Svetloba (fizika): kaj je to in kako deluje?

Razumevanje dvojnosti delcev in valov elektromagnetnega sevanja (svetlobe) je bistvenega pomena za razumevanje kvantne teorije in drugih pojavov ter narave svetlobe. Eno največjih znanstvenih dosežkov v prejšnjem stoletju je bilo odkritje, da zelo majhni predmeti niso spoštovali enakih pravil kot vsakdanji predmeti.

Preprosto povedano, elektromagnetni valovi so preprosto znani kot svetloba, čeprav se izraz svetloba včasih uporablja za določanje vidne svetlobe (tisto, ki ga lahko zazna oko), drugi čas pa se uporablja bolj splošno za označevanje vseh oblik elektromagnetnega polja sevanje.

Za popolno razumevanje elektromagnetnih valov je pomembno razumeti pojem polja in razmerje med elektriko in magnetizmom. To bo podrobneje razloženo v naslednjem poglavju, v bistvu pa elektromagnetni valovi (svetlobni valovi) je sestavljen iz vala električnega polja, ki niha v ravnini pravokotno (pod pravim kotom) na magnetno polje val.

Če elektromagnetno sevanje deluje kot val, bo s katerim koli elektromagnetnim valom povezana frekvenca in valovna dolžina. Frekvenca je število nihanj na sekundo, merjeno v hercih (Hz), kjer je 1 Hz = 1 / s. Valovna dolžina je razdalja med grebeni valov. Zmnožek frekvence in valovne dolžine daje valovno hitrost, ki je za svetlobo v vakuumu približno 3 × 10

Za razliko od večine valov (kot so na primer zvočni valovi), elektromagnetni valovi ne potrebujejo medija, skozi katerega bi lahko širijo in tako lahko prečkajo vakuum praznega prostora, kar počnejo s svetlobno hitrostjo - najhitrejša hitrost v vesolje!

Polje si lahko predstavljamo kot nevidno vrsto vektorjev, po enega na vsaki točki v vesolju, ki kaže relativno velikost in smer sile, ki bi jo objekt čutil, če bi bil postavljen na to točko. Na primer, gravitacijsko polje blizu površine zemlje bi sestavljalo vektor na vsaki točki v vesolju, ki bi bil usmerjen neposredno proti središču zemlje. Na isti višini bi imeli vsi ti vektorji enako velikost.

Če bi maso postavili na določeno točko, bi bila gravitacijska sila odvisna od njene mase in vrednosti tamkajšnjega polja. Električna in magnetna polja delujejo na enak način, le da namesto njegove mase uporabljajo sile, ki so odvisne od naboja predmeta oziroma magnetnega momenta.

Električno polje je neposredno posledica obstoja nabojev, tako kot gravitacijsko polje neposredno iz mase. Vir magnetizma pa je iz gibljivega naboja (ali enakovredno spreminjanju električnih polj).

V šestdesetih letih je fizik James Clerk Maxwell razvil sklop štirih enačb, ki so v celoti opisale razmerje med elektriko in magnetizmom. Te enačbe so v bistvu pokazale, kako električna polja ustvarjajo naboji, kako ne obstajajo temeljni magnetni monopoli in kako spreminjanje magnetnih polj lahko ustvari električno polje in kako lahko trenutno ali spreminjajoča se električna polja ustvarijo magnetno polje polja.

Kmalu po izpeljavi teh enačb je bila najdena rešitev, ki opisuje samorazmnoževalni elektromagnetni val. Predvidevalo se je, da se bo ta val premikal s svetlobno hitrostjo in se je v resnici izkazal za svetlobo!

Elektromagnetni valovi imajo lahko različne valovne dolžine in frekvence, če je zmnožek valovne dolžine in frekvence danega vala enakc, hitrost svetlobe. Oblike elektromagnetnega sevanja vključujejo (od daljših valovnih dolžin / nizke energije do krajših valovnih dolžin / visoke energije):

• Radijski valovi (0,187 m - 600 m)
• Mikrovalovi (1 mm - 187 mm)
• Infrardeči valovi (750 nm - 1 mm)
• Vidna svetloba (400 nm - 750 nm; te valovne dolžine zazna človeško oko in jih pogosto razdeli na vidni spekter)
• Ultravijolična svetloba (10 nm - 400 nm)
• X-žarki (10^-12 m - 10 nm)
• Gama žarki (<10^-12 m)

Fotoni so ime za kvantizirane svetlobne delce ali elektromagnetno sevanje. Albert Einstein je pojem svetlobnih kvantov (fotonov) predstavil v prispevku z začetka 20. stoletja.

Fotoni so brez mase in ne upoštevajo zakonov o ohranjanju števil (kar pomeni, da jih je mogoče ustvariti in uničiti). Kljub temu pa se držijo varčevanja z energijo.

Pravzaprav velja, da so fotoni v razredu delcev, ki so nosilci sile. Foton je posrednik elektromagnetne sile in deluje kot paket energije, ki ga lahko prenesemo z enega kraja na drugega.

Verjetno mislite, da je nenavadno nenadoma govoriti o elektromagnetnih valovih kot delcih, saj se zdi, da so valovi in ​​delci dva bistveno različna konstrukta. Pravzaprav so prav zaradi tega fizika zelo majhnih tako čudna. V naslednjih nekaj poglavjih so pojmi kvantizacije in dualnosti delcev in valov podrobneje obravnavani.

Elektromagnetna valovanja so posledica nihanja v električnem in magnetnem polju. Če se naboj premika naprej in nazaj vzdolž žice, ustvari spreminjajoče se električno polje, ki nato spremeni spreminjajoče se magnetno polje, ki se nato samoširi.

Atomi in molekule, ki vsebujejo premikajoč se naboj v obliki elektronskih oblakov, so sposobni interakcije z elektromagnetnim sevanjem na zanimive načine. V atomu lahko elektroni obstajajo le v zelo specifičnih kvantiziranih energijskih stanjih.

Če želi elektron biti v nižjem energijskem stanju, lahko to stori z oddajanjem diskretnega paketa elektromagnetnega sevanja, da odvede energijo. Nasprotno pa mora isti elektron, da skoči v drugo energijsko stanje, absorbirati tudi zelo specifičen diskretni paket energije.

Energija, povezana z elektromagnetnim valom, je odvisna od frekvence vala. Atomi lahko kot taki absorbirajo in oddajajo le zelo specifične frekvence elektromagnetnega sevanja v skladu s pripadajočimi kvantiziranimi ravnmi energije. Ti energetski paketi se imenujejofotoni​.

​Kvantizacijase nanaša na nekaj, kar je omejeno na diskretne vrednosti, verzi neprekinjen spekter. Ko atomi absorbirajo ali oddajajo en sam foton, to storijo le pri zelo specifičnih kvantiziranih vrednostih energije, ki jih opisuje kvantna mehanika. Ta "enojni foton" lahko resnično razumemo kot "paket" diskretnega vala.

Količino energije lahko oddaja le večkratnik osnovne enote (Planckova konstantah). Enačba, ki povezuje energijoEfotona na njegovo frekvenco je:

Kjeν(grška črka nu) je frekvenca fotona in Planckova konstantah​ = 6.62607015 × 10^-34 Js.

Slišali boste, kako ljudje uporabljajo besedefotoninelektromagnetno sevanjezamenljivo, čeprav se zdi, da gre za različne stvari. Ko govorimo o fotonih, ljudje običajno govorijo o lastnostih delcev tega pojava, ker ko govorijo o elektromagnetnih valovih ali sevanju, govorijo valovito lastnosti.

Fotoni ali elektromagnetno sevanje kažejo tako imenovano dvojnost delcev in valov. V določenih situacijah in v nekaterih poskusih imajo fotoni vedenje, podobno delcem. En primer tega je v fotoelektričnem učinku, kjer svetlobni žarek, ki zadene površino, povzroči sproščanje elektronov. Posebnosti tega učinka je mogoče razumeti le, če se svetloba obravnava kot diskretni zavojčki, ki jih morajo elektroni absorbirati, da bodo oddani.

V drugih situacijah in poskusih delujejo bolj kot valovi. Glavni primer tega so interferenčni vzorci, opaženi v poskusih z eno ali več režami. V teh poskusih svetloba potuje skozi ozke, tesno razporejene reže, ki delujejo kot več faz virov svetlobe in posledično ustvari moteni vzorec, skladen s tistim, kar bi videli v a val.

Še bolj čudno je, da fotoni niso edina stvar, ki kaže to dvojnost. Zdi se, da se vsi temeljni delci, celo elektroni in protoni, obnašajo tako. Večji kot je delec, krajša je njegova valovna dolžina in manj bo videti te dvojnosti. Zato v vsakdanjem življenju ne opazite česa takega.