Fotoni (kvantizacija): definicija, lastnosti in dvojnost valovnih delcev

Svetloba je verjetno ena najbolj čudnih tem, s katero se bo srečal študent fizike. Najhitrejša stvar v vesolju je nekako tako delček kot val - in kaže edinstvene lastnosti obeh hkrati. Ampak kajjesvetloba?

Razumevanje kajfotoniso in kajkvantizacijapomeni bistveno za razumevanje narave svetlobe, kvantne fizike in neštetih pojavov.

Fotoni so formalno ime za svetlobne delce. Lahko so vidni ljudem ali ne, saj je tu izrazsvetlobase uporablja v fizikalnem smislu, kar pomeni, da je foton delček elektromagnetnega sevanja pri kateri koli frekvenci v spektru, od radijskih valov do gama žarkov.

Fotoni so akvantiziranodelec. To pomeni, da obstajajo le v ločenih količinah energije in ne v kateri koli količini energije vmes. Ko razmišljamo o bolj kemijsko usmerjenem opisu fotona kot energije, ki se sprosti ob padcu elektrona na nižjo raven energije v atomu je to smiselno: elektroni so lahko le v določenih orbitalah ali energiji ravni. Pol korakov ni. Torej, če je foton rezultat "padajočega elektrona", mora foton imeti tudi le določene količine energije ali kvante.

Albert Einstein je v dokumentu iz leta 1905 predstavil pojem svetlobnih kvantov (fotonov). Eden od štirih prispevkov, ki jih je tisto leto objavil, ki so revolucionirali znanost, je bila to ideja, ki mu je prinesla Nobelovo nagrado.

Kot smo že omenili, se svetloba nanaša na katero koli vrsto elektromagnetnega sevanja, katere vrste odlikujejo različne frekvence (ali valovne dolžine). Ta dva ukrepa, ki sta značilnosti valov, izhaja, da mora biti svetlobaelektromagnetno valovanje.​

Toda počakajte - v prejšnjem oddelku članka je bila luč uvedena kotdelec, foton, ne kot val. To je pravilno. Čudna narava svetlobe je obstajati v tako imenovani dualnosti valovnih delcev:Je hkrati val in delec.​

Zato sta "elektromagnetno valovanje" in "foton" sprejemljiva deskriptorja svetlobe. Običajno se prvi stavek uporablja za opis svetlobe, kadar jeki deluje kot valin zadnji izraz, ko jeki deluje kot delec​.

To postane pomembno glede na pojave, ki jih preiskuje fizik. V določenih situacijah in v nekaterih poskusih fotoni delujejo tako, kot da fiziki pričakujejo, da bodo delci delovali, na primer pri opazovanju fotoelektričnega učinka. V drugih situacijah in poskusih deluje svetloba bolj kot valovi, na primer pri modulaciji radijske postaje.

Vse, kar je omejeno na diskretne vrednosti in ne obstaja na neprekinjenem spektru, je v kvantizaciji.

Kvantizacija v atomu pojasnjuje, da se bo količina energije, ki se lahko odda v obliki fotona, pojavila le v večkratnikih Planckove konstante osnovne enote,h= 6,6262 x 10 ^-34 džul-sekund

Ta enota, ki jo je v poznih 1800-ih odkril Max Planck, je ena najbolj bizarnih in najpomembnejših enot v fiziki. Opisuje razmerje med frekvenco valovnega delca in njegovo energijsko ravnjo ter tako postavlja spodnjo spodnjo mejo gotovosti, s katero lahko razumemo zgradbo snovi.

Ena največjih posledic poznavanja te meje, ki je prav tako pomagala začeti čudno, a resnično študijsko področje, znano kot kvantne fizike, je, da je na najmanjših podatomskih nivojih položaj delcev opisljiv le kot a verjetnost. Povedano drugače, le položaj subatomskih delcevalihitrost lahko kadar koli zagotovo poznamo, vendarne oboje​.

Opredelitev kvanthvodijo do enačbe za energijo fotona:

kjer energijaEje v džulih (J), Planckova konstantahje v džulih-sekundah (Js) in frekvencifje v hercih (Hz).

Večina ljudi verjetno misli na delce kot na drobne enote snovi, ki so velike glede na njihovo maso. Zaradi tega je oblika delcev svetlobe še posebej čudna zver, saj ima foton kot enoto čiste energije nič maso.

Druga pomembna lastnost fotonov je, da vedno potujejo s svetlobno hitrostjo ~ 300.000.000 m / s v vakuumu praznega prostora. Svetloba lahko potuje počasneje od tega - kadar koli naleti na drugo snov, z njo sodeluje in se upočasni, tako da je gostota materiala, skozi katerega potuje svetloba, počasnejša. Vendarnič v vesolju ne more potovati hitreje kot svetloba. Niti najhitrejša raketa niti najbolj pospešeni atomski delci.

• Hitrost svetlobe, približno 300.000.000 m / s, je najhitrejša, kar koli lahko potuje. Zato se imenuje tudi omejitev hitrosti vesolja.

Na ta način je razumevanje svetlobe ključnega pomena za razumevanje temeljnih meja samega vesolja, od njegovih največjih do zelo majhnih.

Čeprav svetloba vedno potuje istočasnohitrostv določenem mediju ima lahko obliko elektromagnetnega sevanja različnefrekvencealivalovne dolžine. Frekvence in valovne dolžine svetlobe se med elektromagnetnimi valovi spreminjajo obratno med seboj po spektru.

Na najdaljši valovni dolžini in koncu najnižje frekvence so radijski valovi, po katerih prihajajo mikrovalovni, infrardeči, vidni svetlobni, ultravijolični, rentgenski in visokoenergijski gama žarki, vsak s postopoma krajšimi valovnimi dolžinami in več frekvence.

Fiziki so se v tridesetih letih začeli učiti, da je vsa snov v vesolju sestavljena iz nekaj temeljni delci, znani kot osnovni delci, ki jih ureja isti nabor temeljne sile. TheStandardni modelfizike delcev je niz enačb, ki poskušajo na kratko opisati, kako so povezani vsi ti osnovni delci in temeljne sile. Svetloba je kritičen del tega univerzalnega opisa.

V razvoju od sedemdesetih let prejšnjega stoletja je standardni model doslej pravilno napovedal rezultate mnogih, čeprav ne vseh, eksperimentov kvantne fizike. Vpadljiv problem, ki ga je treba v modelu še rešiti, je, kako gravitacijo vključiti v niz enačb. Poleg tega ne more odgovoriti na nekatera velika kozmološka vprašanja, vključno z ugotavljanjem, kaj je temna snov, ali kam je izginila vsa antimaterija, ustvarjena v Velikem poku. Kljub temu je splošno sprejeta in velja za najboljšo teorijo za razlago temeljne narave našega obstoja do danes.

V standardnem modelu je vsa snov sestavljena iz razreda osnovnih delcev, imenovanihfermioni. Fermioni so na voljo v dveh vrstah:kvarkialileptoni. Vsaka od teh kategorij je nadalje razdeljena na šest delcev, povezanih v parih, znanih kotgeneracije. Prva generacija je najbolj stabilna, v drugi in tretji generaciji najdemo težje in manj stabilne delce.

Drugi sestavni deli standardnega modela so sile in nosilni delci, znani kotbozoni. Vsaka od štirih temeljnih sil - gravitacijske, elektromagnetne, močne in šibke - je povezana z bozonom, ki prenaša silo v izmenjavi z delci snovi.

Fiziki delcev, ki delajo na pospeševalnikih ali opazujejo trke visokoenergijskih delcev iz vesolja, so identificirali bozone za zadnje tri sile.Foton je bozon, ki nosi elektromagnetno silo v vesolju,gluonkaries močna sila inWinZdelci nosijo šibko silo. Toda teoretični bozon za gravitacijo,graviton, ostaja nedosegljiv.

​Sevanje črnih teles.Črna telesa so hipotetični tip predmeta (popolni v naravi ne obstajajo), ki absorbirajo vse elektromagnetno sevanje, ki jih zadene. V bistvu je vsako elektromagnetno sevanje, ki prizadene črno telo, služi za ogrevanje in sevanje, ki ga oddaja med hlajenjem, je torej neposredno povezano z njegovo temperaturo. Fiziki lahko s tem približkom ugotovijo lastnosti skoraj popolnih črnih teles v vesolju, kot so zvezde in črne luknje.

Medtem ko valovna narava svetlobe pomaga opisovati frekvence sevanja črnih teles, ki jih bo objekt absorbiral in oddajal, je to Narava delcev kot foton pomaga tudi pri matematičnem opisu, saj so energije, ki jih lahko vsebuje črno telo, kvantizirane. Max Planck je bil med prvimi, ki je raziskal ta pojav.

​Poskus z dvojno režo.Osrednje načelo kvantne fizike, eksperiment z dvojnimi režami kaže, kako sijanje svetlobe na pregradi z dvema ozkima odprtinama povzroči značilen vzorec svetlobe in temnih senc, znan kotvzorec valovnih motenj​.

Čuden del tega je, da se bo en sam foton, prikazan skozi odprtino, kljub temu, da je sam in nedeljiv, obnašal, kot da moti druge fotone. To pomeni, da svetlobnega vzorca, ki ga opazimo v poskusu, ni mogoče razložiti z obravnavanjem svetlobe kot le fotona ali vala; upoštevati je treba oboje. Ta eksperiment je pogosto naveden pri razlagi, kaj je mišljena z idejo dvojnosti valovnih delcev.

​Comptonov učinek.Comptonov učinek je še en opazen primer medsebojnega delovanja svetlobnega valovanja in narave delcev. Opisuje, kako se ohranjata tako energija kot zagon, ko foton trči z mirujočim elektronom. Kombinacija enačbe za količino energije fotona z enačbami za ohranjanje giba kaže, da je rezultat valovno dolžino odhajajočega fotona (prvotno še vedno elektrona) lahko napovemo z valovno dolžino dohodnega fotona, ki je dal to je energija.

​Spektroskopija.Tehnika spektroskopije omogoča fizikom, kemikom, astronomom in drugim znanstvenikom, da raziščejo sestavo materiala predmeta, vključno z oddaljenimi zvezdami, preprosto z analizo vzorcev, ki so posledica deljenja dohodne svetlobe s tega predmeta z a prizma. Ker različni elementi v diskretnih kvantih absorbirajo in oddajajo fotone, opažene elektromagnetne valovne dolžine spadajo v diskretne segmente, odvisno od tega, katere elemente vsebujejo predmeti.

​Masno-energijska enakovrednost.Veliko otrok zna recitirati Einsteinovo slavno enačboE = mc². Kratke in sladke resnične posledice te enačbe so globoke:Mašamin energijeEso enakovredniin jih je mogoče pretvoriti med seboj s svetlobno hitrostjo v vakuumu,c, na kvadrat. To pomembno pomeni, da ima predmet, ki se ne premika, še vedno energije; v tem primeru njegovmasa za počiteknaj bi bila enaka njenipočivalna energija​.

Fiziki delcev z enakovrednostjo mase in energije določajo enostavnejše enote za nekatere svoje meritve. Na primer, kvantni fiziki iščejo mase fermionov ali bozonov s pospeševanjem subatomskih delcev, kot so protoni in elektroni, do hitrosti skoraj svetlobe v velikanskih pospeševalcih in jih zdrobijo ter nato analizirajo učinke "drobirja" v zelo občutljivih električnih nizi.

Namesto da bi dali maso v kilogramih, je običajni način poročanja o masi delcev v giga-elektronskih voltih ali GeV, enoti energije. Za vrnitev te vrednosti na maso v enoti SI kilogramov lahko uporabijo to preprosto razmerje: 1 GeV /c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.