Fotóny (kvantizácia): definícia, vlastnosti a dualita vlnových častíc

Svetlo je pravdepodobne jednou z najpodivnejších tém, s ktorými sa študent fyziky stretne. Najrýchlejšou vecou vo vesmíre je nejaká častica aj vlna - a súčasne vykazuje ich jedinečné vlastnosti. Ale čojesvetlo?

Pochopenie čohofotónysú a čokvantovanieprostriedky sú základom pre pochopenie podstaty svetla, kvantovej fyziky a nespočetných príbuzných javov.

Fotóny sú formálnym názvom pre ľahké častice. Môžu byť viditeľné pre ľudí, alebo nie, pretože tu termínsvetlosa používa v zmysle fyziky, čo znamená, že fotón je častica elektromagnetického žiarenia na akejkoľvek frekvencii v spektre, od rádiových vĺn po lúče gama.

Fotóny sú avyčíslenýčastica. To znamená, že existujú iba v diskrétnych množstvách energie a nie v akomkoľvek množstve energie medzi nimi. Pri zvažovaní chemickejšie zameraného popisu fotónu ako energie uvoľnenej pri páde elektrónu na nižšiu hladinu energie v atóme to dáva zmysel: Elektróny môžu byť iba na konkrétnych orbitáloch alebo v energii úrovniach. Nie sú tu žiadne polkroky. Takže ak je fotón výsledkom „padajúceho elektrónu“, fotón musí tiež pochádzať iba v špecifických množstvách energie alebo v kvantách.

Albert Einstein zaviedol v článku z roku 1905 pojem svetelné kvantá (fotóny). Jedným zo štyroch článkov, ktoré v tom roku publikoval a priniesol revolúciu vo vede, bola táto myšlienka, ktorá mu priniesla Nobelovu cenu.

Ako už bolo spomenuté skôr, svetlo sa vzťahuje na akýkoľvek typ elektromagnetického žiarenia, ktorého typy sa vyznačujú rozdielnymi frekvenciami (alebo vlnovými dĺžkami). Z týchto dvoch opatrení, ktoré sú charakteristikami vĺn, vyplýva, že svetlo musí byťelektromagnetická vlna.​

Ale počkajte - v predchádzajúcej časti článku bolo svetlo predstavené ako ačastica, fotón, nie ako vlna. Toto je správne. Divná podstata svetla má existovať v tom, čo sa nazýva dualita vlnových častíc:Je to vlna aj častica.​

Preto sú „elektromagnetická vlna“ aj „fotón“ prijateľnými deskriptormi svetla. Prvá fráza sa zvyčajne používa na označenie svetla, ak jepôsobiace ako vlnaa posledný termín, ak jepôsobiaci ako častica​.

To sa stáva dôležitým v závislosti od javov, ktoré fyzik skúma. V určitých situáciách a pri určitých experimentoch fotóny pôsobia ako fyzici, ktorí očakávajú, že budú častice pôsobiť, napríklad pri pozorovaní fotoelektrického javu. V iných situáciách a experimentoch pôsobí svetlo skôr ako vlny, napríklad pri modulácii rozhlasovej stanice.

Všetko, čo je obmedzené na diskrétne hodnoty, a nie na kontinuálne spektrum, prechádza kvantizáciou.

Kvantovanie v atóme vysvetľuje, že množstvo energie, ktoré môže byť emitované vo forme fotónu, sa vyskytne iba v násobkoch Planckovej konštanty základnej jednotky,h= 6,6262 x 10 ^-34 joule-sekundy

Táto jednotka, ktorú objavil Max Planck na konci 18. storočia, je jednou z najbizarnejších a najdôležitejších jednotiek vo fyzike. Opisuje vzťah medzi frekvenciou vlnových častíc a jej energetickou úrovňou, a tým stanovuje spodnú dolnú hranicu istoty, s ktorou môžeme pochopiť štruktúru hmoty.

Jeden z najväčších dôsledkov poznania tohto limitu, ktorý tiež pomohol začať nepárny, ale skutočný študijný odbor známy ako kvantová fyzika, je to, že na najmenších subatómových úrovniach je poloha častíc opísateľná iba ako a pravdepodobnosť. Inými slovami, iba poloha subatómovej časticealeborýchlosť možno s určitosťou kedykoľvek zistiť, alenie oboje​.

Definovanie kvantityhviesť k rovnici pre energiu fotónu:

kde energiaEje v jouloch (J), Planckova konštantahje v joule-sekundách (Js) a frekvenciafje v hertzoch (Hz).

Väčšina ľudí si pravdepodobne myslí, že častice sú malé jednotky hmoty, ktorých veľkosť je daná ich hmotnosťou. Toto robí z časticovej formy svetla mimoriadne zvláštne zviera, pretože ako jednotka čistej energie má fotón nulovú hmotnosť.

Ďalšou dôležitou vlastnosťou fotónov je, že sa vždy pohybujú rýchlosťou svetla ~ 300 000 000 m / s vo vákuu prázdneho priestoru. Svetlo môže cestovať pomalšie - kedykoľvek sa stretne s inou záležitosťou, interaguje s ním a spomalí sa, takže čím hustejší je materiál, ktorým svetlo cestuje, tým pomalšie to ide. Avšaknič vo vesmíre nemôže cestovať rýchlejšie ako svetlo. Nie najrýchlejšia raketa ani najrýchlejšia atómová častica.

• Rýchlosť svetla, ~ 300 000 000 m / s, je najrýchlejšia, ako môže všetko cestovať. Preto sa tiež označuje ako rýchlostný limit vesmíru.

Týmto spôsobom je pochopenie svetla rozhodujúce pre pochopenie základných limitov samotného vesmíru, od jeho najväčšieho po najmenší.

Aj keď svetlo cestuje vždy rovnakorýchlosťv danom médiu môže mať ako forma elektromagnetického žiarenia rôznefrekvenciealebovlnové dĺžky. Frekvencie a vlnové dĺžky svetla ako elektromagnetické vlny sa navzájom menia inverzne pozdĺž spektra.

Na najdlhšej vlnovej dĺžke a konci s najnižšou frekvenciou sú rádiové vlny, po ktorých prídu mikrovlnné, infračervené a viditeľné lúče svetelné, ultrafialové, röntgenové a vysokoenergetické gama lúče, každé s postupne nižšími vlnovými dĺžkami a vyššími frekvencie.

Fyzici v 30. rokoch sa začali dozvedať, že všetka hmota vo vesmíre sa skladá z niekoľkých základné častice známe ako elementárne častice, ktoré sú riadené rovnakou skupinou základné sily. TheŠtandardný modelčasticovej fyziky je súbor rovníc, ktoré sa snažia stručne opísať, ako všetky tieto základné častice a základné sily súvisia. Svetlo je kritickou súčasťou tohto univerzálneho popisu.

Vo vývoji od 70. rokov 20. storočia štandardný model doteraz správne predpovedal výsledky mnohých, aj keď nie všetkých, experimentov kvantovej fyziky. Zjavným problémom, ktorý sa v modeli ešte musí vyriešiť, je spôsob začlenenia gravitácie do množiny rovníc. Ďalej neposkytuje odpovede na niektoré veľké kozmologické otázky, vrátane zisťovania, čo je temná hmota alebo kam zmizla všetka antihmota vytvorená vo Veľkom tresku. Napriek tomu je všeobecne prijímaný a považuje sa za najlepšiu teóriu na vysvetlenie základnej podstaty našej doterajšej existencie.

V štandardnom modeli je všetka hmota tvorená triedou elementárnych častíc nazývanýchfermióny. Fermiony sa vyskytujú v dvoch typoch:kvarkyaleboleptóny. Každá z týchto kategórií je ďalej rozdelená na šesť častíc, ktoré súvisia v pároch známych akogenerácií. Prvá generácia je najstabilnejšia, s ťažšími a menej stabilnými časticami sa nachádzajú v druhej a tretej generácii.

Ďalšími súčasťami štandardného modelu sú sily a nosné častice, známe akobozóny. Každá zo štyroch základných síl - gravitačná, elektromagnetická, silná a slabá - je spojená s bozónom, ktorý prenáša silu pri výmene s časticami hmoty.

Fyzici častíc, ktorí pracujú na urýchľovačoch alebo sledujú zrážky častíc s vysokou energiou z vesmíru, identifikovali bozóny pre posledné tri sily.Fotón je bozón, ktorý prenáša elektromagnetickú silu vo vesmíre,gluónkazi silnu silu aŽaZčastice nesú slabú silu. Ale teoretický bozón pre gravitáciu,graviton, zostáva nepolapiteľný.

​Žiarenie čierneho tela.Čierne telá sú hypotetickým typom objektov (dokonalé v prírode neexistujú), ktoré absorbujú všetko elektromagnetické žiarenie, ktoré na ne dopadá. V podstate každé elektromagnetické žiarenie dopadajúce na čierne telo slúži na jeho zohriatie a žiarenie, ktoré vydáva počas chladenia, preto priamo súvisí s jeho teplotou. Fyzici môžu pomocou tejto aproximácie odvodiť vlastnosti takmer dokonalých čiernych telies vo vesmíre, ako sú hviezdy a čierne diery.

Zatiaľ čo vlnová povaha svetla pomáha popisovať frekvencie žiarenia čierneho tela, ktoré bude objekt absorbovať a vyžarovať, je to jeho časticová príroda ako fotón ju tiež pomáha matematicky opísať, pretože energie, ktoré môže čierne telo obsahovať, sú kvantované. Max Planck bol medzi prvými, ktorí skúmali tieto javy.

​Pokus s dvojitým štrbinou.Experiment s dvojitým štrbinou, ústredným princípom kvantovej fyziky, ukazuje, ako svietenie svetla na bariéru s dvoma úzkymi otvormi vedie k výraznému vzoru svetlých a tmavých tieňov známych akovzor interferencie vĺn​.

Podivné na tom je, že jediný fotón zobrazený cez otvor sa bude aj napriek tomu, že je sám a nedeliteľný, správať, akoby interferoval s inými fotónmi. To znamená, že svetelný obrazec pozorovaný v experimente nemožno vysvetliť tak, že sa so svetlom zaobchádza iba ako s fotónom alebo vlnou; treba to brať do úvahy oboje. Tento experiment sa často uvádza pri vysvetľovaní toho, čo sa myslí pod pojmom dualita vlnových častíc.

​Comptonov efekt.Comptonov efekt je ďalším pozorovateľným príkladom súhry medzi vlnami svetla a povahou častíc. Opisuje, ako sa šetrí energia aj hybnosť pri zrážke fotónu so stacionárnym elektrónom. Kombinácia rovnice pre množstvo energie fotónu s rovnicami na zachovanie hybnosti ukazuje, že výsledná vlnovú dĺžku odchádzajúceho fotónu (pôvodne nehybný elektrón) možno predpovedať podľa vlnovej dĺžky prichádzajúceho fotónu, ktorá poskytla to energia.

​Spektroskopia.Technika spektroskopie umožňuje fyzikom, chemikom, astronómom a iným vedcom skúmať materiálové zloženie látky objekt, vrátane vzdialených hviezd, jednoduchou analýzou vzorov, ktoré sú výsledkom rozdelenia prichádzajúceho svetla z tohto objektu pomocou a hranol. Pretože rôzne prvky absorbujú a emitujú fotóny v diskrétnych kvantách, pozorované elektromagnetické vlnové dĺžky spadajú do diskrétnych segmentov v závislosti od toho, aké prvky objekty obsahujú.

​Ekvivalencia masovej energie.Veľa detí dokáže recitovať slávnu Einsteinovu rovnicuE = mc². Krátke a milé, skutočné dôsledky tejto rovnice sú hlboké:Omšuma energieEsú rovnocennéa je možné ich navzájom prevádzať pomocou rýchlosti svetla vo vákuu,c, na druhú. To dôležito naznačuje, že objekt, ktorý sa nepohybuje, má stále energiu; v tomto prípade jehooddychová hmotasa rovná jehozvyšková energia​.

Fyzici častíc používajú ekvivalenciu hmoty a energie na stanovenie jednoduchších jednotiek pre niektoré zo svojich meraní. Napríklad kvantoví fyzici hľadajú masy fermiónov alebo bozónov urýchlením subatomárnych častíc, ako sú protóny a elektróny, na rýchlosti blízkeho svetla v obrovských urýchľovačoch a ich rozbíjanie dohromady a potom analýza účinkov „trosiek“ vo vysoko citlivých elektrických zariadeniach polia.

Namiesto udávania hmotnosti v kilogramoch je však bežný spôsob hlásenia hmotnosti častíc v giga-elektrónvoltoch alebo GeV, jednotke energie. Na vrátenie tejto hodnoty hmotnosti v jednotke SI kilogramov môžu použiť tento jednoduchý vzťah: 1 GeV /c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.