Fotonlar (Kuantizasyon): Tanım, Özellikler ve Dalga-Parçacık Dualitesi

Işık, tartışmasız bir fizik öğrencisinin karşılaşacağı en tuhaf konulardan biridir. Evrendeki en hızlı şey bir şekilde hem parçacık hem de dalgadır ve her ikisinin de benzersiz özelliklerini aynı anda sergiler. Ama nedır-dirışık?

Neyi anlamakfotonlarne ve nenicemlemearaçlar, ışığın doğasını, kuantum fiziği ve sayısız ilgili fenomeni anlamak için esastır.

Fotonlar, hafif parçacıkların resmi adıdır. İnsanlar tarafından görülüp görülmeyebilirler, çünkü burada terimhafiffizik anlamında kullanılır, yani bir foton, radyo dalgalarından gama ışınlarına kadar spektrumdaki herhangi bir frekansta bir elektromanyetik radyasyon parçacığıdır.

Fotonlar birnicelenmişparçacık. Bu, aralarında herhangi bir miktarda enerji yerine, yalnızca ayrık miktarlarda enerjide var oldukları anlamına gelir. Bir elektron düştüğünde açığa çıkan enerji olarak bir fotonun daha kimya odaklı tanımı düşünüldüğünde atomda daha düşük bir enerji seviyesine kadar bu mantıklıdır: Elektronlar yalnızca belirli orbitallerde veya enerjide olabilir. seviyeler. Yarım adım yoktur. Dolayısıyla bir foton "düşen elektron"un sonucuysa, foton da yalnızca belirli enerji miktarlarında veya kuantada gelmelidir.

Albert Einstein, 1905 tarihli bir makalesinde ışık kuantumu (fotonlar) kavramını tanıttı. O yıl yayınladığı ve bilimde devrim yaratan dört makaleden biri, ona Nobel Ödülü'nü kazandıran fikirdi.

Daha önce bahsedildiği gibi, ışık, türleri farklı frekansları (veya dalga boyları) ile ayırt edilen her türlü elektromanyetik radyasyonu ifade eder. Bu iki ölçü dalgaların özellikleri olduğundan, ışığın birelektromanyetik dalga.​

Ancak bekleyin - makalenin önceki bölümünde ışık, birparçacık, foton, dalga olarak değil. Doğru. Işığın tuhaf doğası, dalga-parçacık ikiliği denen şeyde var olmaktır:Hem dalga hem de parçacıktır.​

Bu nedenle hem "elektromanyetik dalga" hem de "foton" ışığın kabul edilebilir tanımlayıcılarıdır. Genellikle ilk ifade, ışığın olduğu zaman ışığı tanımlamak için kullanılır.dalga gibi davranmakve son terim olduğundaparçacık gibi davranan​.

Bu, bir fizikçinin incelemekte olduğu fenomene bağlı olarak önem kazanır. Belirli durumlarda ve belirli deneylerde, fotonlar fizikçilerin, örneğin fotoelektrik etkiyi gözlemlerken parçacıkların hareket etmesini bekledikleri gibi davranırlar. Diğer durumlarda ve deneylerde, örneğin bir radyo istasyonunu modüle ederken olduğu gibi, ışık daha çok dalgalar gibi davranır.

Sürekli bir spektrumda var olmak yerine ayrık değerlerle sınırlandırılmış herhangi bir şey nicelemeden geçiyor.

Bir atomda nicemleme, bir foton biçiminde yayılabilen enerji miktarının yalnızca Planck sabitinin temel biriminin katlarında meydana geleceğini açıklar.h= 6.6262 x 10 ^-34 joule-saniye

1800'lerin sonlarında Max Planck tarafından keşfedilen bu birim, fizikteki en tuhaf ve önemli birimlerden biridir. Bir dalga parçacığının frekansı ile enerji seviyesi arasındaki ilişkiyi tanımlar ve böylece maddenin yapısını anlayabileceğimiz kesinlik için bir alt sınır belirler.

Bu sınırı bilmenin en büyük sonuçlarından biri, aynı zamanda bilinen garip ama gerçek çalışma alanının başlamasına da yardımcı oldu. Kuantum fiziğine göre, en küçük atom altı seviyelerde parçacıkların konumu yalnızca bir olasılık. Başka bir deyişle, yalnızca bir atom altı parçacığın konumuveyahız herhangi bir zamanda kesin olarak bilinebilir, ancakikiside değil​.

Kuantayı tanımlamahbir fotonun enerjisi için bir denkleme yol açar:

nerede enerjiEJoule (J) cinsindendir, Planck sabitidirhjoule-saniye (Js) ve frekans cinsindendirfhertz (Hz) cinsindendir.

Çoğu insan muhtemelen parçacıkları, kütlelerine göre boyutlandırılmış küçük madde birimleri olarak düşünür. Bu, ışığın parçacık biçimini özellikle garip bir canavar yapar, çünkü bir saf enerji birimi olarak bir foton sıfır kütleye sahiptir.

Fotonların bir diğer önemli özelliği de, boş uzay boşluğunda her zaman ışık hızında, ~ 300.000.000 m/sn hızla hareket etmeleridir. Işık bundan daha yavaş hareket edebilir - ne zaman başka maddelerle karşılaşırsa onunla etkileşime girer ve yavaşlar, böylece ışığın içinden geçtiği malzeme ne kadar yoğunsa, o kadar yavaş gider. Ancak,evrendeki hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez. Ne en hızlı roket ne de en hızlı atomik parçacık.

• Işık hızı, ~300.000.000 m/s, herhangi bir şeyin seyahat edebileceği en hızlı hızdır. Bu nedenle evrenin hız sınırı olarak da anılır.

Bu şekilde ışığı anlamak, en büyüğünden en küçüğüne kadar evrenin kendisinin temel sınırlarını anlamak için kritik öneme sahiptir.

Işık her zaman aynı anda hareket etse dehızBelirli bir ortamda, elektromanyetik radyasyonun bir biçimi olarak, farklı özelliklere sahip olabilir.frekanslarveyadalga boyları. Elektromanyetik dalgalar olarak ışığın frekansları ve dalga boyları, bir spektrum boyunca birbiriyle ters olarak değişir.

En uzun dalga boyunda ve en düşük frekans ucunda radyo dalgaları vardır, ardından mikrodalga, kızılötesi, görünür ışık, ultraviyole, X-ışını ve yüksek enerjili gama ışınları, her biri giderek daha kısa dalga boylarına ve daha yüksek frekanslar.

1930'larda fizikçiler, evrendeki tüm maddenin birkaç maddeden oluştuğunu öğrenmeye başladılar. hepsi aynı küme tarafından yönetilen temel parçacıklar olarak bilinen temel parçacıklar temel kuvvetler.Standart ModelParçacık fiziğinin tanımı, tüm bu temel parçacıkların ve temel kuvvetlerin nasıl ilişkili olduğunu kısa ve öz bir şekilde tanımlamaya çalışan bir denklemler kümesidir. Işık, bu evrensel tanımlamanın kritik bir parçasıdır.

1970'lerden beri geliştirilmekte olan Standart Model, şimdiye kadar kuantum fiziği deneylerinin tümü olmasa da pek çok sonucunu doğru bir şekilde tahmin etmiştir. Modelde henüz çözülmemiş göze çarpan bir problem, yerçekiminin denklem setine nasıl dahil edileceğidir. Buna ek olarak, karanlık maddenin ne olduğunu veya Big Bang'de yaratılan tüm antimaddenin nerede kaybolduğunu bulmak da dahil olmak üzere bazı büyük kozmolojik sorular hakkında cevaplar sağlayamıyor. Yine de, bugüne kadar varlığımızın temel doğasını açıklamak için yaygın olarak kabul edilmekte ve en iyi teori olarak kabul edilmektedir.

Standart Modelde, tüm maddeler temel parçacıklar sınıfından oluşur.fermiyonlar. Fermiyonlar iki tipte gelir:kuarklarveyaleptonlar. Bu kategorilerin her biri ayrıca çiftler halinde ilişkili altı parçacığa bölünmüştür.nesiller. Birinci nesil, ikinci ve üçüncü nesillerde bulunan daha ağır ve daha az kararlı parçacıklar ile en kararlı olanıdır.

Standart modelin diğer bileşenleri, kuvvetler ve taşıyıcı parçacıklardır.bozonlar. Dört temel kuvvetin her biri – yerçekimi, elektromanyetik, güçlü ve zayıf – kuvveti madde parçacıklarıyla değiş tokuş eden bir bozonla ilişkilidir.

Hızlandırıcılarda çalışan veya uzaydan gelen yüksek enerjili parçacık çarpışmalarını izleyen parçacık fizikçileri, son üç kuvvet için bozonlar belirlediler.Foton, evrendeki elektromanyetik kuvveti taşıyan bozondur.,gluongüçlü kuvveti veWveZparçacıklar zayıf kuvveti taşır. Ama yerçekimi için teorik bozon,graviton, muğlak kalır.

​Siyah vücut radyasyonu.Kara cisimler, kendilerine çarpan tüm elektromanyetik radyasyonu emen varsayımsal bir nesne türüdür (doğada mükemmel olanlar yoktur). Özünde, bir kara cisme çarpan herhangi bir elektromanyetik radyasyon onu ısıtmaya hizmet eder ve bu nedenle soğurken yaydığı radyasyon sıcaklığı ile doğrudan ilişkilidir. Fizikçiler, yıldızlar ve kara delikler gibi evrendeki mükemmele yakın kara cisimlerin özelliklerini çıkarmak için bu yaklaşımı kullanabilirler.

Işığın dalga doğası, bir nesnenin emeceği ve yayacağı kara cisim radyasyonunun frekanslarını tanımlamaya yardımcı olurken, Bir foton olarak parçacık doğası, kara cismin içerebileceği enerjiler nicelleştirildiğinden, onu matematiksel olarak tanımlamaya da yardımcı olur. Max Planck, bu fenomeni ilk araştıranlardan biriydi.

​Çift yarık deneyi.Kuantum fiziğinin temel ilkelerinden biri olan çift yarık deneyi, iki dar açıklığı olan bir bariyere ışık tutmanın nasıl belirgin bir açık ve koyu gölge modeliyle sonuçlandığını gösteriyor.dalga girişim deseni​.

Bunun tuhaf yanı, açıklıktan gösterilen tek bir fotonun, tek başına ve bölünemez olmasına rağmen, diğer fotonlara müdahale ediyormuş gibi davranmaya devam etmesidir. Bu, deneyde gözlemlenen ışık düzeninin, ışığın yalnızca bir foton veya bir dalga olarak ele alınmasıyla açıklanamayacağı anlamına gelir; her ikisi de düşünülmelidir. Bu deney, dalga-parçacık ikiliği fikrinin ne anlama geldiğini açıklarken sıklıkla alıntılanır.

​Compton etkisi.Compton etkisi, ışığın dalga ve parçacık doğaları arasındaki etkileşimin bir başka gözlemlenebilir örneğidir. Bir foton durağan bir elektronla çarpıştığında hem enerjinin hem de momentumun nasıl korunduğunu açıklar. Bir fotonun enerji miktarı denklemini momentum korunum denklemleriyle birleştirmek, ortaya çıkan Giden fotonun dalga boyu (başlangıçta hareketsiz elektron), gelen fotonun dalga boyu ile tahmin edilebilir. o enerji.

​Spektroskopi.Spektroskopi tekniği, fizikçilerin, kimyagerlerin, astronomların ve diğer bilim adamlarının bir maddenin malzeme yapısını araştırmalarına izin verir. uzak yıldızlar da dahil olmak üzere, yalnızca o nesneden gelen ışığın bir prizma. Farklı elementler ayrı kuantalarda fotonları emip yaydıkları için, gözlemlenen elektromanyetik dalga boyları, nesnelerin hangi elementleri içerdiğine bağlı olarak ayrı bölümlere ayrılır.

​Kütle-enerji denkliği.Pek çok çocuk Einstein'ın ünlü denklemini ezbere okuyabilirE = mc². Kısa ve tatlı, bu denklemin gerçek sonuçları çok derin:kitlemve enerjiEeşdeğerdirve boşlukta ışık hızı kullanılarak birbirine dönüştürülebilir,c, kare. Bu, önemli ölçüde, hareket etmeyen bir nesnenin hala enerjisi olduğunu ima eder; bu durumda onundinlenme kütlesieşit olduğu söyleniyordinlenme enerjisi​.

Parçacık fizikçileri, bazı ölçümleri için daha basit birimler belirlemek için kütle-enerji denkliğini kullanır. Örneğin kuantum fizikçileri, protonlar ve elektronlar gibi atom altı parçacıkları hızlandırarak fermiyonların veya bozonların kütlelerini ararlar. dev hızlandırıcılarda ışık hızına yakın hızlar ve onları bir araya getirmek ve daha sonra "enkazın" etkilerini son derece hassas elektriksel olarak analiz etmek diziler.

Bununla birlikte, kütleyi kilogram olarak vermek yerine, parçacık kütlelerini bildirmenin yaygın yolu giga-elektron-volt veya bir enerji birimi olan GeV'dir. Bu değeri SI kilogram birimindeki bir kütleye döndürmek için şu basit ilişkiyi kullanabilirler: 1 GeV/c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.