Фотони (квантування): визначення, властивості та двоїстість хвильових частинок

Світло - це, мабуть, одна з найдивніших тем, з якою зіткнеться студент фізики. Найшвидше у Всесвіті - це якимось чином і частинка, і хвиля - і виявляє унікальні властивості обох одночасно. Але щоєсвітло?

Розуміння чогофотониє і щоквантуваннязасіб є фундаментальним для розуміння природи світла, квантової фізики та незліченних явищ.

Фотони - це офіційна назва легких частинок. Вони можуть бути видимими для людей чи ні, оскільки тут термінсвітловикористовується у фізичному розумінні, що означає, що фотон є частинкою електромагнітного випромінювання на будь-якій частоті спектра, від радіохвиль до гамма-променів.

Фотони - цеквантованічастинка. Це означає, що вони існують лише в дискретних кількостях енергії, а не в будь-якій кількості енергії між ними. Розглядаючи більш хімічно орієнтований опис фотона як енергії, що виділяється при падінні електрона до нижчого енергетичного рівня в атомі це має сенс: електрони можуть знаходитись лише на певних орбіталях або енергії рівнів. Тут немає півкроків. Отже, якщо фотон є результатом "падаючого електрона", фотон також повинен надходити лише з певною кількістю енергії, або квантами.

Альберт Ейнштейн представив поняття квантів світла (фотонів) у статті 1905 року. Одна з чотирьох статей, опублікованих ним того року, яка здійснила революцію в науці, саме ця ідея принесла йому Нобелівську премію.

Як згадувалося раніше, світло відноситься до будь-якого типу електромагнітного випромінювання, типи якого відрізняються різними частотами (або довжинами хвиль). Ці дві міри, які є характеристиками хвиль, випливає, що світло повинно бутиелектромагнітна хвиля.​

Але зачекайте - у попередньому розділі статті світло було введено якчастинка, фотон, а не як хвиля. Це вірно. Дивна природа світла полягає в існуванні в тому, що називається подвійністю хвильових частинок:Це і хвиля, і частинка.​

Тому і "електромагнітна хвиля", і "фотон" є прийнятними дескрипторами світла. Зазвичай перша фраза використовується для опису світла, коли воно єдіючи як хвиляі останній термін, коли він єдіючи як частинка​.

Це стає важливим залежно від явищ, які досліджує фізик. У певних ситуаціях і в певних експериментах фотони діють так, як фізики очікують від частинок дії, наприклад, під час спостереження за фотоефектом. В інших ситуаціях та експериментах світло діє більше як хвилі, наприклад, при модуляції радіостанції.

Все, що обмежується дискретними значеннями, а не існує у неперервному спектрі, проходить квантування.

Квантування в атомі пояснює, що кількість енергії, яка може випромінюватися у вигляді фотона, відбуватиметься лише в кратних елементарних одиницях константи Планка,h= 6,6262 x 10 ^-34 джоуль-секунд

Ця одиниця, відкрита Максом Планком наприкінці 1800-х років, є однією з найхимерніших і найважливіших одиниць у фізиці. Він описує взаємозв'язок між частотою хвилі-частинки та її енергетичним рівнем, і таким чином встановлює нижню нижню межу визначеності, з якою ми можемо зрозуміти структуру речовини.

Одне з найбільших наслідків знання цієї межі, яке також допомогло розпочати дивну, але реальну область дослідження, відому як квантової фізики, полягає в тому, що на найменших субатомних рівнях положення частинок можна описати лише як a ймовірність. Іншими словами, лише положення субатомної частинкиабошвидкість може бути точно відома в будь-який момент часу, алене обидва​.

Визначення квантівhпривести до рівняння енергії фотона:

де енергіяЕзнаходиться в джоулях (J), константі Планкаhв джоулях-секундах (Дж) і частотіfзнаходиться в герцах (Гц).

Напевно, більшість людей думають про частинки як про крихітні одиниці речовини, розмір яких відповідно до їх маси. Це робить частинку світла особливо дивним звіром, оскільки, як одиниця чистої енергії, фотон має нульову масу.

Ще однією важливою властивістю фотонів є те, що вони завжди рухаються зі швидкістю світла, ~ 300 000 000 м / с у вакуумі порожнього простору. Світло може рухатися повільніше, ніж це - щоразу, коли він стикається з іншою речовиною, він взаємодіє з ним і сповільнюється, так що чим щільніше матеріал, через який проходить світло, тим повільніше він рухається. Однак,ніщо у Всесвіті не може подорожувати швидше світла. Не найшвидша ракета і не найшвидша атомна частинка.

• Швидкість світла, ~ 300 000 000 м / с, є найшвидшою з усіх, що можуть рухатися. Ось чому його також називають обмеженням швидкості Всесвіту.

Таким чином, розуміння світла має вирішальне значення для розуміння основних меж самого Всесвіту, від самого великого до найменшого.

Хоча світло завжди подорожує одним і тим жешвидкістьв даному середовищі, як форма електромагнітного випромінювання, воно може мати різнечастотиабодовжини хвиль. Частоти та довжини хвиль світла, коли електромагнітні хвилі змінюються обернено між собою вздовж спектру.

На найдовшій довжині хвилі і на найнижчій частоті є радіохвилі, після яких надходять мікрохвильові, інфрачервоні, видимі світлові, ультрафіолетові, рентгенівські та високоенергетичні гамма-промені, кожен з поступово коротшими довжинами хвиль і вище частоти.

Фізики в 1930-х роках почали дізнаватися, що вся речовина у Всесвіті складається з декількох основні частинки, відомі як елементарні частинки, які всі регулюються одним і тим же набором фундаментальні сили.Стандартна модельфізики частинок - це набір рівнянь, що намагаються коротко описати, як співвідносяться всі ці елементарні частинки та основні сили. Світло є важливою частиною цього універсального опису.

У розробці з 1970-х років до цього часу Стандартна модель правильно прогнозувала результати багатьох, хоча і не всіх, експериментів з квантової фізики. Яскравою проблемою, яку ще не вирішено в моделі, є те, як включити гравітацію до набору рівнянь. Крім того, він не може дати відповіді на деякі великі космологічні питання, включаючи з'ясування того, що таке темна матерія, або куди зникла вся антиматерія, створена у Великому Вибуху. Тим не менше, вона широко прийнята і вважається найкращою теорією для пояснення фундаментальної сутності нашого існування на сьогоднішній день.

У Стандартній моделі вся речовина складається з класу елементарних частинок, що називаєтьсяферміони. Ферміони бувають двох типів:кваркиаболептони. Кожна з цих категорій далі поділяється на шість частинок, пов'язаних парами, відомими якпоколінь. Перше покоління є найбільш стабільним, з більш важкими та менш стійкими частинками, що зустрічаються у другому та третьому поколіннях.

Іншими компонентами стандартної моделі є сили та частинки-носії, відомі якбозони. Кожна з чотирьох основних сил - сила тяжіння, електромагнітна, сильна і слабка - пов'язана з бозоном, який передає силу при обміні частинками речовини.

Фізики-частинки, які працюють на прискорювачах або спостерігають за зіткненнями частинок високої енергії з космосу, виявили бозони для останніх трьох сил.Фотон - це бозон, який несе електромагнітну силу у Всесвіті,глюонкарієс сильної сили іWіZчастинки несуть слабку силу. Але теоретичний бозон гравітації,гравітон, залишається невловимим.

​Випромінювання чорного тіла.Чорні тіла - це гіпотетичний тип об’єктів (ідеальних у природі не існує), які поглинають все електромагнітне випромінювання, яке потрапляє на них. По суті, будь-яке електромагнітне випромінювання, що потрапляє на чорне тіло, служить для його нагрівання, а випромінювання, яке воно видає при охолодженні, безпосередньо пов'язане з його температурою. Фізики можуть використовувати це наближення для виведення властивостей майже ідеальних чорних тіл у Всесвіті, таких як зірки та чорні діри.

Хоча хвильова природа світла допомагає описати частоти випромінювання чорних тіл, які об'єкт поглине та випромінить, його Природа частинок як фотон також допомагає описати її математично, оскільки енергії, які може містити чорне тіло, квантовані. Макс Планк був одним із перших, хто досліджував ці явища.

​Експеримент із подвійним щілиною.Центральний принцип квантової фізики, експеримент з подвійною щілиною показує, як освітлення світла на бар'єрі двома вузькими отворами призводить до виразного малюнку світлих і темних тіней, відомих якхвильова інтерференційна картина​.

Дивна частина цього полягає в тому, що один фотон, показаний через отвір, все одно буде поводитися так, ніби він заважає іншим фотонам, незважаючи на те, що він один і неподільний. Це означає, що світлова картина, яка спостерігається в експерименті, не може бути пояснена трактуванням світла як лише фотона або хвилі; це слід враховувати і те, і інше. Цей експеримент часто цитується для пояснення того, що мається на увазі під думкою про двоїстість хвильових частинок.

​Ефект Комптона.Ефект Комптона - ще один помітний приклад взаємодії між світловою хвилею і природою частинок. Він описує, як зберігаються як енергія, так і імпульс, коли фотон стикається зі стаціонарним електроном. Поєднання рівняння кількості енергії фотона з рівняннями збереження імпульсу показує, що виходить довжину хвилі вихідного фотона (спочатку ще електрона) можна передбачити за довжиною хвилі вхідного фотона, який дав це енергія.

​Спектроскопія.Методика спектроскопії дозволяє фізикам, хімікам, астрономам та іншим вченим досліджувати матеріальний склад об'єкт, включаючи далекі зірки, просто аналізуючи схеми, що виникають в результаті розщеплення вхідного світла від цього об'єкта за допомогою призма. Оскільки різні елементи поглинають і випромінюють фотони в дискретних квантах, спостерігаються довжини електромагнітних хвиль потрапляють в дискретні сегменти залежно від того, які елементи містять об'єкти.

​Еквівалентність маси та енергії.Багато дітей можуть прочитати відоме рівняння ЕйнштейнаE = mc². Короткий і солодкий, справжні наслідки цього рівняння глибокі:Масамта енергіїЕеквівалентніі можуть бути перетворені один в одного за допомогою швидкості світла у вакуумі,c, у квадраті. Це важливо означає, що об’єкт, який не рухається, все ще має енергію; в даному випадку йогомаса відпочинкуназивається рівним йогоенергія відпочинку​.

Фізики частинок використовують еквівалентність маси та енергії, щоб визначити простіші одиниці для деяких своїх вимірювань. Наприклад, квантові фізики шукають маси ферміонів або бозонів, прискорюючи субатомні частинки, такі як протони та електрони, до швидкості ближнього світла у гігантських прискорювачах і розбиваючи їх між собою, а потім аналізуючи вплив "уламків" у високочутливих електричних масиви.

Замість того, щоб давати масу в кілограмах, звичайний спосіб подання маси частинок полягає в гігаелектронвольтах або ГеВ, одиниці енергії. Щоб повернути це значення до маси в одиницях СІ в кілограмах, вони можуть скористатися таким простим співвідношенням: 1 ГэВ /c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.