planckhestá em joule-segundos (Js) e frequênciafestá em hertz (Hz).

A maioria das pessoas provavelmente pensa nas partículas como minúsculas unidades de matéria, que são dimensionadas de acordo com suas massas. Isso torna a forma de partícula de luz uma besta particularmente estranha, pois, como unidade de energia pura, um fóton tem massa zero.

Outra propriedade importante dos fótons é que eles sempre viajam à velocidade da luz, ~ 300.000.000 m / s no vácuo do espaço vazio. A luz pode viajar mais devagar do que isso - sempre que encontra outra matéria, ela interage com ela e diminui a velocidade, de modo que quanto mais denso for o material através do qual a luz viaja, mais devagar ela vai. Contudo,nada no universo pode viajar mais rápido que a luz. Não é o foguete mais rápido nem a partícula atômica mais acelerada.

• A velocidade da luz, ~ 300.000.000 m / s, é a mais rápida que qualquer coisa pode viajar. É por isso que também é conhecido como o limite de velocidade do universo.

Desse modo, entender a luz é fundamental para entender os limites fundamentais do próprio universo, do maior ao menor.

Embora a luz sempre viaje na mesmaRapidezem um determinado meio, como forma de radiação eletromagnética, pode ter diferentesfrequênciasoucomprimentos de onda. As frequências e comprimentos de onda da luz como ondas eletromagnéticas mudam inversamente umas com as outras ao longo de um espectro.

No comprimento de onda mais longo e na extremidade de frequência mais baixa estão as ondas de rádio, depois das quais vêm as microondas, infravermelho, visíveis luz, ultravioleta, raios-X e raios gama de alta energia, cada um com comprimentos de onda progressivamente mais curtos e mais altos frequências.

Os físicos na década de 1930 começaram a aprender que toda a matéria do universo é composta de alguns partículas fundamentais, conhecidas como partículas elementares, que são todas governadas pelo mesmo conjunto de forças fundamentais. OModelo Padrãoda física de partículas é um conjunto de equações que tentam descrever sucintamente como todas essas partículas elementares e as forças fundamentais se relacionam. A luz é uma peça crítica dessa descrição universal.

Em desenvolvimento desde a década de 1970, o Modelo Padrão previu corretamente os resultados de muitos, embora não todos, experimentos de física quântica. Um problema gritante ainda a ser resolvido no modelo é como incorporar a gravidade ao conjunto de equações. Além disso, ele falha em fornecer respostas sobre algumas grandes questões cosmológicas, incluindo descobrir o que é a matéria escura ou onde toda a antimatéria criada no Big Bang desapareceu. Ainda assim, é amplamente aceita e considerada a melhor teoria para explicar a natureza fundamental de nossa existência até hoje.

No Modelo Padrão, toda matéria é composta de uma classe de partículas elementares chamadasfermions. Os férmions vêm em dois tipos:quarksouléptons. Cada uma dessas categorias é dividida em seis partículas, relacionadas em pares conhecidos comogerações. A primeira geração é a mais estável, com partículas mais pesadas e menos estáveis ​​encontradas na segunda e terceira gerações.

Os outros componentes do modelo padrão são forças e partículas portadoras, conhecidas comobósons. Cada uma das quatro forças fundamentais - gravidade, eletromagnética, forte e fraca - está associada a um bóson que transmite a força em trocas com partículas de matéria.

Físicos de partículas trabalhando em aceleradores ou observando colisões de partículas de alta energia do espaço identificaram bósons para as últimas três forças.O fóton é o bóson que carrega a força eletromagnética no universo, agluoncárie a força forte e oCeZas partículas carregam a força fraca. Mas o bóson teórico da gravidade, ográviton, permanece indescritível.

​Radiação de corpo negro.Os corpos negros são um tipo hipotético de objeto (os perfeitos não existem na natureza) que absorvem toda a radiação eletromagnética que os atinge. Em essência, qualquer radiação eletromagnética que atinja um corpo negro serve para aquecê-lo e a radiação que ele emite durante o resfriamento está, portanto, diretamente relacionada à sua temperatura. Os físicos podem usar essa aproximação para deduzir as propriedades de corpos negros quase perfeitos no universo, como estrelas e buracos negros.

Embora a natureza ondulatória da luz ajude a descrever as frequências da radiação do corpo negro que um objeto irá absorver e emitir, é a natureza da partícula como um fóton também ajuda a descrevê-la matematicamente, uma vez que as energias que o corpo negro pode conter são quantizadas. Max Planck foi um dos primeiros a investigar esse fenômeno.

​O experimento da dupla fenda.Um princípio central da física quântica, o experimento de dupla fenda mostra como brilhar uma luz em uma barreira com duas aberturas estreitas resulta em um padrão distinto de sombras claras e escuras conhecido como umpadrão de interferência de onda​.

O estranho disso é que um único fóton mostrado pela abertura ainda se comportará como se estivesse interferindo em outros fótons, apesar de estar sozinho e indivisível. Isso quer dizer que o padrão de luz observado no experimento não pode ser explicado tratando a luz apenas como um fóton ou uma onda; deve ser considerado ambos. Este experimento é freqüentemente citado para explicar o que se entende pela ideia de dualidade onda-partícula.

​O efeito Compton.O efeito Compton é outro exemplo observável da interação entre as ondas de luz e as naturezas das partículas. Ele descreve como a energia e o momento são conservados quando um fóton colide com um elétron estacionário. Combinar a equação para a quantidade de energia de um fóton com as equações de conservação de momento mostra que o resultado comprimento de onda do fóton de saída (o elétron inicialmente parado) pode ser previsto pelo comprimento de onda do fóton de entrada que deu é energia.

​Espectroscopia.A técnica de espectroscopia permite que físicos, químicos, astrônomos e outros cientistas investiguem a composição material de um objeto, incluindo estrelas distantes, simplesmente analisando os padrões que resultam da divisão da luz recebida desse objeto com um prisma. Como diferentes elementos absorvem e emitem fótons em quanta discretos, os comprimentos de onda eletromagnéticos observados caem em segmentos discretos, dependendo de quais elementos os objetos contêm.

​Equivalência massa-energia.Muitas crianças podem recitar a famosa equação de EinsteinE = mc². Curto e doce, as verdadeiras implicações desta equação são profundas:Massame energiaEsão equivalentese podem ser convertidos um no outro usando a velocidade da luz no vácuo,c, ao quadrado. Isso implica, de maneira importante, que um objeto que não está se movendo ainda tem energia; neste caso émassa de descansoé dito igual a seuenergia de descanso​.

Os físicos de partículas usam a equivalência massa-energia para determinar unidades mais simples para algumas de suas medições. Por exemplo, os físicos quânticos procuram as massas de férmions ou bósons acelerando partículas subatômicas como prótons e elétrons para velocidades próximas da luz em aceleradores gigantes e esmagando-os juntos, e então analisando os efeitos dos "detritos" em sistemas elétricos altamente sensíveis matrizes.

Em vez de dar uma massa em quilogramas, no entanto, a maneira comum de relatar as massas das partículas é em giga-elétron-volts, ou GeV, uma unidade de energia. Para retornar este valor a uma massa na unidade SI de quilogramas, eles podem usar esta relação simples: 1 GeV /c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.