Фотоны (квантование): определение, свойства и дуальность волна-частица

Свет, пожалуй, одна из самых странных тем, с которыми сталкивается студент-физик. Самая быстрая вещь во Вселенной - это как частица, так и волна - и проявляет уникальные свойства обеих одновременно. Но чтоявляетсясвет?

Понимая, чтофотоныесть и чтоквантованиеСредство имеет фундаментальное значение для понимания природы света, квантовой физики и множества связанных с ним явлений.

Фотоны - это официальное название легких частиц. Они могут быть видны людям или нет, поскольку здесь терминсветиспользуется в физическом смысле, что означает, что фотон - это частица электромагнитного излучения на любой частоте в спектре, от радиоволн до гамма-лучей.

Фотоны - этоквантованныйчастица. Это означает, что они существуют только в дискретных количествах энергии, а не в промежуточных количествах. При рассмотрении более ориентированного на химию описания фотона как энергии, выделяющейся при падении электрона на более низкий энергетический уровень в атоме, это имеет смысл: электроны могут находиться только на определенных орбиталях или энергии уровни. Полушагов нет. Итак, если фотон является результатом «падающего электрона», фотон также должен поступать только с определенными количествами энергии или квантами.

Альберт Эйнштейн ввел понятие световых квантов (фотонов) в статье 1905 года. Одна из четырех статей, опубликованных им в том году, которая произвела революцию в науке, была идея, которая принесла ему Нобелевскую премию.

Как упоминалось ранее, свет относится к любому типу электромагнитного излучения, типы которого различаются по разным частотам (или длинам волн). Эти две меры являются характеристиками волн, поэтому свет должен бытьэлектромагнитная волна.​

Но подождите - в предыдущем разделе статьи свет был представлен какчастица, фотон, а не как волна. Это правильно. Странная природа света заключается в том, что он существует в так называемой дуальности волна-частица:Это одновременно волна и частица.​

Следовательно, и «электромагнитная волна», и «фотон» являются приемлемыми дескрипторами света. Обычно первая фраза используется для описания света, когда ондействуя как волнаи последний термин, когда этодействуя как частица​.

Это становится важным в зависимости от явления, которое исследует физик. В определенных ситуациях и в определенных экспериментах фотоны действуют так, как физики ожидают от частиц, например, при наблюдении фотоэлектрического эффекта. В других ситуациях и экспериментах свет действует больше как волны, например, при модуляции радиостанции.

Все, что ограничено дискретными значениями, а не существует в непрерывном спектре, подвергается квантованию.

Квантование в атоме объясняет, что количество энергии, которое может быть излучено в форме фотона, будет происходить только в кратных величинах постоянной элементарной единицы Планка,час= 6,6262 х 10 ^-34 джоуль-секунды

Эта единица, обнаруженная Максом Планком в конце 1800-х годов, является одной из самых причудливых и важных единиц в физике. Он описывает взаимосвязь между частотой волны-частицы и ее уровнем энергии и, таким образом, устанавливает нижний нижний предел уверенности, с которой мы можем понять структуру материи.

Одно из самых больших ответвлений от знания этого предела, которое также помогло начать странную, но реальную область исследований, известную как квантовой физики, состоит в том, что на мельчайших субатомных уровнях положение частиц можно описать только как вероятность. Другими словами, только положение субатомной частицыили жескорость может быть определена с уверенностью в любой момент времени, ноне оба​.

Определение квантовчасприводят к уравнению для энергии фотона:

где энергияEвыражается в джоулях (Дж), постоянная Планкачасвыражается в джоуль-секундах (Джс), а частотажв герцах (Гц).

Большинство людей, вероятно, думают о частицах как о крошечных единицах материи, размер которых соответствует их массе. Это делает форму частиц света особенно странным зверем, поскольку как единица чистой энергии фотон имеет нулевую массу.

Еще одним важным свойством фотонов является то, что они всегда движутся со скоростью света, ~ 300000000 м / с в вакууме пустого пространства. Свет может двигаться медленнее, чем это - каждый раз, когда он сталкивается с другим веществом, он взаимодействует с ним и замедляется, так что чем плотнее материал, через который проходит свет, тем медленнее он движется. Тем не мение,ничто во вселенной не может двигаться быстрее света. Ни самая быстрая ракета, ни самая ускоренная атомная частица.

• Скорость света ~ 300000000 м / с - это максимальная скорость, на которой может двигаться что-либо. Вот почему его также называют пределом скорости Вселенной.

Таким образом, понимание света имеет решающее значение для понимания фундаментальных границ самой Вселенной, от самых больших до самых маленьких.

Хотя свет всегда движется одним и тем жескоростьв данной среде, как форма электромагнитного излучения, она может иметь разныечастотыили жедлины волн. Частоты и длины волн света как электромагнитных волн изменяются обратно пропорционально друг другу по спектру.

Самая длинноволновая и самая низкая частота - это радиоволны, за которыми следуют микроволновые, инфракрасные и видимые диапазоны. световые, ультрафиолетовые, рентгеновские и высокоэнергетические гамма-лучи, каждый с все более короткими длинами волн и выше частоты.

Физики в 1930-х годах начали понимать, что вся материя Вселенной состоит из нескольких элементарные частицы, известные как элементарные частицы, которые все управляются одним и тем же набором фундаментальные силы. ВСтандартная модельфизики элементарных частиц представляет собой набор уравнений, пытающихся кратко описать, как связаны все эти элементарные частицы и фундаментальные силы. Свет - важнейшая часть этого универсального описания.

Стандартная модель, разрабатываемая с 1970-х годов, до сих пор правильно предсказывала результаты многих, хотя и не всех, экспериментов по квантовой физике. Очевидная проблема, которую еще предстоит решить в модели, - это как включить гравитацию в систему уравнений. Кроме того, он не дает ответов на некоторые крупные космологические вопросы, включая выяснение того, что такое темная материя и куда исчезло все антивещество, созданное в результате Большого взрыва. Тем не менее, она широко признана и считается лучшей теорией для объяснения фундаментальной природы нашего существования на сегодняшний день.

В Стандартной модели вся материя состоит из класса элементарных частиц, называемыхфермионы. Фермионы бывают двух типов:кваркиили желептоны. Каждая из этих категорий далее делится на шесть частиц, связанных парами, известными какпоколения. Первое поколение является наиболее стабильным, во втором и третьем поколениях встречаются более тяжелые и менее стабильные частицы.

Другими компонентами стандартной модели являются силы и частицы-носители, известные какбозоны. Каждая из четырех фундаментальных сил - гравитационная, электромагнитная, сильная и слабая - связана с бозоном, который передает силу при обмене с частицами материи.

Физики элементарных частиц, работающие на ускорителях или наблюдающие за столкновениями частиц высоких энергий из космоса, определили бозоны для последних трех сил.Фотон - это бозон, несущий электромагнитную силу во Вселенной., тоглюонкариес сильная сила иWа такжеZчастицы несут слабую силу. Но теоретический бозон для гравитациигравитон, остается неуловимым.

​Излучение черного тела.Чёрные тела - это гипотетический тип объектов (идеальных не существует в природе), которые поглощают все попадающее на них электромагнитное излучение. По сути, любое электромагнитное излучение, попадающее на черное тело, служит для его нагрева, и излучение, которое оно испускает при охлаждении, поэтому напрямую связано с его температурой. Физики могут использовать это приближение для вывода свойств почти идеальных черных тел во Вселенной, таких как звезды и черные дыры.

Хотя волновая природа света помогает описать частоты излучения черного тела, которое объект будет поглощать и излучать, его Природа частицы как фотона также помогает описать ее математически, поскольку энергии, которые может содержать черное тело, квантованы. Макс Планк был одним из первых, кто исследовал это явление.

​Двухщелевой эксперимент.Центральный принцип квантовой физики, эксперимент с двумя щелями показывает, как свет на барьер с двумя узкими отверстиями приводит к характерному узору из светлых и темных теней, известному каккартина интерференции волн​.

Странно то, что одиночный фотон, показанный через отверстие, все равно будет вести себя так, как если бы он мешал другим фотонам, несмотря на то, что он один и неделим. Это означает, что наблюдаемый в эксперименте световой узор нельзя объяснить, рассматривая свет только как фотон или волну; это нужно учитывать и то, и другое. Этот эксперимент часто цитируется для объяснения того, что имеется в виду под идеей дуальности волна-частица.

​Эффект Комптона.Эффект Комптона - еще один наблюдаемый пример взаимодействия между световой волной и природой частиц. Он описывает, как энергия и импульс сохраняются при столкновении фотона с неподвижным электроном. Комбинирование уравнения количества энергии фотона с уравнениями сохранения импульса показывает, что в результате длину волны выходящего фотона (первоначально неподвижного электрона) можно предсказать по длине волны входящего фотона, который дал это энергия.

​Спектроскопия.Техника спектроскопии позволяет физикам, химикам, астрономам и другим ученым исследовать материальный состав объект, в том числе далекие звезды, просто путем анализа закономерностей, возникающих в результате разделения падающего света от этого объекта с помощью призма. Поскольку различные элементы поглощают и излучают фотоны дискретными квантами, наблюдаемые длины электромагнитных волн распадаются на дискретные сегменты в зависимости от того, какие элементы содержат объекты.

​Эквивалентность массы и энергии.Многие дети могут повторить знаменитое уравнение ЭйнштейнаE = mc². Кратко и мило, истинные последствия этого уравнения глубоки:Массами энергияEэквивалентныи могут быть преобразованы друг в друга со скоростью света в вакууме,c, в квадрате. Это важно означает, что объект, который не движется, все еще имеет энергию; в этом случае егомасса покоясчитается равным егоэнергия отдыха​.

Физики элементарных частиц используют эквивалентность массы и энергии для определения более простых единиц для некоторых своих измерений. Например, квантовые физики ищут массы фермионов или бозонов, ускоряя субатомные частицы, такие как протоны и электроны, до околосветовые скорости в гигантских ускорителях и столкновение их вместе, а затем анализ воздействия "мусора" в высокочувствительных электрических массивы.

Однако вместо того, чтобы указывать массу в килограммах, обычно указывается масса частиц в гига-электрон-вольтах, или ГэВ, единице энергии. Чтобы вернуть это значение к массе в килограммах в системе СИ, они могут использовать это простое соотношение: 1 ГэВ /c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.