Свет (физика): что это и как работает?

Понимание корпускулярно-волнового дуализма электромагнитного излучения (света) является фундаментальным для понимания квантовой теории и других явлений, а также природы света. Одним из крупнейших научных достижений прошлого века было открытие, что очень маленькие предметы не подчиняются тем же правилам, что и предметы повседневного обихода.

Проще говоря, электромагнитные волны просто известны как свет, хотя термин свет иногда используется для обозначения видимого света. (то, что может быть обнаружено глазом), а в других случаях используется в более общем смысле для обозначения всех форм электромагнитного радиация.

Чтобы полностью понять электромагнитные волны, важно понять понятие поля и взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. Это будет объяснено более подробно в следующем разделе, но, по сути, электромагнитные волны (световые волны) состоят из волны электрического поля, колеблющейся в плоскости, перпендикулярной (под прямым углом) магнитному полю волна.

Если электромагнитное излучение действует как волна, то любая конкретная электромагнитная волна будет иметь связанные с ней частоту и длину волны. Частота - это количество колебаний в секунду, измеренное в герцах (Гц), где 1 Гц = 1 / с. Длина волны - это расстояние между гребнями волн. Произведение частоты и длины волны дает скорость волны, которая для света в вакууме составляет примерно 3 × 10.⁸ РС.

В отличие от большинства волн (таких как, например, звуковые волны), электромагнитные волны не требуют среды, через которую распространяются и, следовательно, могут пересекать вакуум пустого пространства, что они и делают со скоростью света - самой быстрой скоростью в мире. вселенная!

Поле можно представить себе как невидимый массив векторов, по одному в каждой точке пространства, указывающих относительную величину и направление силы, которую объект почувствует, если поместить в эту точку. Например, гравитационное поле у ​​поверхности Земли будет состоять из вектора в каждой точке пространства, направленного прямо к центру Земли. На одной и той же высоте все эти векторы будут иметь одинаковую величину.

Если бы масса была помещена в данную точку, то сила гравитации, которую она ощущала, зависела бы от ее массы и величины поля там. Электрические и магнитные поля работают одинаково, за исключением того, что они применяют силы, зависящие от заряда и магнитного момента объекта, а не его массы.

Электрическое поле возникает непосредственно из наличия зарядов, так же как гравитационное поле возникает непосредственно из массы. Однако источником магнетизма является движущийся заряд (или, что то же самое, изменение электрических полей).

В 1860-х годах физик Джеймс Клерк Максвелл разработал набор из четырех уравнений, полностью описывающих связь между электричеством и магнетизмом. Эти уравнения в основном показали, как электрические поля генерируются зарядами, как не существует фундаментальных магнитных монополей, как изменяющиеся магнитные поля могут генерировать электрическое поле, и как ток или изменяющиеся электрические поля могут генерировать магнитные поля.

Вскоре после вывода этих уравнений было найдено решение, описывающее самораспространяющуюся электромагнитную волну. Было предсказано, что эта волна будет двигаться со скоростью света, и на самом деле оказалось, что это свет!

Электромагнитные волны могут иметь разные длины и частоты, если произведение длины волны и частоты данной волны равноc, скорость света. Формы электромагнитного излучения включают (от более длинных волн / низкой энергии до более коротких волн / высокой энергии):

• Радиоволны (0,187 м - 600 м)
• Микроволны (1 мм - 187 мм)
• Инфракрасные волны (750 нм - 1 мм)
• Видимый свет (400 нм - 750 нм; эти длины волн обнаруживаются человеческим глазом и часто подразделяются на видимый спектр)
• Ультрафиолетовый свет (10 нм - 400 нм)
• Рентген (10^-12 м - 10 нм)
• Гамма-лучи (<10^-12 м)

Фотоны - это название квантованных световых частиц или электромагнитного излучения. Альберт Эйнштейн ввел понятие световых квантов (фотонов) в статье начала 20 века.

Фотоны безмассовые, и они не подчиняются законам сохранения числа (то есть они могут быть созданы и уничтожены). Однако они соблюдают энергосбережение.

Фактически, фотоны относятся к классу частиц, которые являются носителями силы. Фотон является посредником электромагнитной силы и действует как пакет энергии, который может передаваться из одного места в другое.

Вы, вероятно, думаете, что довольно странно внезапно говорить об электромагнитных волнах как о частицах, поскольку волны и частицы кажутся двумя принципиально разными конструкциями. В самом деле, именно такие вещи делают физику очень маленького настолько странной. В следующих нескольких разделах более подробно обсуждаются понятия квантования и корпускулярно-волнового дуализма.

Электромагнитные волны возникают в результате колебаний электрических и магнитных полей. Если заряд движется вперед и назад по проводу, он создает изменяющееся электрическое поле, которое, в свою очередь, создает изменяющееся магнитное поле, которое затем самораспространяется.

Атомы и молекулы, которые содержат движущийся заряд в виде электронных облаков, могут интересно взаимодействовать с электромагнитным излучением. В атоме электроны могут существовать только в очень определенных квантованных энергетических состояниях.

Если электрон хочет находиться в состоянии с более низкой энергией, он может сделать это, испуская дискретный пакет электромагнитного излучения для унесения энергии. И наоборот, чтобы перейти в другое энергетическое состояние, тот же электрон должен также поглотить очень специфический дискретный пакет энергии.

Энергия, связанная с электромагнитной волной, зависит от частоты волны. Таким образом, атомы могут поглощать и излучать только очень определенные частоты электромагнитного излучения, соответствующие их квантованным уровням энергии. Эти энергетические пакеты называютсяфотоны​.

​Квантованиеотносится к чему-то, ограниченному дискретными значениями по сравнению с непрерывным спектром. Когда атомы поглощают или излучают одиночный фотон, они делают это только при очень определенных квантованных значениях энергии, описываемых квантовой механикой. Этот «одиночный фотон» действительно можно рассматривать как дискретный волновой «пакет».

Количество энергии может быть выделено только кратно элементарной единице (постоянная Планкачас). Уравнение, связывающее энергиюEфотона к его частоте:

Гдеν(греческая буква ню) - частота фотона и постоянная Планка.час​ = 6.62607015 × 10^-34 Дж.

Вы услышите, как люди используют словафотона такжеэлектромагнитное излучениевзаимозаменяемо, хотя кажется, что это разные вещи. Говоря о фотонах, люди обычно говорят о свойствах частиц этого явления, тогда как, когда они говорят об электромагнитных волнах или излучении, они говорят с волнообразными характеристики.

Фотоны или электромагнитное излучение демонстрируют то, что называется корпускулярно-волновым дуализмом. В определенных ситуациях и в определенных экспериментах фотоны проявляют поведение, подобное частицам. Одним из примеров этого является фотоэлектрический эффект, когда луч света, падающий на поверхность, вызывает высвобождение электронов. Специфика этого эффекта может быть понятна только в том случае, если свет рассматривается как дискретные пакеты, которые электроны должны поглотить, чтобы испускаться.

В других ситуациях и экспериментах они действуют скорее как волны. Ярким примером этого являются интерференционные картины, наблюдаемые в экспериментах с одной или несколькими щелями. В этих экспериментах свет проходит через узкие, близко расположенные щели, которые действуют как несколько синфазных источников света, и в результате он создает интерференционную картину, соответствующую тому, что вы бы увидели в волна.

Что еще более странно, фотоны - не единственное, что демонстрирует эту двойственность. В самом деле, похоже, что все элементарные частицы, даже электроны и протоны, ведут себя подобным образом. Чем крупнее частица, тем короче ее длина волны и тем меньше проявляется эта двойственность. Поэтому в повседневной жизни ничего подобного не замечаешь.