แสงเป็นหนึ่งในหัวข้อที่แปลกประหลาดที่สุดที่นักศึกษาฟิสิกส์จะพบเจอ สิ่งที่เร็วที่สุดในจักรวาลคือทั้งอนุภาคและคลื่น และแสดงคุณสมบัติเฉพาะของทั้งสองอย่างในเวลาเดียวกัน แต่อะไรคือเบา?
เข้าใจอะไรโฟตอนคืออะไรและอะไรการหาปริมาณวิธีการเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจธรรมชาติของแสง ฟิสิกส์ควอนตัม และปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องมากมาย
โฟตอนคืออะไร?
โฟตอนเป็นชื่อที่เป็นทางการของอนุภาคแสง มนุษย์จะมองเห็นได้หรือไม่ก็ตาม เพราะในที่นี้ คำว่าเบาใช้ในแง่ฟิสิกส์ ซึ่งหมายความว่าโฟตอนเป็นอนุภาคของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่ใดๆ บนสเปกตรัม ตั้งแต่คลื่นวิทยุไปจนถึงรังสีแกมมา
โฟตอนคือ aquantizedอนุภาค. ซึ่งหมายความว่าพวกมันมีอยู่ในปริมาณพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องมากกว่าพลังงานใด ๆ ในระหว่างนั้น เมื่อพิจารณาคำอธิบายเชิงเคมีของโฟตอนว่าเป็นพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่ออิเล็กตรอนตก ในระดับพลังงานที่ต่ำกว่าในอะตอม สิ่งนี้สมเหตุสมผล: อิเล็กตรอนสามารถอยู่ในออร์บิทัลหรือพลังงานที่เฉพาะเจาะจงเท่านั้น ระดับ ไม่มีครึ่งก้าว ดังนั้นหากโฟตอนเป็นผลมาจาก "อิเล็กตรอนที่ตกลงมา" โฟตอนก็ต้องมาในปริมาณพลังงานเฉพาะหรือควอนตัมเท่านั้น
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นำเสนอแนวคิดเรื่องควอนตัมแสง (โฟตอน) ในบทความปี 1905 หนึ่งในสี่บทความที่เขาตีพิมพ์ในปีนั้นซึ่งปฏิวัติวิทยาศาสตร์ นี่คือแนวคิดที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบล
ความเป็นคู่ของคลื่นอนุภาค
ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ แสงหมายถึงการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทใดก็ได้ ซึ่งแต่ละประเภทจะมีความแตกต่างกันตามความถี่ (หรือความยาวคลื่น) ที่แตกต่างกัน ทั้งสองวัดเป็นลักษณะของคลื่นตามแสงนั้นจะต้องเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า.
แต่เดี๋ยวก่อน – ในส่วนก่อนหน้าของบทความแสงได้รับการแนะนำเป็นอนุภาค,โฟตอนไม่เป็นคลื่น. สิ่งนี้ถูกต้อง ธรรมชาติที่แปลกประหลาดของแสงคือการมีอยู่ในสิ่งที่เรียกว่าความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น:เป็นทั้งคลื่นและอนุภาค
ดังนั้นทั้ง "คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า" และ "โฟตอน" จึงเป็นตัวบ่งชี้ที่ยอมรับได้ของแสง โดยปกติวลีแรกจะใช้อธิบายแสงเมื่อเป็นทำหน้าที่เป็นคลื่นและระยะหลังเมื่อเป็นทำหน้าที่เป็นอนุภาค.
สิ่งนี้มีความสำคัญขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ที่นักฟิสิกส์กำลังตรวจสอบ ในบางสถานการณ์และในการทดลองบางอย่าง โฟตอนทำตัวเหมือนนักฟิสิกส์คาดหวังให้อนุภาคทำปฏิกิริยา เช่น เมื่อสังเกตผลโฟโตอิเล็กทริก ในสถานการณ์และการทดลองอื่นๆ แสงทำหน้าที่เหมือนคลื่นมากกว่า เช่น เมื่อทำการมอดูเลตสถานีวิทยุ
การหาปริมาณคืออะไร?
สิ่งใดก็ตามที่จำกัดเฉพาะค่าที่ไม่ต่อเนื่องมากกว่าที่มีอยู่ในสเปกตรัมที่ต่อเนื่องกันกำลังอยู่ในระหว่างการหาปริมาณ
การหาปริมาณในอะตอมอธิบายว่าปริมาณพลังงานที่สามารถปล่อยออกมาได้ในรูปของโฟตอนจะเกิดขึ้นเฉพาะในค่าคงที่ของหน่วยพื้นฐานพลังค์เท่านั้นห่า= 6.6262 x 10 -34 จูลวินาที
หน่วยนี้ค้นพบโดย Max Planck ในช่วงปลายทศวรรษ 1800 เป็นหนึ่งในหน่วยที่แปลกประหลาดและสำคัญที่สุดในวิชาฟิสิกส์ มันอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ของอนุภาคคลื่นกับระดับพลังงานของมัน และด้วยเหตุนี้จึงกำหนดขีดจำกัดที่ต่ำกว่าบนความแน่นอนซึ่งเราสามารถเข้าใจโครงสร้างของสสารได้
หนึ่งในการแตกสาขาที่ใหญ่ที่สุดของการรู้ขีดจำกัดนี้ ซึ่งช่วยเริ่มต้นสาขาการศึกษาที่แปลกแต่จริงที่เรียกว่า ฟิสิกส์ควอนตัม คือที่ระดับอะตอมย่อยที่เล็กที่สุด ตำแหน่งของอนุภาคอธิบายได้เพียงว่า ความน่าจะเป็น กล่าวอีกนัยหนึ่งเพียงตำแหน่งของอนุภาคย่อยอะตอมหรือความเร็วสามารถรู้ได้อย่างแน่นอนในเวลาใดก็ตาม แต่ไม่ใช่ทั้งสองอย่าง.
การกำหนดควอนตัห่านำไปสู่สมการพลังงานของโฟตอน:
E=hf
ที่พลังงานอีอยู่ในจูล (J) ค่าคงที่ของพลังค์ห่าเป็นจูลวินาที (Js) และความถี่ฉมีหน่วยเป็นเฮิรตซ์ (Hz)
คุณสมบัติของโฟตอนและการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
คนส่วนใหญ่อาจคิดว่าอนุภาคเป็นหน่วยของสสารขนาดเล็ก ซึ่งมีขนาดตามมวลของพวกมัน สิ่งนี้ทำให้รูปแบบอนุภาคของแสงเป็นสัตว์ที่แปลกประหลาดเป็นพิเศษ เนื่องจากโฟตอนมีมวลเป็นศูนย์ในฐานะหน่วยของพลังงานบริสุทธิ์
คุณสมบัติที่สำคัญอีกประการของโฟตอนคือพวกมันเดินทางด้วยความเร็วแสงเสมอ ~ 300,000,000 m/s ในสุญญากาศของพื้นที่ว่าง แสงสามารถเดินทางได้ช้ากว่านั้น เมื่อใดก็ตามที่มันพบสิ่งอื่นที่มีปฏิสัมพันธ์กับมันและช้าลง ดังนั้นวัสดุที่แสงเดินทางผ่านจะมีความหนาแน่นมากเท่าใด แสงก็จะยิ่งเคลื่อนที่ช้าลงเท่านั้น อย่างไรก็ตามไม่มีสิ่งใดในจักรวาลเดินทางได้เร็วกว่าแสง. ไม่ใช่จรวดที่เร็วที่สุดหรืออนุภาคอะตอมที่เร่งที่สุด
เคล็ดลับ
ความเร็วของแสง ~ 300,000,000 m/s นั้นเร็วที่สุดที่ทุกสิ่งสามารถเดินทางได้ นี่คือเหตุผลที่เรียกอีกอย่างว่าขีดจำกัดความเร็วของจักรวาล
ด้วยวิธีนี้ การเข้าใจแสงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจขีดจำกัดพื้นฐานของเอกภพเอง ตั้งแต่ใหญ่สุดไปจนถึงเล็กที่สุด
แม้ว่าแสงจะเดินทางเท่ากันเสมอความเร็วในตัวกลางที่กำหนด ในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ก็สามารถมีความแตกต่างกันได้ความถี่หรือความยาวคลื่น. ความถี่และความยาวคลื่นของแสงเมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงผกผันตามสเปกตรัม
ที่ความยาวคลื่นที่ยาวที่สุดและปลายความถี่ต่ำสุดคือคลื่นวิทยุ หลังจากนั้นจะเป็นไมโครเวฟ อินฟราเรด มองเห็นได้ แสง รังสีอัลตราไวโอเลต เอกซเรย์ และรังสีแกมมาพลังงานสูง แต่ละตัวมีความยาวคลื่นสั้นลงเรื่อย ๆ และสูงขึ้น ความถี่
อนุภาคมูลฐานและแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค
นักฟิสิกส์ในช่วงทศวรรษที่ 1930 เริ่มเรียนรู้ว่าสสารทั้งหมดในจักรวาลประกอบด้วยส่วนน้อย อนุภาคมูลฐาน เรียกว่า อนุภาคมูลฐาน ซึ่งควบคุมโดย. ชุดเดียวกัน กองกำลังพื้นฐาน ดิรุ่นมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคเป็นชุดของสมการที่พยายามอธิบายอย่างกระชับว่าอนุภาคมูลฐานเหล่านี้และแรงพื้นฐานทั้งหมดมีความสัมพันธ์กันอย่างไร แสงเป็นส่วนสำคัญของคำอธิบายสากลนี้
ในการพัฒนาตั้งแต่ทศวรรษ 1970 แบบจำลองมาตรฐานได้ทำนายผลลัพธ์ของการทดลองฟิสิกส์ควอนตัมจำนวนมาก แม้ว่าจะไม่ใช่ทั้งหมดอย่างถูกต้อง ปัญหาที่เห็นได้ชัดที่ยังแก้ไขไม่ได้ในแบบจำลองคือการรวมแรงโน้มถ่วงเข้ากับเซตของสมการได้อย่างไร นอกจากนี้ยังไม่สามารถให้คำตอบเกี่ยวกับคำถามเกี่ยวกับจักรวาลวิทยาขนาดใหญ่บางคำถามได้ รวมถึงการหาว่าสสารมืดคืออะไรหรือปฏิสสารทั้งหมดที่สร้างขึ้นในบิ๊กแบงหายไปไหน ยังคงเป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวางและถือเป็นทฤษฎีที่ดีที่สุดสำหรับการอธิบายธรรมชาติพื้นฐานของการดำรงอยู่ของเราจนถึงปัจจุบัน
ในแบบจำลองมาตรฐาน สสารทั้งหมดประกอบด้วยชั้นของอนุภาคมูลฐานที่เรียกว่าfermions. Fermions มาในสองประเภท:ควาร์กหรือเลปตอน. แต่ละหมวดหมู่เหล่านี้แบ่งออกเป็นหกอนุภาคเพิ่มเติมซึ่งสัมพันธ์กันเป็นคู่ที่เรียกว่ารุ่น. รุ่นแรกมีความเสถียรมากที่สุด โดยมีอนุภาคที่หนักกว่าและเสถียรน้อยกว่าที่พบในรุ่นที่สองและสาม
ส่วนประกอบอื่นๆ ของแบบจำลองมาตรฐาน ได้แก่ แรงและอนุภาคพาหะ ซึ่งเรียกว่าโบซอน. แรงพื้นฐานทั้งสี่ ได้แก่ แรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า แรงและอ่อน สัมพันธ์กับโบซอนที่ถ่ายทอดแรงในการแลกเปลี่ยนกับอนุภาคของสสาร
นักฟิสิกส์อนุภาคที่ทำงานบนคันเร่งหรือเฝ้าดูการชนของอนุภาคพลังงานสูงจากอวกาศได้ระบุโบซอนสำหรับแรงสามอย่างหลังโฟตอนเป็นโบซอนที่นำพาแรงแม่เหล็กไฟฟ้าในจักรวาล, ที่กลูออนฟันพลังที่แข็งแกร่งและWและZอนุภาคมีกำลังอ่อน แต่โบซอนตามทฤษฎีสำหรับแรงโน้มถ่วง theกราวิตัน, ยังคงเข้าใจยาก
ปรากฏการณ์แสงที่เลือก
รังสีของแบล็กบอดี้Blackbodies เป็นวัตถุประเภทสมมุติฐาน (วัตถุที่สมบูรณ์แบบไม่มีอยู่ในธรรมชาติ) ที่ดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดที่กระทบกับพวกมัน โดยพื้นฐานแล้ว การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าใดๆ ที่กระทบวัตถุสีดำจะทำหน้าที่ให้ความร้อนแก่วัตถุ และการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาขณะเย็นตัวลงจึงสัมพันธ์โดยตรงกับอุณหภูมิของมัน นักฟิสิกส์สามารถใช้การประมาณนี้ในการอนุมานคุณสมบัติของวัตถุดำที่ใกล้สมบูรณ์ในจักรวาล เช่น ดวงดาวและหลุมดำ
ในขณะที่ธรรมชาติคลื่นของแสงช่วยอธิบายความถี่ของการแผ่รังสีของวัตถุสีดำที่วัตถุจะดูดซับและปล่อยออกมา ธรรมชาติของอนุภาคในฐานะโฟตอนยังช่วยอธิบายมันในทางคณิตศาสตร์ เนื่องจากพลังงานที่วัตถุดำสามารถบรรจุได้นั้นจะถูกหาปริมาณ Max Planck เป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่ตรวจสอบปรากฏการณ์นี้
การทดลองแบบ double-slitหลักการสำคัญของฟิสิกส์ควอนตัม การทดลองแบบ double-slit แสดงให้เห็นว่าการส่องแสงบนสิ่งกีดขวางด้วยช่องเปิดแคบสองช่องนั้นส่งผลให้เกิดรูปแบบแสงและเงามืดที่โดดเด่นซึ่งเรียกว่ารูปแบบการรบกวนคลื่น.
ส่วนที่แปลกของสิ่งนี้คือโฟตอนเดียวที่แสดงผ่านช่องเปิดจะยังคงทำงานราวกับว่ามันกำลังรบกวนโฟตอนอื่น ๆ แม้จะอยู่ตามลำพังและแบ่งแยกไม่ได้ กล่าวคือรูปแบบแสงที่สังเกตพบในการทดลองไม่สามารถอธิบายได้ด้วยการให้แสงเป็นเพียงโฟตอนหรือคลื่น มันต้องพิจารณาทั้งสองอย่าง การทดลองนี้มักถูกอ้างถึงในการอธิบายความหมายของแนวคิดเรื่องความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น
เอฟเฟกต์คอมป์ตันเอฟเฟกต์คอมป์ตันเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งที่สังเกตได้ของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างคลื่นของแสงกับธรรมชาติของอนุภาค มันอธิบายว่าทั้งพลังงานและโมเมนตัมถูกอนุรักษ์ไว้อย่างไรเมื่อโฟตอนชนกับอิเล็กตรอนที่อยู่กับที่ การรวมสมการสำหรับปริมาณพลังงานของโฟตอนกับสมการการอนุรักษ์โมเมนตัมแสดงว่าผลลัพธ์ ความยาวคลื่นของโฟตอนขาออก (อิเล็กตรอนนิ่งเริ่มต้น) สามารถทำนายได้โดยความยาวคลื่นของโฟตอนที่เข้ามาที่ให้ มันคือพลังงาน
สเปกโทรสโกปีเทคนิคของสเปกโทรสโกปีช่วยให้นักฟิสิกส์ นักเคมี นักดาราศาสตร์ และนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ วัตถุ รวมทั้งดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลด้วยการวิเคราะห์รูปแบบที่เกิดจากการแยกแสงที่เข้ามาจากวัตถุนั้นด้วย a ปริซึม. เนื่องจากองค์ประกอบต่าง ๆ ดูดซับและปล่อยโฟตอนในควอนตาที่ไม่ต่อเนื่อง ความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สังเกตได้จึงตกเป็นส่วนที่ไม่ต่อเนื่องขึ้นอยู่กับองค์ประกอบที่วัตถุนั้นมีอยู่
มวล-พลังงานสมมูลเด็กจำนวนมากสามารถท่องสมการที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์ได้E = mc2. สั้นและไพเราะ ความหมายที่แท้จริงของสมการนี้ลึกซึ้ง:มวลมและพลังงานอีมีค่าเท่ากันและสามารถแปลงเป็นกันและกันได้โดยใช้ความเร็วแสงในสุญญากาศค, ยกกำลังสอง ที่สำคัญนี้หมายความว่าวัตถุที่ไม่เคลื่อนที่ยังมีพลังงานอยู่ ในกรณีนี้คือมวลส่วนที่เหลือเรียกว่าเท่ากับพลังงานพักผ่อน.
นักฟิสิกส์อนุภาคใช้การสมมูลมวล-พลังงานเพื่อกำหนดหน่วยที่ง่ายกว่าสำหรับการวัดบางส่วน ตัวอย่างเช่น นักฟิสิกส์ควอนตัมค้นหามวลของเฟอร์มิออนหรือโบซอนโดยการเร่งอนุภาคย่อยของอะตอม เช่น โปรตอนและอิเล็กตรอน ความเร็วใกล้แสงในตัวคันเร่งขนาดยักษ์และชนเข้าด้วยกัน จากนั้นจึงวิเคราะห์ผลกระทบของ "เศษซาก" ในระบบไฟฟ้าที่มีความไวสูง อาร์เรย์
แทนที่จะให้มวลเป็นกิโลกรัม วิธีการทั่วไปในการรายงานมวลอนุภาคอยู่ในหน่วยกิกะอิเล็กตรอนโวลต์หรือ GeV ซึ่งเป็นหน่วยของพลังงาน ในการคืนค่านี้เป็นมวลในหน่วย SI ของกิโลกรัม พวกเขาสามารถใช้ความสัมพันธ์แบบง่ายนี้: 1 GeV/ค2 = 1.78266192×10−27 เค
