Ljus (fysik): Vad är det och hur fungerar det?

Att förstå partikelvågsdualiteten hos elektromagnetisk strålning (ljus) är grundläggande för att förstå kvantteori och andra fenomen samt ljusets natur. En av de största vetenskapliga utvecklingen under det föregående århundradet var upptäckten att mycket små föremål inte följde samma regler som vardagliga föremål.

I enkla termer är elektromagnetiska vågor helt enkelt kända som ljus, även om termen ljus ibland används för att specificera synligt ljus (det som kan detekteras av ögat), och andra gånger används mer allmänt för att hänvisa till alla former av elektromagnetisk strålning.

För att fullt ut förstå elektromagnetiska vågor är det viktigt att förstå begreppet ett fält och förhållandet mellan elektricitet och magnetism. Detta kommer att förklaras mer detaljerat i nästa avsnitt, men i huvudsak elektromagnetiska vågor (ljusvågor) består av en elektrisk fältvåg som oscillerar i ett plan vinkelrätt (i rät vinkel) mot ett magnetfält Vinka.

Om elektromagnetisk strålning fungerar som en våg, kommer varje speciell elektromagnetisk våg att ha en frekvens och våglängd associerad med den. Frekvensen är antalet svängningar per sekund, mätt i hertz (Hz) där 1 Hz = 1 / s. Våglängden är avståndet mellan vågtoppar. Produkten av frekvensen och våglängden ger våghastigheten, vilken för ljus i vakuum är ungefär 3 × 10

Till skillnad från de flesta vågor (till exempel ljudvågor) behöver elektromagnetiska vågor inget medium genom vilket sprida sig, och därmed kan korsa vakuumet i det tomma utrymmet, vilket de gör med ljusets hastighet - den snabbaste hastigheten i universum!

Ett fält kan ses som en osynlig uppsättning vektorer, en vid varje punkt i rymden som anger den relativa storleken och riktningen för en kraft som ett objekt skulle känna om det placerades vid den punkten. Till exempel skulle ett gravitationsfält nära jordens yta bestå av en vektor vid varje punkt i rymden som pekar direkt mot jordens centrum. På samma höjd skulle alla dessa vektorer ha samma storlek.

Om en massa skulle placeras vid en viss punkt skulle gravitationskraften den känner bero på dess massa och fältets värde där. Elektriska fält och magnetfält fungerar på samma sätt, förutom att de applicerar krafter beroende på ett objekts laddning respektive magnetmoment istället för dess massa.

Det elektriska fältet härrör direkt från existensen av laddningar, precis som gravitationsfältet härrör direkt från massan. Källan till magnetism är dock från att flytta laddning (eller motsvarande, ändra elektriska fält).

På 1860-talet utvecklade fysikern James Clerk Maxwell en uppsättning av fyra ekvationer som fullständigt beskrev förhållandet mellan elektricitet och magnetism. Dessa ekvationer visade i princip hur elektriska fält genereras av laddningar, hur inga fundamentala magnetiska monopol finns, hur förändrade magnetfält kan generera ett elektriskt fält och hur nuvarande eller förändrade elektriska fält kan generera magnetiska fält fält.

Strax efter härledningen av dessa ekvationer hittades en lösning som beskriver en självförökande elektromagnetisk våg. Denna våg förutspåddes röra sig med ljusets hastighet och visade sig faktiskt vara lätt!

Elektromagnetiska vågor kan komma i många olika våglängder och frekvenser, så länge produkten av våglängden och frekvensen för en given våg är lika medc, ljusets hastighet. Formerna av elektromagnetisk strålning inkluderar (från längre våglängder / låg energi till kortare våglängder / hög energi):

• Radiovågor (0,187 m - 600 m)
• Mikrovågor (1 mm - 187 mm)
• Infraröda vågor (750 nm - 1 mm)
• Synligt ljus (400 nm - 750 nm; dessa våglängder är detekterbara av det mänskliga ögat och delas ofta in i ett synligt spektrum)
• Ultraviolett ljus (10 nm - 400 nm)
• Röntgenstrålar (10^-12 m - 10 nm)
• Gamma-strålar (<10^-12 m)

Fotoner är namnet på kvantiserade ljuspartiklar eller elektromagnetisk strålning. Albert Einstein introducerade begreppet ljuskvanta (fotoner) i en tidning från 1900-talet.

Fotoner är masslösa och de följer inte lagar om antal bevarande (vilket betyder att de kan skapas och förstöras). De lyder dock energibesparing.

Faktum är att fotoner anses vara i en klass av partiklar som är kraftbärare. Fotonen är förmedlare av den elektromagnetiska kraften och fungerar som ett paket med energi som kan överföras från en plats till en annan.

Du tänker nog att det är ganska konstigt att plötsligt tala om elektromagnetiska vågor som partiklar, eftersom vågor och partiklar verkar som två fundamentalt olika konstruktioner. Det är faktiskt bara den här typen av saker som gör det lilla fysikens så konstigt. I de närmaste parterna diskuteras begreppen kvantisering och partikelvåg dualitet mer detaljerat.

Elektromagnetiska vågor beror på svängningar i elektriska och magnetiska fält. Om en laddning rör sig fram och tillbaka längs en tråd skapar den ett föränderligt elektriskt fält, vilket i sin tur skapar ett magnetfält som förändras, som sedan självförökar sig.

Atomer och molekyler, som innehåller rörlig laddning i form av elektronmoln, kan interagera med elektromagnetisk strålning på intressanta sätt. I en atom får elektronerna endast existera i mycket specifika kvantiserade energitillstånd.

Om en elektron vill vara i ett lägre energitillstånd kan den göra det genom att avge ett diskret paket med elektromagnetisk strålning för att transportera bort energin. Omvänt, för att hoppa in i ett annat energitillstånd, måste samma elektron också absorbera ett mycket specifikt diskret energipaket.

Energin associerad med en elektromagnetisk våg beror på vågens frekvens. Som sådan kan atomer absorbera och avge endast mycket specifika frekvenser av elektromagnetisk strålning i överensstämmelse med deras associerade kvantiserade energinivåer. Dessa energipaket kallasfotoner​.

​Kvantiseringhänvisar till att något är begränsat till diskreta värden i ett kontinuerligt spektrum. När atomer absorberar eller avger en enda foton, gör de det endast med mycket specifika kvantiserade energivärden som beskrivs av kvantmekanik. Denna "enda foton" kan verkligen betraktas som ett "paket" för diskret våg.

En mängd energi kan endast emitteras i multiplar av en elementär enhet (Plancks konstanth). Ekvationen som relaterar energinEav en foton till dess frekvens är:

Varν(den grekiska bokstaven nu) är fotonens frekvens och Plancks konstanth​ = 6.62607015 × 10^-34 Js.

Du kommer att höra folk använda ordenfotonochelektromagnetisk strålningutbytbart, även om det verkar som om de är olika saker. När man talar om fotoner talar folk vanligtvis om partikelegenskaperna hos detta fenomen, medan de pratar om elektromagnetiska vågor eller strålning, talar de till vågliknande egenskaper.

Fotoner eller elektromagnetisk strålning uppvisar det som kallas partikelvågsdualitet. I vissa situationer och i vissa experiment uppvisar fotoner partikelliknande beteende. Ett exempel på detta är i den fotoelektriska effekten, där en ljusstråle som träffar en yta orsakar frisättning av elektroner. Specifikationerna för denna effekt kan endast förstås om ljus behandlas som diskreta paket som elektronerna måste absorbera för att bli utsända.

I andra situationer och experiment fungerar de mer som vågor. Ett utmärkt exempel på detta är interferensmönstren som observerats i experiment med en eller flera skåror. I dessa experiment rör sig ljus genom smala, nära varandra placerade slitsar, som fungerar som flera i fas ljuskällor, och som ett resultat producerar det ett störningsmönster som överensstämmer med vad du skulle se i en Vinka.

Ännu konstigare, fotoner är inte det enda som uppvisar denna dualitet. Faktum är att alla grundläggande partiklar, även elektroner och protoner, verkar bete sig på detta sätt. Ju större partikel, desto kortare är dess våglängd och desto mindre kommer denna dualitet att visas. Det är därför du inte märker något liknande i vardagen.