Fotoni (cuantificare): definiție, proprietăți și dualitate undă-particulă

Lumina este probabil unul dintre cele mai ciudate subiecte pe care le va întâlni un student la fizică. Cel mai rapid lucru din univers este cumva atât o particulă cât și o undă - și prezintă proprietățile unice ale ambelor în același timp. Dar ceesteușoară?

Înțelegând cefotonisunt și cecuantizaremijloacele sunt fundamentale pentru a înțelege natura luminii, fizica cuantică și nenumăratele fenomene conexe.

Fotonii sunt denumirea formală a particulelor de lumină. Ele pot fi vizibile sau nu pentru oameni, deoarece aici termenulușoarăeste folosit în sensul fizicii, ceea ce înseamnă că un foton este o particulă de radiație electromagnetică la orice frecvență a spectrului, de la unde radio la raze gamma.

Fotonii sunt uncuantificatparticule. Aceasta înseamnă că există doar în cantități discrete de energie, mai degrabă decât în ​​orice cantitate de energie intermediară. Când se ia în considerare descrierea mai orientată către chimie a unui foton ca energie eliberată atunci când cade un electron la un nivel mai scăzut de energie în atom, acest lucru are sens: Electronii pot fi doar pe orbitați specifici sau energie niveluri. Nu există pași pe jumătate. Deci, dacă un foton este rezultatul unei „căderi de electroni”, un foton trebuie să aibă, de asemenea, doar cantități specifice de energie, sau cuante.

Albert Einstein a introdus noțiunea de cuante ușoare (fotoni) într-o lucrare din 1905. Una dintre cele patru lucrări pe care le-a publicat în acel an care a revoluționat știința, aceasta a fost ideea care i-a adus premiul Nobel.

După cum sa menționat mai devreme, lumina se referă la orice tip de radiație electromagnetică, ale cărei tipuri se disting prin frecvențe diferite (sau lungimi de undă). Aceste două măsuri fiind caracteristici ale undelor, rezultă că lumina trebuie să fie oundă electromagnetică.​

Dar așteptați - în secțiunea anterioară a articolului, light a fost introdusă caparticule, fotonul, nu ca o undă. Asta e corect. Natura ciudată a luminii trebuie să existe în ceea ce se numește dualitatea undă-particulă:Este atât o undă, cât și o particulă.​

Prin urmare, atât „undă electromagnetică”, cât și „foton” sunt descriptori acceptabili ai luminii. De obicei, prima frază este utilizată pentru a descrie lumina când esteacționând ca un valiar ultimul termen când esteacționând ca o particulă​.

Acest lucru devine important în funcție de fenomenele pe care le examinează un fizician. În anumite situații și în anumite experimente, fotonii acționează ca fizicienii se așteaptă ca particulele să acționeze, de exemplu, atunci când observă efectul fotoelectric. În alte situații și experimente, lumina acționează mai mult ca undele, cum ar fi atunci când modulează un post de radio.

Orice lucru limitat la valori discrete, mai degrabă decât existent pe un spectru continuu, este în curs de cuantificare.

Cuantificarea într-un atom explică faptul că cantitatea de energie care poate fi emisă sub forma unui foton va avea loc numai în multiplii unității elementare a constantei lui Planck,h= 6,6262 x 10 ^-34 joule-secunde

Această unitate, descoperită de Max Planck la sfârșitul anilor 1800, este una dintre cele mai bizare și importante unități din fizică. Descrie relația dintre frecvența unei unde-particule și nivelul său de energie și, astfel, stabilește o limită inferioară inferioară a certitudinii cu care putem înțelege structura materiei.

Una dintre cele mai mari ramificații ale cunoașterii acestei limite, care a contribuit, de asemenea, la începerea câmpului de studiu ciudat, dar real, cunoscut sub numele de fizica cuantică, este că la cele mai mici niveluri sub-atomice poziția particulelor este descriptibilă doar ca a probabilitate. Altfel spus, doar poziția unei particule sub-atomicesauviteza poate fi cunoscută cu certitudine la un moment dat, darnu amândoua​.

Definirea cuantelorhconduce la o ecuație pentru energia unui foton:

unde energiaEeste în jouli (J), constanta lui Planckheste în joule-secunde (Js) și frecvențăfeste în hertz (Hz).

Majoritatea oamenilor probabil cred că particulele sunt niște mici unități de materie, care sunt dimensionate în funcție de masele lor. Acest lucru face ca forma particulelor de lumină să fie o fiară deosebit de ciudată, deoarece, ca unitate de energie pură, un foton are o masă zero.

O altă proprietate importantă a fotonilor este că aceștia se deplasează întotdeauna cu viteza luminii, ~ 300.000.000 m / s în vidul spațiului gol. Lumina poate călători mai lent decât atât - de fiecare dată când întâlnește alte materii, interacționează cu ea și încetinește, astfel încât, cu cât este mai dens materialul prin care călătorește lumina, cu atât este mai lent. In orice caz,nimic în univers nu poate călători mai repede decât lumina. Nu cea mai rapidă rachetă și nici cea mai accelerată particulă atomică.

• Viteza luminii, ~ 300.000.000 m / s, este cea mai rapidă pe care o poate călători orice. Acesta este motivul pentru care este denumită și limita de viteză a universului.

În acest fel, înțelegerea luminii este esențială pentru înțelegerea limitelor fundamentale ale universului în sine, de la cea mai mare la cea mai mică.

Deși lumina călătorește întotdeauna la felvitezăîntr-un mediu dat, ca formă de radiație electromagnetică, poate avea diferitefrecvențesaulungimi de undă. Frecvențele și lungimile de undă ale luminii pe măsură ce undele electromagnetice se schimbă invers între ele de-a lungul unui spectru.

La cea mai lungă lungime de undă și la cea mai mică frecvență sunt undele radio, după care vin microunde, infraroșu, vizibile lumină, ultraviolete, raze X și raze gamma de mare energie, fiecare cu lungimi de undă progresiv mai mici și mai mari frecvențe.

Fizicienii din anii 1930 au început să afle că toată materia din univers este compusă din câteva particule fundamentale, cunoscute sub numele de particule elementare, care sunt toate guvernate de același set de forțe fundamentale.Model standardfizicii particulelor este un set de ecuații care încearcă să descrie succint modul în care se raportează toate aceste particule elementare și forțele fundamentale. Lumina este o piesă critică a acestei descrieri universale.

În curs de dezvoltare din anii 1970, Modelul Standard a prezis până acum corect rezultatele multor experimente de fizică cuantică, deși nu ale tuturor. O problemă flagrantă care încă nu trebuie rezolvată în model este modul de a încorpora gravitația în setul de ecuații. În plus, nu reușește să ofere răspunsuri cu privire la unele mari întrebări cosmologice, inclusiv să afle ce este materia întunecată sau unde a dispărut toată antimateria creată în Big Bang. Totuși, este larg acceptată și considerată cea mai bună teorie pentru a explica natura fundamentală a existenței noastre până în prezent.

În modelul standard, toată materia este alcătuită dintr-o clasă de particule elementare numitefermioni. Fermiunile vin în două tipuri:quarkssauleptoni. Fiecare dintre aceste categorii este în continuare împărțită în șase particule, legate în perechi cunoscute sub numele degenerații. Prima generație este cea mai stabilă, cu particule mai grele și mai puțin stabile găsite în a doua și a treia generație.

Celelalte componente ale modelului standard sunt forțele și particulele purtătoare, cunoscute sub numele debosoni. Fiecare dintre cele patru forțe fundamentale - gravitațională, electromagnetică, puternică și slabă - este asociată cu un boson care transmite forța în schimburile cu particulele de materie.

Fizicienii de particule care lucrează la acceleratoare sau care urmăresc coliziunile de particule de mare energie din spațiu au identificat bosoni pentru aceste trei forțe.Fotonul este bosonul care transportă forța electromagnetică în univers,gluoncarie forta puternica siWșiZparticulele transportă forța slabă. Dar bosonul teoretic pentru gravitație,graviton, rămâne evaziv.

​Radiația corpului negru.Corpurile negre sunt un tip ipotetic de obiect (cele perfecte nu există în natură) care absorb toată radiația electromagnetică care le lovește. În esență, orice radiație electromagnetică care lovește un corp negru servește la încălzirea acestuia și radiația pe care o emite în timpul răcirii este, prin urmare, direct legată de temperatura sa. Fizicienii pot folosi această aproximare pentru a deduce proprietățile corpurilor negre aproape perfecte din univers, cum ar fi stelele și găurile negre.

În timp ce natura undelor luminii ajută la descrierea frecvențelor radiației corpului negru pe care un obiect le va absorbi și emite, aceasta este natura particulelor ca foton ajută, de asemenea, să o descrie matematic, deoarece energiile pe care le poate conține corpul negru sunt cuantificate. Max Planck a fost printre primii care au investigat acest fenomen.

​Experimentul cu dublă fantă.Un principiu central al fizicii cuantice, experimentul cu două fante arată cum strălucirea unei lumini pe o barieră cu două deschideri înguste are ca rezultat un model distinctiv de umbre luminoase și întunecate cunoscut sub numele demodel de interferență a undelor​.

Partea ciudată a acestui fapt este că un singur foton prezentat prin deschidere se va comporta în continuare ca și cum ar interfera cu alți fotoni, în ciuda faptului că este singur și indivizibil. Aceasta înseamnă că modelul luminos observat în experiment nu poate fi explicat prin tratarea luminii ca doar un foton sau o undă; trebuie considerate ambele. Acest experiment este adesea citat pentru a explica ce se înțelege prin ideea dualității undă-particulă.

​Efectul Compton.Efectul Compton este un alt exemplu observabil al interacțiunii dintre undele luminii și naturile particulelor. Descrie modul în care atât energia cât și impulsul sunt conservate atunci când un foton se ciocnește cu un electron staționar. Combinarea ecuației pentru cantitatea de energie a unui foton cu ecuațiile de conservare a impulsului arată că rezultatul lungimea de undă a fotonului de ieșire (electronul inițial fix) poate fi prezisă de lungimea de undă a fotonului de intrare care a dat aceasta energie.

​Spectroscopie.Tehnica spectroscopiei permite fizicienilor, chimiștilor, astronomilor și altor oameni de știință să investigheze structura materială a unui obiect, inclusiv stele îndepărtate, pur și simplu prin analiza modelelor care rezultă din împărțirea luminii primite din acel obiect cu un prisma. Deoarece diferite elemente absorb și emit fotoni în cuantele discrete, lungimile de undă electromagnetice observate cad în segmente discrete în funcție de ce elemente conțin obiectele.

​Echivalența masă-energie.O mulțime de copii pot recita faimoasa ecuație a lui EinsteinE = mc². Scurte și dulci, adevăratele implicații ale acestei ecuații sunt profunde:Masamși energieEsunt echivalenteși pot fi convertite unul la altul folosind viteza luminii în vid,c, pătrat. Acest lucru implică în mod important faptul că un obiect care nu se mișcă are încă energie; în acest cazmasa de odihnăse spune că este egală cu a saenergie de odihnă​.

Fizicienii particulelor folosesc echivalența masă-energie pentru a determina unități mai simple pentru unele dintre măsurătorile lor. De exemplu, fizicienii cuantici caută masele fermionilor sau bosonilor prin accelerarea particulelor subatomice, cum ar fi protonii și electronii viteze aproape de lumină în acceleratoare gigantice și spargându-le împreună, și apoi analizând efectele „resturilor” în electrice extrem de sensibile matrici.

În loc de a da o masă în kilograme, totuși, modul comun de raportare a maselor de particule este în giga-electron-volți sau GeV, o unitate de energie. Pentru a returna această valoare la o masă în unitatea SI de kilograme, ei pot folosi această relație simplă: 1 GeV /c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.