Разумевање дуалности честица-талас електромагнетног зрачења (светлости) је од суштинског значаја за разумевање квантне теорије и других појава, као и природе светлости. Једно од највећих научних достигнућа у претходном веку било је откриће да врло мали предмети нису поштовани иста правила као и свакодневни предмети.
Шта су електромагнетни таласи?
Једноставно речено, електромагнетни таласи су једноставно познати као светлост, мада се термин светлост понекад користи за одређивање видљиве светлости (оно што око може открити), а други пут се користи општије за означавање свих облика електромагнетног зрачења зрачења.
Да бисмо у потпуности разумели електромагнетне таласе, важно је разумети појам поља и однос између електричне енергије и магнетизма. Ово ће бити детаљније објашњено у следећем одељку, али у суштини, електромагнетни таласи (светлосни таласи) састоје се од таласа електричног поља који осцилира у равни окомитој (под правим углом) на магнетно поље талас.
Ако електромагнетно зрачење делује као талас, тада ће било који електромагнетни талас имати фреквенцију и таласну дужину повезану са њим. Фреквенција је број осцилација у секунди, мерено у херцима (Хз) где је 1 Хз = 1 / с. Таласна дужина је растојање између гребена таласа. Умножак фреквенције и таласне дужине даје таласну брзину која је за светлост у вакууму приближно 3 × 10
8 Госпођа.За разлику од већине таласа (као што су звучни таласи, на пример), електромагнетним таласима није потребан медијум кроз који ће проћи шире се и тако могу прећи вакуум празног простора, што чине брзином светлости - најбржом брзином у универзум!
Поља и електромагнетизам
Поље се може сматрати невидљивим низом вектора, по један у свакој тачки у простору који указује на релативну величину и смер силе коју би осећао објекат да је смештен у ту тачку. На пример, гравитационо поље у близини површине земље састојало би се од вектора у свакој тачки у свемиру који показује директно према центру земље. На истој надморској висини, сви ови вектори би имали исту величину.
Ако би се маса поставила у одређену тачку, тада би гравитациона сила коју она осећа зависила од њене масе и вредности тамошњег поља. Електрична и магнетна поља раде на исти начин, осим што примењују силе које зависе од наелектрисања и магнетног момента објекта, уместо од његове масе.
Електрично поље настаје директно из постојања наелектрисања, као што гравитационо поље произлази директно из масе. Извор магнетизма, међутим, потиче из покретног наелектрисања (или, на сличан начин, промене електричних поља).
1860-их физичар Јамес Цлерк Маквелл развио је сет од четири једначине које су у потпуности описале однос између електричне енергије и магнетизма. Ове једначине су у основи показале како електрична поља генеришу наелектрисања, како не постоје основни магнетни монополи, како променљива магнетна поља могу генерисати електрично поље и како струја или променљива електрична поља могу генерирати магнетно поље поља.
Убрзо након извођења ових једначина, пронађено је решење које описује самопростирајући електромагнетни талас. Предвиђало се да ће се овај талас кретати брзином светлости и заиста се показало да је светлост!
Електромагнетни спектар
Електромагнетни таласи могу бити у различитим таласним дужинама и фреквенцијама, све док је умножак таласне дужине и фреквенције датог таласа једнакц, брзина светлости. Облици електромагнетног зрачења укључују (од дужих таласних дужина / ниске енергије до краћих таласних дужина / високе енергије):
- Радио таласи (0,187 м - 600 м)
- Микроталасне пећнице (1 мм - 187 мм)
- Инфрацрвени таласи (750 нм - 1 мм)
- Видљиво светло (400 нм - 750 нм; ове таласне дужине открива људско око и често се поделе на видљиви спектар)
- Ултраљубичасто светло (10 нм - 400 нм)
- Рендген (10-12 м - 10 нм)
- Гама зраци (<10-12 м)
Шта су фотони?
Фотони су назив за квантизоване честице светлости или електромагнетно зрачење. Алберт Ајнштајн је представио појам светлосних кванта (фотона) у раду почетком 20. века.
Фотони су без масе и не придржавају се закона о очувању броја (што значи да могу бити створени и уништени). Они се, међутим, покоравају очувању енергије.
Заправо се сматра да су фотони у класи честица које су носачи силе. Фотон је посредник електромагнетне силе и делује као пакет енергије који се може пренети са једног места на друго.
Вероватно мислите да је прилично чудно одједном говорити о електромагнетним таласима као о честицама, јер се таласи и честице чине као две фундаментално различите конструкције. Заиста, управо такве ствари чине физику врло малог тако чудном. У следећих неколико одељака појмови квантизације и дуалности таласа честица детаљније се разматрају.
Како се производе електромагнетни таласи или фотони?
Електромагнетни таласи су резултат осцилација у електричним и магнетним пољима. Ако се наелектрисање креће напред-назад дуж жице, ствара се променљиво електрично поље, које заузврат ствара променљиво магнетно поље, које се затим самопростире.
Атоми и молекули, који садрже покретни набој у облику електронских облака, способни су на занимљиве начине да комуницирају са електромагнетним зрачењем. У атому је дозвољено да електрони постоје само у врло специфичним квантизованим енергетским стањима.
Ако електрон жели да буде у нижем енергетском стању, то може учинити емитовањем дискретног пакета електромагнетног зрачења ради одношења енергије. Супротно томе, да би скочио у друго енергетско стање, тај исти електрон такође мора да апсорбује врло специфични дискретни пакет енергије.
Енергија повезана са електромагнетним таласом зависи од фреквенције таласа. Као такви, атоми могу да апсорбују и емитују само врло специфичне фреквенције електромагнетног зрачења у складу са њиховим придруженим квантизованим нивоима енергије. Ти енергетски пакети се зовуфотони.
Шта је квантизација?
Квантизацијаодноси се на нешто што је ограничено на дискретне вредности, стихове непрекидног спектра. Када атоми апсорбују или емитују један фотон, то чине само на врло специфичним квантизованим вредностима енергије које описује квантна механика. Овај „појединачни фотон“ се заиста може сматрати дискретним таласним „пакетом“.
Количина енергије може се емитовати само у вишекратницима елементарне јединице (Планцкова константах). Једначина која повезује енергијуЕ.фотона на његову фреквенцију је:
Е = х \ ну
Гдеν(грчко слово ну) је фреквенција фотона и Планцкова константах = 6.62607015 × 10-34 Јс.
Двојство таласа и честица
Чућете како људи користе речифотониелектромагнетно зрачењенаизменично, иако се чини да су то различите ствари. Када говоре о фотонима, људи обично говоре о својствима честица овог феномена, док када говоре о електромагнетним таласима или зрачењу, они говоре таласима својства.
Фотони или електромагнетно зрачење показују оно што се назива дуалност честица-талас. У одређеним ситуацијама и у одређеним експериментима фотони показују понашање налик на честице. Један пример за то је фотоелектрични ефекат, где сноп светлости који удара о површину изазива ослобађање електрона. Специфичности овог ефекта могу се разумети само ако се светлост третира као дискретни пакети које електрони морају да апсорбују да би се емитовали.
У другим ситуацијама и експериментима делују више попут таласа. Примарни пример овога су обрасци сметњи уочени у експериментима са једним или више прореза. У овим експериментима светлост путује кроз уске, уско размакнуте прорезе, који делују као вишеструки фазни изворе светлости, и као резултат, он ствара образац сметњи у складу са оним што бисте видели у а талас.
Још чудније, фотони нису једина ствар која показује ову дуалност. Заиста, изгледа да се све основне честице, чак и електрони и протони, понашају на овај начин. Што је честица већа, таласна дужина јој је краћа и мање ће се појавити ова дуалност. Због тога у свакодневном животу не примећујете ништа слично.