แสง (ฟิสิกส์): มันคืออะไรและทำงานอย่างไร?

การทำความเข้าใจความเป็นคู่ของคลื่นอนุภาคของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (แสง) เป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจทฤษฎีควอนตัมและปรากฏการณ์อื่นๆ ตลอดจนธรรมชาติของแสง พัฒนาการทางวิทยาศาสตร์ที่ใหญ่ที่สุดอย่างหนึ่งในศตวรรษก่อนคือการค้นพบว่าวัตถุขนาดเล็กมากไม่ได้ปฏิบัติตามกฎเกณฑ์เดียวกันกับวัตถุในชีวิตประจำวัน

ในแง่ธรรมดา คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกง่ายๆ ว่าแสง แม้ว่าบางครั้งจะใช้คำว่า light เพื่อระบุแสงที่มองเห็นได้ (สิ่งที่มองเห็นได้ด้วยตา) และในกาลอื่นๆ มักใช้เพื่ออ้างถึงแม่เหล็กไฟฟ้าทุกรูปแบบ รังสี

เพื่อให้เข้าใจคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างถ่องแท้ จำเป็นต้องเข้าใจแนวคิดของสนามและความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะอธิบายในรายละเอียดเพิ่มเติมในหัวข้อถัดไป แต่โดยพื้นฐานแล้ว คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นแสง) ประกอบด้วยคลื่นสนามไฟฟ้าที่แกว่งไปมาในระนาบตั้งฉาก (ที่มุมฉาก) กับสนามแม่เหล็ก คลื่น.

หากการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทำหน้าที่เป็นคลื่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใด ๆ จะมีความถี่และความยาวคลื่นที่เกี่ยวข้องกัน ความถี่คือจำนวนการแกว่งต่อวินาที วัดเป็นเฮิรตซ์ (Hz) โดยที่ 1 Hz = 1/s ความยาวคลื่นคือระยะห่างระหว่างยอดคลื่น ผลคูณของความถี่และความยาวคลื่นให้ความเร็วคลื่น ซึ่งสำหรับแสงในสุญญากาศจะอยู่ที่ประมาณ 3×10

ต่างจากคลื่นส่วนใหญ่ (เช่น คลื่นเสียง เป็นต้น) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ต้องการตัวกลางที่จะ แพร่กระจาย และด้วยเหตุนี้จึงสามารถสำรวจสุญญากาศของพื้นที่ว่าง ซึ่งพวกมันทำที่ความเร็วแสง - ความเร็วที่เร็วที่สุดใน จักรวาล!

สนามสามารถคิดได้ว่าเป็นอาร์เรย์ของเวกเตอร์ที่มองไม่เห็น โดยแต่ละจุดในอวกาศจะแสดงขนาดสัมพัทธ์และทิศทางของแรงที่วัตถุจะรู้สึกได้หากวางไว้ที่จุดนั้น ตัวอย่างเช่น สนามแรงโน้มถ่วงใกล้พื้นผิวโลกจะประกอบด้วยเวกเตอร์ในแต่ละจุดในอวกาศที่ชี้ตรงไปยังศูนย์กลางของโลก ที่ระดับความสูงเท่ากัน เวกเตอร์เหล่านี้ทั้งหมดจะมีขนาดเท่ากัน

หากจะวางมวลไว้ที่จุดใดจุดหนึ่ง แรงโน้มถ่วงที่สัมผัสได้ก็จะขึ้นอยู่กับมวลของมันและค่าของสนามที่นั่น สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กทำงานในลักษณะเดียวกัน เว้นแต่จะใช้แรงที่ขึ้นอยู่กับประจุและโมเมนต์แม่เหล็กของวัตถุตามลำดับแทนมวล

สนามไฟฟ้าเป็นผลโดยตรงจากการมีอยู่ของประจุ เช่นเดียวกับที่สนามโน้มถ่วงเป็นผลโดยตรงจากมวล อย่างไรก็ตาม แหล่งที่มาของสนามแม่เหล็กนั้นมาจากประจุที่เคลื่อนที่ (หรือเทียบเท่ากับการเปลี่ยนสนามไฟฟ้า)

ในยุค 1860 นักฟิสิกส์ James Clerk Maxwell ได้พัฒนาชุดสมการสี่สมการที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็กได้อย่างสมบูรณ์ โดยพื้นฐานแล้วสมการเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าสนามไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยประจุอย่างไร ไม่มีโมโนโพลแม่เหล็กพื้นฐานอยู่อย่างไร การเปลี่ยนสนามแม่เหล็กสามารถสร้างสนามไฟฟ้าได้ และกระแสหรือสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงจะสร้างสนามแม่เหล็กได้อย่างไร changing ฟิลด์

ไม่นานหลังจากการกำเนิดของสมการเหล่านี้ พบวิธีแก้ปัญหาที่อธิบายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายในตัวเอง คลื่นนี้ถูกคาดการณ์ว่าจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงและกลายเป็นแสงจริงๆ!

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถมาในความยาวคลื่นและความถี่ต่างๆ ได้มากมาย ตราบใดที่ผลคูณของความยาวคลื่นและความถี่ของคลื่นที่กำหนดเท่ากับค, ความเร็วแสง รูปแบบของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ได้แก่ (จากความยาวคลื่นที่ยาวกว่า/พลังงานต่ำไปจนถึงความยาวคลื่นที่สั้นกว่า/พลังงานสูง):

• คลื่นวิทยุ (0.187 ม. - 600 ม.)
• ไมโครเวฟ (1 มม. - 187 มม.)
• คลื่นอินฟราเรด (750 นาโนเมตร - 1 มม.)
• แสงที่มองเห็นได้ (400 นาโนเมตร - 750 นาโนเมตร; ความยาวคลื่นเหล่านี้สามารถตรวจจับได้ด้วยตามนุษย์และมักจะแบ่งออกเป็นสเปกตรัมที่มองเห็นได้)
• แสงอัลตราไวโอเลต (10 นาโนเมตร - 400 นาโนเมตร)
• เอ็กซ์เรย์ (10^-12 ม. - 10 นาโนเมตร)
• รังสีแกมมา (<10^-12 ม.)

โฟตอนเป็นชื่อของอนุภาคแสงเชิงปริมาณหรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นำเสนอแนวคิดเรื่องแสงควอนตัม (โฟตอน) ในบทความต้นศตวรรษที่ 20

โฟตอนไม่มีมวล และพวกมันไม่ปฏิบัติตามกฎหมายการอนุรักษ์จำนวน (หมายความว่าพวกมันสามารถสร้างขึ้นและทำลายได้) อย่างไรก็ตามพวกเขาปฏิบัติตามการอนุรักษ์พลังงาน

ในความเป็นจริง โฟตอนจัดอยู่ในกลุ่มอนุภาคที่เป็นพาหะของแรง โฟตอนเป็นตัวกลางของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและทำหน้าที่เป็นแพ็กเก็ตพลังงานที่สามารถถ่ายโอนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้

คุณอาจจะคิดว่ามันค่อนข้างแปลกที่จะพูดถึงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นอนุภาคในทันใด เนื่องจากคลื่นและอนุภาคดูเหมือนโครงสร้างที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานสองแบบ อันที่จริง มันเป็นเพียงสิ่งแบบนี้เท่านั้นที่ทำให้ฟิสิกส์ของสิ่งเล็ก ๆ นั้นแปลกมาก ในตอนต่อไป แนวคิดของการหาปริมาณและความเป็นคู่ของคลื่นอนุภาคจะกล่าวถึงในรายละเอียดเพิ่มเติม

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดจากการสั่นในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก หากประจุเคลื่อนที่ไปมาตามเส้นลวด มันจะสร้างสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งจะสร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งจะแพร่กระจายในตัวเอง

อะตอมและโมเลกุลซึ่งมีประจุเคลื่อนที่ในรูปของเมฆอิเล็กตรอนสามารถโต้ตอบกับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าได้ในลักษณะที่น่าสนใจ ในอะตอม อิเล็กตรอนได้รับอนุญาตให้อยู่ในสถานะพลังงานเชิงปริมาณที่จำเพาะเจาะจงเท่านั้น

หากอิเล็กตรอนต้องการที่จะอยู่ในสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า สามารถทำได้โดยการปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าแบบแยกเป็นแพ็คเก็ตเพื่อนำพลังงานออกไป ในทางกลับกัน เพื่อที่จะกระโดดไปสู่สถานะพลังงานอื่น อิเล็กตรอนตัวเดียวกันนั้นจะต้องดูดซับพลังงานที่แยกจากกันโดยเฉพาะเช่นกัน

พลังงานที่เกี่ยวข้องกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความถี่ของคลื่น ด้วยเหตุนี้ อะตอมจึงสามารถดูดซับและปล่อยคลื่นความถี่เฉพาะของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่สอดคล้องกับระดับพลังงานเชิงปริมาณที่เกี่ยวข้องเท่านั้น แพ็กเก็ตพลังงานเหล่านี้เรียกว่าโฟตอน​.

​การหาปริมาณหมายถึงสิ่งที่ถูก จำกัด ให้มีค่าที่ไม่ต่อเนื่องเป็นคลื่นความถี่ต่อเนื่อง เมื่ออะตอมดูดซับหรือปล่อยโฟตอนเพียงตัวเดียว พวกมันจะทำที่ค่าพลังงานเชิงปริมาณที่จำเพาะที่อธิบายโดยกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น “โฟตอนเดียว” นี้สามารถคิดได้ว่าเป็น “แพ็กเก็ตคลื่นที่ไม่ต่อเนื่อง”

ปริมาณพลังงานสามารถถูกปล่อยออกมาเป็นทวีคูณของหน่วยพื้นฐานเท่านั้น (ค่าคงที่ของพลังค์ห่า). สมการที่เกี่ยวข้องกับพลังงานอีของโฟตอนถึงความถี่ของมันคือ:

ที่ไหนν(อักษรกรีก nu) คือความถี่ของโฟตอนและค่าคงที่ของพลังค์ห่า​ = 6.62607015 × 10^-34 เจ.

คุณจะได้ยินคนใช้คำว่าโฟตอนและรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าสลับกันได้แม้จะดูเหมือนคนละเรื่องกัน เมื่อพูดถึงโฟตอน ผู้คนมักพูดถึงคุณสมบัติของอนุภาคของปรากฏการณ์นี้ ในขณะที่พวกเขากำลังพูดถึงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือรังสี พวกเขากำลังพูดถึงคลื่น คุณสมบัติ.

โฟตอนหรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงสิ่งที่เรียกว่าความเป็นคู่ของคลื่นอนุภาค ในบางสถานการณ์และในการทดลองบางอย่าง โฟตอนแสดงพฤติกรรมคล้ายอนุภาค ตัวอย่างหนึ่งคือปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก โดยที่ลำแสงกระทบพื้นผิวทำให้เกิดการปลดปล่อยอิเล็กตรอน ลักษณะเฉพาะของเอฟเฟกต์นี้สามารถเข้าใจได้ก็ต่อเมื่อแสงได้รับการปฏิบัติเป็นแพ็กเก็ตแบบไม่ต่อเนื่องที่อิเล็กตรอนต้องดูดซับเพื่อที่จะปล่อยออกมา

ในสถานการณ์และการทดลองอื่นๆ พวกมันทำตัวเหมือนคลื่นมากกว่า ตัวอย่างที่สำคัญของสิ่งนี้คือรูปแบบการรบกวนที่สังเกตพบในการทดลองแบบช่องเดียวหรือหลายช่อง ในการทดลองเหล่านี้ แสงเดินทางผ่านช่องแคบที่มีระยะห่างอย่างใกล้ชิด ซึ่งทำหน้าที่เหมือนหลายเฟส multiple แหล่งกำเนิดแสง และด้วยเหตุนี้ มันจึงสร้างรูปแบบการรบกวนที่สอดคล้องกับสิ่งที่คุณเห็นใน in คลื่น.

แม้แต่คนแปลกหน้า โฟตอนไม่ใช่สิ่งเดียวที่แสดงถึงความเป็นคู่นี้ แท้จริงแล้ว อนุภาคพื้นฐานทั้งหมด แม้แต่อิเล็กตรอนและโปรตอน ก็ดูเหมือนจะมีพฤติกรรมในลักษณะนี้ ยิ่งอนุภาคมีขนาดใหญ่เท่าใด ความยาวคลื่นของมันก็จะสั้นลงเท่านั้น และความเป็นคู่นี้ก็จะยิ่งน้อยลง นี่คือเหตุผลที่คุณไม่สังเกตเห็นสิ่งนี้ในชีวิตประจำวัน