Fotoner (kvantisering): Definition, egenskaper och vågpartikeldualitet

Ljus är utan tvekan ett av de konstigaste ämnena en fysikstudent kommer att stöta på. Det snabbaste i universum är på något sätt både en partikel och en våg - och uppvisar de unika egenskaperna för båda samtidigt. Men vadärljus?

Förstå vadfotonerär och vadkvantiseringmedel är grundläggande för att förstå ljusets natur, kvantfysik och otaliga relaterade fenomen.

Fotoner är det formella namnet på ljuspartiklar. De kan vara synliga för människor eller inte, eftersom här termenljusanvänds i fysikens mening, vilket betyder att en foton är en partikel av elektromagnetisk strålning vid vilken frekvens som helst i spektrumet, från radiovågor till gammastrålar.

Fotoner är enkvantiseradpartikel. Detta betyder att de bara finns i diskreta mängder energi snarare än i någon mängd energi däremellan. När man överväger den mer kemorienterade beskrivningen av en foton som den energi som frigörs när en elektron faller till en lägre energinivå i atomen är det vettigt: Elektroner kan bara vara i specifika orbitaler eller energi nivåer. Det finns inga halvsteg. Så om en foton är resultatet av en "fallande elektron" måste en foton också komma i endast specifika energimängder eller kvantiteter.

Albert Einstein introducerade begreppet ljuskvanta (fotoner) i ett papper från 1905. Ett av fyra artiklar som han publicerade det året som revolutionerade vetenskapen, det var tanken som vann honom Nobelpriset.

Som tidigare nämnts hänvisar ljus till alla typer av elektromagnetisk strålning, vars typer kännetecknas av olika frekvenser (eller våglängder). Dessa två mått är karaktäristika för vågor, det följer att ljus måste vara ettelektromagnetisk våg.​

Men vänta - i föregående avsnitt av artikeln introducerades ljus som enpartikel, foton, inte som en våg. Detta är rätt. Ljusets konstiga natur är att existera i det som kallas vågpartikel dualitet:Det är både en våg och en partikel.​

Därför är både "elektromagnetisk våg" och "foton" acceptabla ljusbeskrivare. Vanligtvis används den första frasen för att beskriva ljus när det ärfungerar som en vågoch den senare termen när det ärfungerar som en partikel​.

Detta blir viktigt beroende på vilka fenomen en fysiker undersöker. I vissa situationer och i vissa experiment fungerar fotoner som fysiker förväntar sig att partiklar verkar, till exempel när de observerar den fotoelektriska effekten. I andra situationer och experiment fungerar ljus mer som vågor, till exempel vid modulering av en radiostation.

Allt som är begränsat till diskreta värden snarare än att det finns i ett kontinuerligt spektrum genomgår kvantisering.

Kvantisering i en atom förklarar att mängden energi som kan släppas ut i form av en foton kommer att förekomma endast i multiplar av den elementära enheten Plancks konstant,h= 6,6262 x 10 ^-34 joule-sekunder

Denna enhet, upptäckt av Max Planck i slutet av 1800-talet, är en av de mest bisarra och viktiga enheterna inom fysik. Den beskriver förhållandet mellan en vågpartikels frekvens och dess energinivå och sätter därmed en nedre nedre gräns för den säkerhet som vi kan förstå materiens struktur.

En av de största förgreningarna av att känna till denna gräns, vilket också hjälpte till att börja det udda men verkliga studieområdet som kallas kvantfysik, är att partiklarnas position på de minsta sub-atomnivåerna endast kan beskrivas som en sannolikhet. Sagt på ett annat sätt, bara en subatomär partikels positionellerhastighet kan kännas med säkerhet vid varje given tidpunkt, meninte båda​.

Definiera kvantahleda till en ekvation för en foton:

där energiEär i joule (J), Plancks konstanthär i joule-sekunder (Js) och frekvensfär i hertz (Hz).

De flesta tänker troligen på partiklar som små enheter av materia, som är dimensionerade efter deras massor. Detta gör partikelformen av ljus till ett särskilt konstigt odjur, eftersom en foton av ren energi har nollmassa.

En annan viktig egenskap hos fotoner är att de alltid färdas med ljusets hastighet, ~ 300.000.000 m / s i tomrummet i tomrummet. Ljus kan resa långsammare än så - varje gång det stöter på andra ämnen interagerar det med det och saktar ner, så att tätare materialet genom vilket ljuset färdas, desto långsammare går det. I alla fall,ingenting i universum kan resa snabbare än ljus. Varken den snabbaste raketen eller den mest accelererade atompartikeln.

• Ljusets hastighet, ~ 300.000.000 m / s, är den snabbaste som någonting kan resa. Det är därför det också kallas universums hastighetsgräns.

På detta sätt är förståelse av ljus avgörande för att förstå de grundläggande gränserna för själva universum, från dess allra största till det allra minsta.

Även om ljus alltid färdas på samma sätthastigheti ett givet medium, som en form av elektromagnetisk strålning, kan det ha olikafrekvenserellervåglängder. Frekvenser och våglängder av ljus som elektromagnetiska vågor förändras omvänd med varandra längs ett spektrum.

Vid den längsta våglängden och den lägsta frekvensänden finns radiovågor, varefter mikrovågsugn, infraröd, synlig ljus-, ultraviolett-, röntgen- och högenergi-gammastrålar, var och en med successivt kortare våglängder och högre frekvenser.

Fysiker på 1930-talet började lära sig att all materia i universum består av ett fåtal grundläggande partiklar, kända som elementära partiklar, som alla styrs av samma uppsättning grundläggande krafter. DeStandardmodellav partikelfysik är en uppsättning ekvationer som försöker kortfattat beskriva hur alla dessa elementära partiklar och de grundläggande krafterna rör sig. Ljus är en kritisk del av denna universella beskrivning.

Under utveckling sedan 1970-talet har standardmodellen hittills korrekt förutsagt resultaten av många, men inte alla, kvantefysiska experiment. Ett uppenbart problem som ännu inte har lösts i modellen är hur man införlivar gravitationen i uppsättningen ekvationer. Dessutom ger den inte svar på några stora kosmologiska frågor, inklusive att ta reda på vad mörk materia är eller var försvann all antimateria som skapades i Big Bang. Ändå är det allmänt accepterat och anses vara den bästa teorin för att förklara den grundläggande karaktären av vår existens hittills.

I standardmodellen består all materia av en klass av elementära partiklar som kallasfermioner. Fermions finns i två typer:kvarkarellerleptoner. Var och en av dessa kategorier är vidare uppdelad i sex partiklar, relaterade i par kända somgenerationer. Den första generationen är den mest stabila, med tyngre och mindre stabila partiklar som finns i andra och tredje generationen.

De andra komponenterna i standardmodellen är krafter och bärarpartiklar, kända sombosoner. Var och en av de fyra grundläggande krafterna - gravitation, elektromagnetisk, stark och svag - är associerad med ett boson som förmedlar kraften i utbyte med materiepartiklar.

Partikelfysiker som arbetar vid acceleratorer eller håller koll på högenergipartiklar från rymden har identifierat bosoner för de tre sistnämnda krafterna.Fotonen är bosonen som bär den elektromagnetiska kraften i universum, dengluonkaries den starka kraften ochWochZpartiklar bär den svaga kraften. Men den teoretiska tyngdkraften, dengraviton, förblir svårfångad.

​Blackbody-strålning.Blackbodies är en hypotetisk typ av objekt (perfekta finns inte i naturen) som absorberar all elektromagnetisk strålning som träffar dem. I grund och botten tjänar all elektromagnetisk strålning som träffar en svart kropp till att värma upp den och den strålning som den avger under kylning är därför direkt relaterad till dess temperatur. Fysiker kan använda denna uppskattning för att härleda egenskaperna hos nästan perfekta svartkroppar i universum, såsom stjärnor och svarta hål.

Medan ljusets vågkaraktär hjälper till att beskriva frekvenser av svart kroppsstrålning som ett objekt kommer att absorbera och avge, dess partikelnaturen som foton hjälper också till att beskriva den matematiskt, eftersom de energier som svartkroppen kan innehålla kvantiseras. Max Planck var bland de första som undersökte detta fenomen.

​Dubbel-slits experimentet.En central grundsättning för kvantfysik, experimentet med dubbla slitsar visar hur skenande ljus på en barriär med två smala öppningar resulterar i ett distinkt mönster av ljus och mörka skuggor som kallasvåginterferensmönster​.

Den konstiga delen av detta är att en enda foton som visas genom öppningen fortfarande kommer att bete sig som om den stör andra fotoner, trots att den är ensam och odelbar. Det vill säga att ljusmönstret som observerats i experimentet inte kan förklaras genom att behandla ljus som endast en foton eller en våg; det måste betraktas som båda. Detta experiment citeras ofta för att förklara vad som menas med tanken på vågpartikel dualitet.

​Compton-effekten.Compton-effekten är ett annat observerbart exempel på samspelet mellan ljusets våg- och partikelnatur. Den beskriver hur både energi och fart bevaras när en foton kolliderar med en stationär elektron. Att kombinera ekvationen för energimängden i en foton med momentan bevarande ekvationer visar att den resulterande våglängden för den utgående foton (den ursprungligen stilla elektronen) kan förutsägas av våglängden för den inkommande foton som gav det energi.

​Spektroskopi.Tekniken med spektroskopi gör det möjligt för fysiker, kemister, astronomer och andra forskare att undersöka materialets sammansättning objekt, inklusive avlägsna stjärnor, helt enkelt genom att analysera de mönster som är resultatet av att dela in inkommande ljus från objektet med en prisma. Eftersom olika element absorberar och avger fotoner i diskreta kvantiteter, faller de observerade elektromagnetiska våglängderna i diskreta segment beroende på vilka element objekten innehåller.

​Mass-energiekvivalens.Massor av barn kan recitera Einsteins berömda ekvationE = mc². Kort och söt, de verkliga konsekvenserna av denna ekvation är djupgående:Massamoch energiEär likvärdigaoch kan omvandlas till varandra med hjälp av ljusets hastighet i vakuum,c, kvadrat. Detta innebär viktigt att ett objekt som inte rör sig fortfarande har energi; i det här fallet är detvila massasägs motsvara dessvila energi​.

Partikelfysiker använder massa-energiekvivalens för att bestämma enklare enheter för några av sina mätningar. Till exempel söker kvantfysiker efter massorna av fermioner eller bosoner genom att påskynda subatomära partiklar som protoner och elektroner till nära ljushastigheter i gigantiska acceleratorer och krossa dem tillsammans och analysera sedan effekterna av "skräp" i mycket känslig elektrisk matriser.

Istället för att ge en massa i kilogram är det vanliga sättet att rapportera partikelmassor dock i gigaelektronvolter, eller GeV, en energienhet. För att återställa detta värde till en massa i SI-enheten på kilo kan de använda detta enkla förhållande: 1 GeV /c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.