Înțelegerea dualității undelor particule a radiației electromagnetice (lumină) este fundamentală pentru înțelegerea teoriei cuantice și a altor fenomene, precum și a naturii luminii. Una dintre cele mai mari evoluții științifice din secolul anterior a fost descoperirea faptului că obiectele foarte mici nu respectă aceleași reguli ca obiectele de zi cu zi.
Ce sunt undele electromagnetice?
În termeni simpli, undele electromagnetice sunt pur și simplu cunoscute sub numele de lumină, deși termenul lumină este uneori folosit pentru a specifica lumina vizibilă (ceea ce poate fi detectat de ochi) și alteori este folosit mai general pentru a se referi la toate formele de electromagnetic radiații.
Pentru a înțelege pe deplin undele electromagnetice, este important să înțelegem noțiunea de câmp și relația dintre electricitate și magnetism. Acest lucru va fi explicat mai detaliat în secțiunea următoare, dar în esență, undele electromagnetice (unde luminoase) constau dintr-o undă de câmp electric oscilând într-un plan perpendicular (în unghi drept) față de un câmp magnetic val.
Dacă radiația electromagnetică acționează ca o undă, atunci orice undă electromagnetică particulară va avea o frecvență și o lungime de undă asociate acesteia. Frecvența este numărul de oscilații pe secundă, măsurat în hertz (Hz) unde 1 Hz = 1 / s. Lungimea de undă este distanța dintre crestele valurilor. Produsul frecvenței și lungimii de undă dă viteza de undă, care pentru lumina în vid este de aproximativ 3 × 108 Domnișoară.
Spre deosebire de majoritatea undelor (cum ar fi undele sonore, de exemplu), undele electromagnetice nu necesită un mediu prin care să ajungă se propagă și, prin urmare, pot traversa vidul spațiului gol, pe care îl fac cu viteza luminii - cea mai rapidă viteză din univers!
Câmpuri și electromagnetism
Un câmp poate fi considerat ca o matrice invizibilă de vectori, unul în fiecare punct al spațiului indicând magnitudinea și direcția relativă a unei forțe pe care un obiect ar simți-o dacă ar fi plasat în acel punct. De exemplu, un câmp gravitațional de lângă suprafața pământului ar consta dintr-un vector în fiecare punct al spațiului care arăta direct spre centrul pământului. La aceeași altitudine, toți acești vectori ar avea aceeași magnitudine.
Dacă o masă ar fi plasată într-un punct dat, atunci forța gravitațională pe care o simte ar depinde de masa sa și de valoarea câmpului de acolo. Câmpurile electrice și câmpurile magnetice funcționează la fel, cu excepția faptului că aplică forțe dependente de încărcarea unui obiect și respectiv de momentul magnetic în loc de masa acestuia.
Câmpul electric rezultă direct din existența sarcinilor, la fel cum câmpul gravitațional rezultă direct din masă. Sursa magnetismului este totuși din sarcina în mișcare (sau echivalent, schimbarea câmpurilor electrice).
În anii 1860, fizicianul James Clerk Maxwell a dezvoltat un set de patru ecuații care au descris complet relația dintre electricitate și magnetism. Aceste ecuații au arătat practic cum sunt generate câmpurile electrice de sarcini, cum nu există monopoluri magnetici fundamentali, cum schimbarea câmpurilor magnetice poate genera un câmp electric și modul în care curentul sau câmpurile electrice în schimbare pot genera magnetice câmpuri.
La scurt timp după derivarea acestor ecuații, a fost găsită o soluție care descrie o undă electromagnetică auto-propagată. S-a prezis că această undă se va mișca cu viteza luminii și, într-adevăr, sa dovedit a fi de fapt lumină!
Spectrul electromagnetic
Undele electromagnetice pot veni în multe lungimi de undă și frecvențe diferite, atât timp cât produsul lungimii de undă și frecvenței unei unde date este egal cuc, viteza luminii. Formele de radiații electromagnetice includ (de la lungimi de undă mai mari / energie scăzută la lungimi de undă mai mici / energie mare):
- Undele radio (0,187 m - 600 m)
- Cuptoare cu microunde (1 mm - 187 mm)
- Undele infraroșii (750 nm - 1 mm)
- Lumina vizibilă (400 nm - 750 nm; aceste lungimi de undă sunt detectabile de ochiul uman și adesea subdivizate într-un spectru vizibil)
- Lumina ultravioletă (10 nm - 400 nm)
- Raze X (10-12 m - 10 nm)
- Razele gamma (<10-12 m)
Ce sunt fotonii?
Fotonii sunt denumirea de particule de lumină cuantizate sau radiații electromagnetice. Albert Einstein a introdus noțiunea de cuante de lumină (fotoni) într-o lucrare de la începutul secolului al XX-lea.
Fotonii sunt lipsiți de masă și nu respectă legile de conservare a numărului (ceea ce înseamnă că pot fi creați și distruși). Cu toate acestea, ei se supun conservării energiei.
De fapt, fotonii sunt considerați a fi într-o clasă de particule care sunt purtători de forță. Fotonul este mediatorul forței electromagnetice și acționează ca un pachet de energie care poate fi transferat dintr-un loc în altul.
Probabil vă gândiți că este destul de ciudat să vorbiți brusc despre unde electromagnetice ca particule, deoarece undele și particulele par a fi două construcții fundamental diferite. Într-adevăr, tocmai acest gen de lucruri face ca fizica celor mici să fie atât de ciudată. În următoarele secțiuni, noțiunile de cuantificare și dualitatea particulei-unde sunt discutate mai detaliat.
Cum se produc valuri sau fotoni electromagnetici?
Undele electromagnetice rezultă din oscilațiile din câmpurile electrice și magnetice. Dacă o sarcină se mișcă înainte și înapoi de-a lungul unui fir, creează un câmp electric în schimbare, care la rândul său creează un câmp magnetic în schimbare, care apoi se auto-propagă.
Atomii și moleculele, care conțin sarcină în mișcare sub formă de nori de electroni, sunt capabili să interacționeze cu radiația electromagnetică în moduri interesante. Într-un atom, electronilor li se permite să existe doar în stări de energie cuantificate foarte specifice.
Dacă un electron dorește să se afle într-o stare de energie mai mică, poate face acest lucru prin emiterea unui pachet discret de radiații electromagnetice pentru a duce energia. În schimb, pentru a sari într-o altă stare de energie, același electron trebuie să absoarbă și un pachet discret de energie.
Energia asociată cu o undă electromagnetică depinde de frecvența undei. Ca atare, atomii pot absorbi și emite doar frecvențe foarte specifice ale radiației electromagnetice în concordanță cu nivelurile lor de energie cuantificate asociate. Aceste pachete de energie sunt numitefotoni.
Ce este cuantizarea?
Cuantizarese referă la faptul că ceva este restricționat la valori discrete versete un spectru continuu. Când atomii absorb sau emit un singur foton, fac acest lucru doar la valori cuantice foarte specifice descrise de mecanica cuantică. Acest „foton unic” poate fi considerat cu adevărat ca un „pachet” de undă discretă.
O cantitate de energie poate fi emisă numai în multiplii unei unități elementare (constanta lui Planckh). Ecuația care leagă energiaEa unui foton la frecvența sa este:
E = h \ nu
Undeν(litera greacă nu) este frecvența fotonului și constanta lui Planckh = 6.62607015 × 10-34 Js.
Dualitatea undelor-particule
Veți auzi oamenii folosind cuvintelefotonșiradiatie electromagneticainterschimbabil, chiar dacă se pare că sunt lucruri diferite. Când vorbim de fotoni, oamenii vorbesc de obicei despre proprietățile particulelor acestui fenomen, întrucât, atunci când vorbesc despre unde electromagnetice sau radiații, vorbesc cu undele proprietăți.
Fotonii sau radiațiile electromagnetice prezintă ceea ce se numește dualitatea particule-unde. În anumite situații și în anumite experimente, fotonii prezintă un comportament asemănător particulelor. Un exemplu în acest sens este în efectul fotoelectric, unde un fascicul de lumină care lovește o suprafață determină eliberarea de electroni. Specificul acestui efect poate fi înțeles numai dacă lumina este tratată ca pachete discrete pe care electronii trebuie să le absoarbă pentru a fi emise.
În alte situații și experimente, ele acționează mai mult ca niște valuri. Un prim exemplu în acest sens îl reprezintă modelele de interferență observate în experimentele cu o singură sau mai multe fante. În aceste experimente, lumina călătorește prin fante înguste, foarte distanțate, care acționează ca mai multe faze surse de lumină și, ca rezultat, produce un model de interferență compatibil cu ceea ce ați vedea într-un val.
Chiar mai ciudat, fotonii nu sunt singurul lucru care prezintă această dualitate. Într-adevăr, toate particulele fundamentale, chiar și electronii și protonii, par să se comporte în acest fel. Cu cât particula este mai mare, cu atât lungimea de undă este mai mică și cu atât această dualitate va apărea mai puțin. Acesta este motivul pentru care nu observați așa ceva în viața de zi cu zi.