Ljus är utan tvekan ett av de konstigaste ämnena en fysikstudent kommer att stöta på. Det snabbaste i universum är på något sätt både en partikel och en våg - och uppvisar båda unika egenskaper samtidigt. Men vad är ljus? Att förstå vad fotoner är och vilka kvantisering och medel är grundläggande för att förstå ljusets natur, kvantfysik och myriad relaterade fenomen. Fotoner är det formella namnet på ljuspartiklar. De kan vara synliga för människor eller inte, eftersom här används ljus Fotoner är en kvantiserad och partikel. Detta betyder att de bara finns i separata mängder energi snarare än någon mängd energi däremellan. När man betraktar den mer kemiorienterade beskrivningen av en foton som den energi som frigörs när en elektron faller till en lägre energinivå i atomen är det meningsfullt: Elektroner kan bara vara i specifika orbitaler eller energinivåer. Det finns inga halvsteg. Så om en foton är resultatet av en "fallande elektron", måste en foton också endast komma i specifika energimängder, eller kvanta. Albert Einstein introducerade idén om ljuskvanta (fotoner) i ett papper från 1905. Ett av fyra artiklar som han publicerade det året som revolutionerade vetenskapen, det var idén som vann honom Nobelpriset. Som nämnts tidigare hänvisar ljus till alla typer av elektromagnetisk strålning, typer som kännetecknas av deras olika frekvenser (eller våglängder). Dessa två mått är egenskaper för vågor, följaktligen att ljus måste vara en elektromagnetisk våg. Men vänta - i det föregående avsnittet av artikeln infördes ljus som en partikel Därför är både "elektromagnetisk våg" och "foton" acceptabla ljusbeskrivningar. Vanligtvis används den första frasen för att beskriva ljus när den fungerar som en våg och den senare termen när den fungerar som en partikel. Detta blir viktigt beroende på fenomen som en fysiker undersöker. I vissa situationer och i vissa experiment fungerar fotoner som fysiker förväntar sig att partiklar verkar till exempel när de observerar den fotoelektriska effekten. I andra situationer och experiment fungerar ljus mer som vågor, till exempel vid modulering av en radiostation. Vad är kvantisering? Allt som begränsas till diskreta värden snarare än existerande på ett kontinuerligt spektrum genomgår kvantisering. Kvantisering i en atom förklarar att den mängd energi som kan släppas ut i form av en foton endast kommer att ske i multiplar av elementenheten Plancks konstant, h h \u003d 6.6262 x 10 -34 joule-sekunder Den här enheten, upptäckt av Max Planck i slutet av 1800-talet, är en av de mest bisarra och viktiga enheterna i fysiken. Den beskriver förhållandet mellan en vågpartikelns frekvens och dess energinivå och sätter därmed en lägre undre gräns för säkerheten med vilken vi kan förstå materiens struktur. En av de största förgreningarna för att känna till denna gräns , som också hjälpte till att börja det udda men verkliga studiefältet känt som kvantfysik, är att vid de minsta subatomära nivåerna kan partiklarnas position endast beskrivas som en sannolikhet. Sagt på ett annat sätt, bara en subatomarpartikelns position eller E \u003d hf där energi E De flesta tänker förmodligen på partiklar som små materiaenheter, som är dimensionerade efter deras massor. Detta gör partikelformen av ljus till ett särskilt konstigt djur, eftersom en foton som en enhet av ren energi har nollmassa. En annan viktig egenskap hos fotoner är att de alltid reser med ljusets hastighet, ~ 300.000.000 m /s i vakuumet från tomt utrymme. Ljus kan röra sig långsammare än så - närhelst det stöter på annat ämne interagerar det med det och saktar ner, så ju tätare materialet genom vilket ljuset rör sig, desto långsammare går det. Ingenting i universum kan dock resa snabbare än ljus. Inte den snabbaste raketen eller den mest accelererade atompartikeln. Tips Ljushastigheten, ~ 300.000.000 m /s, är den snabbaste som någonting kan resa. Det är därför det också kallas universums hastighetsgräns. På detta sätt är förståelse av ljus avgörande för att förstå de grundläggande gränserna för själva universumet, från dess allra största till dess allra minsta. Även om ljus alltid reser med samma hastighet Vid den längsta våglängden och den lägsta frekvensändan finns radiovågor, varefter mikrovågsugn, infrarött, synligt ljus, ultraviolett, X- strålar och gamma-strålar med hög energi, var och en med successivt kortare våglängder och högre frekvenser. Fysiker på 1930-talet började lära sig att allt ämnet i universum är sammansatt av några grundläggande partiklar, kända som elementära partiklar, som alla styrs av samma uppsättning grundläggande krafter. Standardmodellen för partikelfysik är en uppsättning ekvationer som försöker beskriva kortfattat hur alla dessa elementära partiklar och de grundläggande krafterna hänger samman. Ljus är en kritisk del av denna universella beskrivning. Under utvecklingen sedan 1970-talet har Standardmodellen hittills korrekt förutspått resultaten från många, men inte alla, kvantfysikförsök. Ett bländande problem som ännu inte har lösts i modellen är hur man kan integrera tyngdkraften i uppsättningen ekvationer. Dessutom misslyckas det med att ge svar om några stora kosmologiska frågor, inklusive att ta reda på vad mörk materia är eller var försvann all antimateria som skapades i Big Bang. Fortfarande är det allmänt accepterat och anses vara den bästa teorin för att förklara den grundläggande naturen i vår existens hittills. I standardmodellen består all materia av en klass av elementära partiklar som kallas fermioner De andra komponenterna i standardmodellen är krafter och bärarpartiklar, kända som bosoner Partikelfysiker som arbetar vid acceleratorer eller tittar på partikler i hög energi rymden har identifierat bosoner för de senare tre krafterna. Fotonen är bosonen som bär den elektromagnetiska kraften i universum, gluon och karies den starka kraften och W Blackbody-strålning. Blackbodies är en hypotetisk typ av objekt (perfekta finns inte i naturen) som absorberar all den elektromagnetiska strålningen som träffar dem. I huvudsak tjänar all elektromagnetisk strålning som träffar en svart kropp för att värma den och strålningen som den avger under kylning är därför direkt relaterad till dess temperatur. Fysiker kan använda denna approximation för att härleda egenskaperna hos nästan perfekta svartkroppar i universum, till exempel stjärnor och svarta hål. Medan ljusets vågkaraktär hjälper till att beskriva frekvenserna för svartkroppsstrålning som ett objekt kommer att absorbera och avge, dess partikelkaraktär som en foton hjälper också till att beskriva den matematiskt, eftersom de energier den svarta kroppen kan innehålla är kvantiserade. Max Planck var bland de första som undersökte detta fenomen. Dubbelslitsexperimentet. Dubbelslitsexperimentet är en central del av kvantefysiken och visar hur skenning av ljus på en barriär med två smala öppningar resulterar i ett distinkt mönster av ljusa och mörka skuggor kända som ett våginterferensmönster. Det konstiga med detta är att en enda foton som visas genom öppningen fortfarande kommer att uppträda som om den stör andra fotoner, trots att den är ensam och odelbar. Detta för att säga att ljusmönstret som observerats i experimentet inte kan förklaras genom att behandla ljus som endast en foton eller en våg; "it must be considered both.", 3, [[Experimentet citeras ofta för att förklara vad som menas med idén om våg-partikeldualitet. Compton-effekten. Compton-effekten är ett annat observerbart exempel på samspelet mellan ljusets våg och partikelnatur. Den beskriver hur både energi och drivkraft bevaras när en foton kolliderar med en stationär elektron. Att kombinera ekvationen för mängden energi hos en foton med momentumbevarande ekvationer visar att den resulterande våglängden för den utgående fotonen (den ursprungligen fortfarande elektron) kan förutsägas av våglängden för den inkommande fotonen som gav den energi. spektroskopi. Spektroskopistekniken gör det möjligt för fysiker, kemister, astronomer och andra forskare att undersöka materialens sammansättning av ett objekt, inklusive avlägsna stjärnor, helt enkelt genom att analysera mönstren som är resultatet av att dela in inkommande ljus från det objektet med ett prisma. Eftersom olika element absorberar och avger fotoner i diskret kvanta, faller de observerade elektromagnetiska våglängderna i diskreta segment beroende på vilka element objekten innehåller. Mass-energiekvivalens. Massor av barn kan recitera Einsteins berömda ekvation E \u003d mc 2 Partikelfysiker använder massenergiekvivalens för att bestämma enklare enheter för några av deras mätningar. Till exempel söker kvantefysiker efter massorna av fermioner eller bosoner genom att påskynda subatomära partiklar som protoner och elektroner till nära ljushastigheter i gigantiska acceleratorer och krossa dem tillsammans och sedan analysera effekterna av "skräp" i mycket känsliga elektriska matriser. Istället för att ge en massa i kilogram, är emellertid det vanliga sättet att rapportera partikelmassor i giga-elektron-volt, eller GeV, en energienhet. För att återställa detta värde till en massa i SI-enheten för kilogram kan de använda detta enkla förhållande: 1 GeV / c
Vad är fotoner?
i fysikens mening, vilket innebär att en foton är en partikel av elektromagnetisk strålning vid valfri frekvens på spektrumet, från radiovågor till gammastrålar .
Wave-Particle Duality |
, fotonen, inte som en våg. Detta är rätt. Ljus konstiga karaktär är att existera i det som kallas vågpartikeldualitet: Det är både en våg och en partikel.
.
hastighet kan kännas med säkerhet vid en viss tidpunkt, men inte båda.. <<> Definiera kvanta h
leder till en ekvation för en fotons energi:
är i joules (J), Plancks konstant < em> h
är i joule-sekunder (Js) och frekvens f
är i hertz (Hz).
Egenskaper hos fotoner och elektromagnetisk strålning |
i ett visst medium, som en form av elektromagnetisk strålning, kan det ha olika frekvenser
eller < em> våglängder
. Ljusens frekvenser och våglängder som elektromagnetiska vågor förändras omvänt med varandra längs ett spektrum.
Elementära partiklar och standardmodellen för partikelfysik
. Fermioner finns i två typer: kvarkar eller eller leptoner och. Var och en av dessa kategorier är vidare indelad i sex partiklar, relaterade i par som kallas generationer
. Den första generationen är den mest stabila, med tyngre och mindre stabila partiklar som finns i andra och tredje generationen.
. Var och en av de fyra grundläggande krafterna - tyngdkraft, elektromagnetisk, stark och svag - är förknippad med en boson som förmedlar kraften i utbyten med materiapartiklar.
och Z
partiklar bär den svaga kraften. Men den teoretiska boson för gravitation, graviton
, förblir svårfångad.
Selected Light Phenomena
. Kort och söt, de verkliga implikationerna av denna ekvation är djupa: Mass m
och energi E
är ekvivalenta och kan konverteras till varandra med ljusets hastighet i ett vakuum, c
, kvadrat. Detta innebär viktigt att ett objekt som inte rör sig fortfarande har energi; i detta fall sägs dess vilamassa och motsvara viljanergin
.
2 \u003d 1.78266192 × 10 −27 k.
