Розуміння частково-хвильової подвійності електромагнітного випромінювання (світла) є фундаментальним для розуміння квантової теорії та інших явищ, а також природи світла. Однією з найбільших наукових розробок минулого століття було відкриття того, що дуже маленькі предмети не підкоряються тим самим правилам, що й повсякденні предмети.
Що таке електромагнітні хвилі?
Простіше кажучи, електромагнітні хвилі просто відомі як світло, хоча термін світло іноді використовується для позначення видимого світла (те, що може бути виявлене оком), а інший час використовується більш загально для позначення всіх форм електромагнітних випромінювання.
Щоб повністю зрозуміти електромагнітні хвилі, важливо зрозуміти поняття поля та взаємозв'язок між електрикою та магнетизмом. Це буде пояснено більш докладно в наступному розділі, але по суті, електромагнітні хвилі (світлові хвилі) складаються з хвилі електричного поля, що коливається в площині, перпендикулярній (під прямим кутом) до магнітного поля хвиля.
Якщо електромагнітне випромінювання діє як хвиля, то будь-яка конкретна електромагнітна хвиля буде мати пов'язану з нею частоту та довжину хвилі. Частота - це число коливань в секунду, виміряне в герцах (Гц), де 1 Гц = 1 / с. Довжина хвилі - це відстань між гребенями хвиль. Добуток частоти та довжини хвилі дає швидкість хвилі, яка для світла у вакуумі становить приблизно 3 × 10
8 РС.На відміну від більшості хвиль (наприклад, звукових хвиль, наприклад), електромагнітні хвилі не потребують середовища, через яке проходять поширюються, а отже, можуть пройти вакуум порожнього простору, що вони роблять зі швидкістю світла - найшвидшою швидкістю в Всесвіт!
Поля та електромагнетизм
Поле можна сприймати як невидимий масив векторів, по одному в кожній точці простору, що вказує на відносну величину та напрямок сили, яку відчував би об'єкт, розмістившись у цій точці. Наприклад, гравітаційне поле поблизу поверхні Землі могло б складатися з вектора в кожній точці простору, спрямованого прямо до центру Землі. На однаковій висоті всі ці вектори мали б однакову величину.
Якби масу розміщували у даній точці, тоді сила тяжіння, яку вона відчуває, залежала б від її маси та значення поля там. Електричні та магнітні поля працюють однаково, за винятком того, що вони застосовують сили, що залежать від заряду та магнітного моменту об'єкта, замість його маси.
Електричне поле виникає безпосередньо внаслідок існування зарядів, подібно до того як гравітаційне поле виникає безпосередньо від маси. Однак джерелом магнетизму є рухомий заряд (або, що еквівалентно, зміна електричних полів).
У 1860-х роках фізик Джеймс Клерк Максвелл розробив набір з чотирьох рівнянь, які повністю описували взаємозв'язок між електрикою та магнетизмом. Ці рівняння в основному показали, як електричні поля генеруються зарядами, як не існує фундаментальних магнітних монополів, як зміна магнітних полів може генерувати електричне поле, і як струм або мінливі електричні поля можуть генерувати магнітне поля.
Незабаром після виведення цих рівнянь було знайдено рішення, що описує саморозповсюджується електромагнітну хвилю. Передбачалося, що ця хвиля рухатиметься зі швидкістю світла, і справді виявилася справді світлою!
Електромагнітний спектр
Електромагнітні хвилі можуть мати різну довжину хвилі та частоту, якщо добуток довжини хвилі та частоти даної хвилі дорівнюєc, швидкість світла. Форми електромагнітного випромінювання включають (від більш довгих хвиль / низької енергії до коротших довжин хвиль / високої енергії):
- Радіохвилі (0,187 м - 600 м)
- Мікрохвильові печі (1 мм - 187 мм)
- Інфрачервоні хвилі (750 нм - 1 мм)
- Видиме світло (400 нм - 750 нм; ці довжини хвиль виявляються людським оком і часто поділяються на видимий спектр)
- Ультрафіолетове світло (10 нм - 400 нм)
- Рентген (10-12 м - 10 нм)
- Гамма-промені (<10-12 м)
Що таке фотони?
Фотони - це назва квантованих частинок світла або електромагнітного випромінювання. Альберт Ейнштейн представив поняття квантів світла (фотонів) у роботі на початку 20 століття.
Фотони безмасові, і вони не підкоряються законам збереження чисел (тобто вони можуть бути створені та знищені). Однак вони підкоряються енергозбереженню.
Насправді, фотони вважаються класом частинок, що є носіями сили. Фотон є посередником електромагнітної сили і діє як пакет енергії, який може передаватися з одного місця в інше.
Ви, мабуть, думаєте, що досить дивно раптом говорити про електромагнітні хвилі як про частинки, оскільки хвилі та частинки здаються двома принципово різними конструкціями. Дійсно, саме така штука робить фізику дуже малого такою дивною. У кількох наступних розділах поняття квантування та подвійність частинок-хвиля обговорюються більш докладно.
Як виробляються електромагнітні хвилі або фотони?
Електромагнітні хвилі виникають в результаті коливань в електричному та магнітному полях. Якщо заряд рухається вперед-назад уздовж дроту, він створює мінливе електричне поле, яке, в свою чергу, створює мінливе магнітне поле, яке потім самопоширюється.
Атоми та молекули, що містять рухомий заряд у вигляді електронних хмар, здатні цікаво взаємодіяти з електромагнітним випромінюванням. В атомі електронам дозволено існувати лише у дуже специфічних квантованих енергетичних станах.
Якщо електрон хоче перебувати в нижчому енергетичному стані, він може це зробити, випромінюючи дискретний пакет електромагнітного випромінювання, щоб віднести енергію. І навпаки, для того, щоб перейти в інший енергетичний стан, той самий електрон повинен також поглинути цілком специфічний дискретний пакет енергії.
Енергія, пов’язана з електромагнітною хвилею, залежить від частоти хвилі. Як такі, атоми можуть поглинати і випромінювати лише дуже специфічні частоти електромагнітного випромінювання, що відповідає пов'язаним з ними квантованим рівням енергії. Ці енергетичні пакети називаютьсяфотони.
Що таке квантування?
Квантуваннявідноситься до чогось, що обмежується дискретними значеннями у віршах безперервного спектру. Коли атоми поглинають або випромінюють один фотон, вони роблять це лише за дуже специфічних квантованих значень енергії, описаних квантовою механікою. Цей "єдиний фотон" справді можна сприймати як дискретний "хвильовий пакет".
Кількість енергії може виділятися лише кратними елементарній одиниці (константа Планкаh). Рівняння, яке пов'язує енергіюЕфотона до його частоти:
E = h \ nu
Деν(грецька буква nu) - це частота фотона і константа Планкаh = 6.62607015 × 10-34 Js.
Подвійність хвильових частинок
Ви почуєте, як люди вживають словафотоніелектромагнітне випромінюваннявзаємозамінні, хоча здається, що це різні речі. Говорячи про фотони, люди зазвичай говорять про властивості частинок цього явища, тоді як коли вони говорять про електромагнітні хвилі або випромінювання, вони говорять про хвилеподібні властивості.
Фотони або електромагнітне випромінювання виявляють так зване подвійність частинок і хвиль. У певних ситуаціях та в певних експериментах фотони проявляють поведінку, подібну до частинок. Одним з прикладів цього є фотоефект, коли промінь світла, потрапляючи на поверхню, викликає вивільнення електронів. Особливості цього ефекту можна зрозуміти лише в тому випадку, якщо світло розглядається як дискретні пакети, які електрони повинні поглинути, щоб випромінюватися.
В інших ситуаціях та експериментах вони діють більше як хвилі. Яскравим прикладом цього є інтерференційні картини, що спостерігаються в експериментах з однією чи кількома щілинами. У цих експериментах світло проходить через вузькі, близько розташовані щілини, які діють як множинні фази джерел світла, і як результат, він створює інтерференційну картину, що відповідає тому, що ви бачили б у хвиля.
Ще дивніше, що фотони - не єдине, що демонструє цю подвійність. Дійсно, всі основні частинки, навіть електрони і протони, здається, поводяться таким чином. Чим більша частинка, тим коротша її довжина хвилі, і тим меншою буде ця подвійність. Ось чому ви не помічаєте нічого подібного у повсякденному житті.