Фотони (квантизација): дефиниција, својства и дуалност таласних честица

Светлост је вероватно једна од најчуднијих тема са којима ће се студент физике сусрести. Најбржа ствар у свемиру је некако и честица и талас - и истовремено показује јединствена својства оба. Али штајесветло?

Разумевање чегафотонијесу и штаквантизацијасредство је основно за разумевање природе светлости, квантне физике и безбројних феномена.

Фотони су формално име светлосних честица. Они могу бити видљиви људима или не, јер је овде терминсветлосе користи у физичком смислу, што значи да је фотон честица електромагнетног зрачења на било којој фреквенцији у спектру, од радио таласа до гама зрака.

Фотони су аквантизованочестица. То значи да постоје само у дискретним количинама енергије, а не у било којој количини енергије између. Када се разматра хемијски оријентисанији опис фотона као енергије која се ослобађа када електрон падне на нижи ниво енергије у атому, ово има смисла: електрони могу бити само у одређеним орбиталама или енергији нивоа. Нема пола корака. Дакле, ако је фотон резултат „падајућег електрона“, фотон такође мора долазити у само одређеним количинама енергије, односно квантима.

Алберт Ајнштајн је представио појам светлосних кванта (фотона) у раду из 1905. године. Један од четири рада која је те године објавио који су револуционисали науку, била је то идеја која му је донела Нобелову награду.

Као што је раније поменуто, светлост се односи на било коју врсту електромагнетног зрачења, чији се типови разликују по различитим фреквенцијама (или таласним дужинама). Те две мере које су карактеристике таласа, произлазе из тога да светлост мора бити анелектромагнетни талас.​

Али сачекајте - у претходном одељку чланка светло је уведено каочестица, фотон, не као талас. Ово је исправан. Чудна природа светлости постоји у ономе што се назива дуалност талас-честица:То је и талас и честица.​

Стога су и „електромагнетни талас“ и „фотон“ прихватљиви дескриптори светлости. Обично се прва фраза користи за описивање светлости када она јестеделујући као таласа потоњи појам кад једелујући као честица​.

Ово постаје важно у зависности од појава које физичар испитује. У одређеним ситуацијама и у одређеним експериментима, фотони се понашају као да физичари очекују да честице делују, на пример, када посматрају фотоелектрични ефекат. У другим ситуацијама и експериментима, светлост делује више попут таласа, на пример када модулира радио станицу.

Све што је ограничено на дискретне вредности, а не на континуираном спектру, пролази кроз квантизацију.

Квантизација у атому објашњава да ће се количина енергије која се може емитовати у облику фотона појавити само у вишекратницима елементарне јединице Планцкове константе,х= 6,6262 к 10 ^-34 џул-секунди

Ова јединица, коју је открио Мак Планцк крајем 1800-их, једна је од најбизарнијих и најважнијих јединица у физици. Описује однос између фреквенције таласне честице и њеног нивоа енергије, и тако поставља доњу доњу границу сигурности с којом можемо разумети структуру материје.

Једна од највећих последица познавања овог ограничења, која је такође помогла да се започне необично, али стварно поље проучавања познато као квантне физике, је да је на најмањим податомским нивоима положај честица описљив само као а вероватноћа. Другим речима, само положај субатомске честицеилибрзина се може са сигурношћу знати у било ком тренутку, алине ОБОЈЕ​.

Дефинисање квантахдовести до једначине за енергију фотона:

где енергијаЕ.је у џулима (Ј), Планцкова константахје у џул-секундама (Јс) и фреквенцијифје у херцима (Хз).

Већина људи вероватно мисли на честице као на ситне јединице материје, које су величине према њиховој маси. То чини облик честица светлости посебно чудном звери, јер као јединица чисте енергије фотон има нулту масу.

Још једно важно својство фотона је да они увек путују брзином светлости, ~ 300 000 000 м / с у вакууму празног простора. Светлост може путовати спорије од тога - сваки пут када наиђе на другу материју, она са њом ступа у интеракцију и успорава, тако да што је гушћи материјал кроз који светлост путује то спорије иде. Међутим,ништа у свемиру не може путовати брже од светлости. Ни најбржа ракета ни атомска честица која се највише убрзава.

• Брзина светлости, ~ 300.000.000 м / с, најбржа је што било шта може да путује. Због тога се такође назива ограничењем брзине свемира.

На овај начин, разумевање светлости је пресудно за разумевање основних граница самог универзума, од његових највећих до најситнијих.

Иако светлост увек путује у исто времебрзинау датом медијуму, као облик електромагнетног зрачења, може имати различитфреквенцијеилиталасне дужине. Фреквенције и таласне дужине светлости како се електромагнетни таласи мењају обрнуто једна према другој дуж спектра.

На најдужој таласној дужини и крају најниже фреквенције су радио таласи, након којих долазе микроталасне, инфрацрвене, видљиве светлосни, ултраљубичасти, рентгенски и гама зраци високе енергије, сваки са прогресивно краћим таласним дужинама и већим фреквенције.

Физичари су 1930-их почели да уче да је сва материја у универзуму састављена од неколико њих основне честице, познате као елементарне честице, којима се управља под истим скупом темељне силе. ТхеСтандардни моделфизике честица је скуп једначина које покушавају да сажето опишу како су све ове елементарне честице и основне силе повезане. Светлост је критични део овог универзалног описа.

У развоју од 1970-их, Стандардни модел је до сада тачно предвидео резултате многих, мада не свих, експеримената квантне физике. Неочекиван проблем који у моделу тек треба решити је како у гравитацију уградити гравитацију. Поред тога, не успева да пружи одговоре на нека велика космолошка питања, укључујући откривање шта је тамна материја или где је нестала сва антиматерија створена у Великом праску. Ипак, широко је прихваћена и сматра се најбољом теоријом за објашњавање темељне природе нашег постојања до данас.

У Стандардном моделу, сву материју чини класа елементарних честица тзвфермиони. Фермиони постоје у две врсте:кварковиилилептони. Свака од ових категорија даље је подељена на шест честица, повезаних у парове познате каогенерације. Прва генерација је најстабилнија, са тежим и мање стабилним честицама које се налазе у другој и трећој генерацији.

Остале компоненте стандардног модела су силе и честице носача, познате каобозони. Свака од четири основне силе - гравитација, електромагнетна, јака и слаба - повезана је са бозоном који преноси силу у размени са честицама материје.

Физичари честица који раде на акцелераторима или проматрају сударе честица високе енергије из свемира идентификовали су бозоне за последње три силе.Фотон је бозон који носи електромагнетну силу у свемиру,глуонкаријес снажне силе иВиЗ.честице носе слабу силу. Али теоријски бозон за гравитацију,гравитон, остаје неухватљив.

​Зрачење црних тела.Црна тела су хипотетички тип предмета (савршени не постоје у природи) који апсорбују цело електромагнетно зрачење које их погађа. У суштини, свако електромагнетно зрачење које удара у црно тело служи за његово загревање, а зрачење које оно одаје током хлађења је у директној вези са његовом температуром. Физичари могу користити ову апроксимацију да би утврдили својства готово савршених црних тела у свемиру, попут звезда и црних рупа.

Иако таласна природа светлости помаже у описивању фреквенција зрачења црних тела које ће објекат апсорбовати и емитовати, то је његово природа честица као фотон такође помаже да се то математички опише, јер су енергије које црно тело може да садржи квантизоване. Мак Планцк је био међу првима који је истраживао ову појаву.

​Експеримент са двоструким прорезима.Централно начело квантне физике, експеримент са двоструким прорезима показује како сјај светлости на баријери са два уска отвора резултира препознатљивим обрасцем светлих и тамних сенки познатим каообразац таласних сметњи​.

Чудан део овога је да ће се један фотон приказан кроз отвор и даље понашати као да омета друге фотоне, упркос томе што је сам и недељив. То значи да се образац светлости уочен у експерименту не може објаснити третирањем светлости као само фотона или таласа; мора се сматрати и једним и другим. Овај експеримент се често наводи у објашњењу шта се подразумева под идејом дуалности талас-честица.

​Цомптонов ефекат.Комптонов ефекат је још један уочљив пример међусобног деловања таласа светлости и природе честица. Описује како се чувају и енергија и импулс када се фотон судари са непокретним електроном. Комбиновање једначине за количину енергије фотона са једначинама очувања импулса показује да је резултујуће таласна дужина одлазећег фотона (почетно још увек електрона) може се предвидети таласном дужином долазног фотона који је дао то енергија.

​Спектроскопија.Техника спектроскопије омогућава физичарима, хемичарима, астрономима и другим научницима да истраже материјалну структуру објекта, укључујући удаљене звезде, једноставном анализом образаца који настају цепањем долазеће светлости са тог објекта помоћу а призма. Будући да различити елементи апсорбују и емитују фотоне у дискретним квантима, посматране електромагнетне таласне дужине падају у дискретне сегменте у зависности од тога које елементе садрже објекти.

​Еквиваленција маса-енергија.Доста деце може да рецитује Ајнштајнову познату једначинуЕ = мц². Кратке и слатке, истинске импликације ове једначине су дубоке:Мисами енергијеЕ.су еквивалентнеи могу се претворити једни у друге помоћу брзине светлости у вакууму,ц, на квадрат. Ово важно подразумева да објекат који се не креће још увек има енергију; у овом случају његовамаса за одморкаже се да је једнако његовоменергија одмора​.

Физичари честица користе еквиваленцију масе и енергије да би одредили једноставније јединице за нека од својих мерења. На пример, квантни физичари траже масе фермиона или бозона убрзавањем субатомских честица попут протона и електрона до брзине при малој светлости у џиновским акцелераторима и сламајући их заједно, а затим анализирајући ефекте „отпадака“ у високо осетљивим електричним низови.

Уместо давања масе у килограмима, уобичајени начин извештавања о маси честица је гига-електрон-волти или ГеВ, јединица енергије. Да би ову вредност вратили маси у СИ јединици килограма, они могу да користе овај једноставан однос: 1 ГеВ /ц​² = 1.78266192×10⁻²⁷ к.