Pochopenie duality vlnových častíc elektromagnetického žiarenia (svetla) je základom pre pochopenie kvantovej teórie a iných javov, ako aj podstaty svetla. Jedným z najväčších vedeckých pokrokov v predchádzajúcom storočí bolo zistenie, že veľmi malé objekty nedodržiavajú rovnaké pravidlá ako bežné predmety.
Čo sú elektromagnetické vlny?
Jednoducho povedané, elektromagnetické vlny sú jednoducho známe ako svetlo, aj keď termín svetlo sa niekedy používa na označenie viditeľného svetla (to, ktoré je možné zistiť okom) a inokedy sa všeobecnejšie používa na označenie všetkých foriem elektromagnetického žiarenie.
Pre úplné pochopenie elektromagnetických vĺn je dôležité pochopiť pojem poľa a vzťah medzi elektrinou a magnetizmom. To bude podrobnejšie vysvetlené v nasledujúcej časti, ale v podstate sú to elektromagnetické vlny (svetelné vlny) pozostávajú z vlny elektrického poľa oscilujúceho v rovine kolmej (v pravom uhle) na magnetické pole mávať.
Ak elektromagnetické žiarenie funguje ako vlna, potom bude mať akákoľvek konkrétna elektromagnetická vlna s ňou súvisiacu frekvenciu a vlnovú dĺžku. Frekvencia je počet kmitov za sekundu, meraný v hertzoch (Hz), kde 1 Hz = 1 / s. Vlnová dĺžka je vzdialenosť medzi vrcholmi vĺn. Súčin frekvencie a vlnovej dĺžky dáva vlnovú rýchlosť, ktorá je pre svetlo vo vákuu približne 3 × 10
Na rozdiel od väčšiny vĺn (napríklad zvukových vĺn) elektromagnetické vlny nevyžadujú médium, ktorým by prechádzali šíria sa, a teda môžu prechádzať vákuom prázdneho priestoru, čo robia rýchlosťou svetla - najrýchlejšou rýchlosťou v vesmír!
Polia a elektromagnetizmus
Pole možno považovať za neviditeľné pole vektorov, jeden v každom bode vesmíru indikuje relatívnu veľkosť a smer sily, ktorú by objekt pocítil, keby bol umiestnený v tomto bode. Napríklad gravitačné pole v blízkosti povrchu Zeme by pozostávalo z vektora v každom bode vesmíru smerujúceho priamo k stredu Zeme. V rovnakej nadmorskej výške by všetky tieto vektory mali rovnakú veľkosť.
Ak by mala byť hmota umiestnená v danom bode, potom by gravitačná sila, ktorú cíti, závisela od jej hmotnosti a hodnoty tamojšieho poľa. Elektrické polia a magnetické polia fungujú rovnako, ibaže namiesto ich hmotnosti pôsobia sily závislé od náboja objektu a magnetického momentu.
Elektrické pole vyplýva priamo z existencie nábojov, rovnako ako gravitačné pole priamo z hmotnosti. Zdrojom magnetizmu je však pohybujúci sa náboj (alebo ekvivalentná zmena elektrických polí).
V šesťdesiatych rokoch 19. storočia vyvinul fyzik James Clerk Maxwell súbor štyroch rovníc, ktoré úplne popisovali vzťah medzi elektrinou a magnetizmom. Tieto rovnice v podstate ukázali, ako elektrické polia vytvárajú náboje, ako neexistujú žiadne základné magnetické monopoly zmena magnetického poľa môže generovať elektrické pole a to, ako súčasné alebo meniace sa elektrické polia môžu generovať magnetické pole polia.
Krátko po odvodení týchto rovníc sa našlo riešenie popisujúce samorozširujúce sa elektromagnetické vlnenie. Predpovedalo sa, že táto vlna sa bude pohybovať rýchlosťou svetla, a skutočne sa ukázalo, že je v skutočnosti svetlo!
Elektromagnetické spektrum
Elektromagnetické vlny môžu prichádzať v mnohých rôznych vlnových dĺžkach a frekvenciách, pokiaľ sa súčin vlnovej dĺžky a frekvencie danej vlny rovnác, rýchlosť svetla. Formy elektromagnetického žiarenia zahŕňajú (od dlhších vlnových dĺžok / nízkej energie po kratšie vlnové dĺžky / vysoká energia):
- Rádiové vlny (0,187 m - 600 m)
- Mikrovlny (1 mm - 187 mm)
- Infračervené vlny (750 nm - 1 mm)
- Viditeľné svetlo (400 nm - 750 nm; tieto vlnové dĺžky sú detekovateľné ľudským okom a často sa delia na viditeľné spektrum)
- Ultrafialové svetlo (10 nm - 400 nm)
- Röntgenové lúče (10-12 m - 10 nm)
- Gama lúče (<10-12 m)
Čo sú to fotóny?
Fotóny sú názov pre kvantované svetelné častice alebo elektromagnetické žiarenie. Albert Einstein predstavil pojem kvanty svetla (fotónov) v dokumente zo začiatku 20. storočia.
Fotóny sú nehmotné a nedodržiavajú zákony na zachovanie počtu (to znamená, že môžu byť vytvorené a zničené). Dodržiavajú však úsporu energie.
V skutočnosti sa fotóny považujú za triedu častíc, ktoré sú nosičmi sily. Fotón je sprostredkovateľom elektromagnetickej sily a funguje ako balík energie, ktorý je možné prenášať z jedného miesta na druhé.
Pravdepodobne si myslíte, že je dosť zvláštne náhle hovoriť o elektromagnetických vlnách ako o časticiach, pretože vlny a častice vyzerajú ako dva zásadne odlišné konštrukty. Je to naozaj tak, vďaka čomu je fyzika veľmi malých tak zvláštna. V nasledujúcich niekoľkých častiach sa pojmy kvantizácia a dualita vln častíc podrobnejšie zaoberajú.
Ako sa vyrábajú elektromagnetické vlny alebo fotóny?
Elektromagnetické vlny sú výsledkom oscilácií v elektrických a magnetických poliach. Ak sa náboj pohybuje po vodiči tam a späť, vytvára meniace sa elektrické pole, ktoré zase vytvára meniace sa magnetické pole, ktoré sa potom šíri samo.
Atómy a molekuly, ktoré obsahujú pohybujúci sa náboj vo forme elektrónových mrakov, sú schopné interagovať s elektromagnetickým žiarením zaujímavými spôsobmi. V atóme môžu elektróny existovať iba vo veľmi špecifických kvantovaných energetických stavoch.
Ak chce byť elektrón v stave s nižšou energiou, môže to urobiť tak, že vyžaruje diskrétny balík elektromagnetického žiarenia, aby energiu odniesol. Naopak, aby mohol skočiť do iného energetického stavu, musí ten istý elektrón absorbovať aj veľmi špecifický samostatný balík energie.
Energia spojená s elektromagnetickou vlnou závisí od frekvencie vlny. Atómy ako také môžu absorbovať a emitovať iba veľmi špecifické frekvencie elektromagnetického žiarenia v súlade s ich súvisiacimi kvantovanými úrovňami energie. Tieto energetické balíčky sa nazývajúfotóny.
Čo je kvantizácia?
Kvantovanieoznačuje niečo, čo je obmedzené na diskrétne hodnoty, verzus spojité spektrum. Keď atómy absorbujú alebo emitujú jeden fotón, robia to iba pri veľmi špecifických kvantovaných energetických hodnotách opísaných kvantovou mechanikou. Tento „jediný fotón“ sa dá skutočne považovať za „paket“ s diskrétnymi vlnami.
Množstvo energie môže byť emitované iba v násobkoch základnej jednotky (Planckova konštantah). Rovnica, ktorá spája energiuEfotónu na jeho frekvenciu je:
E = h \ nu
Kdeν(grécke písmeno nu) je frekvencia fotónu a Planckova konštantah = 6.62607015 × 10-34 Js.
Dualita vlnových častíc
Budete počuť, ako ľudia používajú tieto slováfotónaelektromagnetická radiáciazameniteľné, aj keď sa zdá, že sú to rôzne veci. Keď hovoríme o fotónoch, ľudia zvyčajne hovoria o vlastnostiach častíc tohto javu, zatiaľ čo keď hovoria o elektromagnetických vlnách alebo žiarení, hovoria o vlne vlastnosti.
Fotóny alebo elektromagnetické žiarenie vykazujú to, čo sa nazýva dualita vln častíc. V určitých situáciách a pri určitých experimentoch vykazujú fotóny chovanie podobné časticiam. Jedným z príkladov je fotoelektrický jav, keď svetelný lúč dopadajúci na povrch spôsobí uvoľnenie elektrónov. Špecifiká tohto javu možno pochopiť, iba ak sa so svetlom zaobchádza ako s diskrétnymi paketmi, ktoré musia elektróny absorbovať, aby mohli byť emitované.
V iných situáciách a experimentoch pôsobia skôr ako vlny. Hlavným príkladom toho sú interferenčné vzory pozorované v experimentoch s jednou alebo s viacerými štrbinami. V týchto experimentoch svetlo prechádza úzkymi, úzko umiestnenými štrbinami, ktoré fungujú ako viacnásobné vo fáze svetelné zdroje a vo výsledku produkuje interferenčný obrazec zhodný s tým, čo by ste videli v a mávať.
Ešte zvláštnejšie sú fotóny, ktoré nevykazujú túto dualitu. Skutočne sa zdá, že všetky základné častice, dokonca aj elektróny a protóny, sa správajú týmto spôsobom. Čím väčšia je častica, tým kratšia je jej vlnová dĺžka, a tým menej sa táto dualita objaví. Preto si v každodennom živote nič také nevšimnete.