Představte si šachtu žlutého slunečního světla zářící oknem. Podle kvantové fyziky je paprsek vyroben ze zillionů malých paketů světla, nazývaných fotony, proudících vzduchem. Ale co přesně je foton?
Definice
foton je nejmenší diskrétní množství nebo vyzáření kvanta elektromagnetického záření., Je to základní jednotka veškerého světla.
Fotony jsou vždy v pohybu a ve vakuu, cestování konstantní rychlostí, aby všichni pozorovatelé 2.998 x 108 m/s. To je obyčejně odkazoval se na jako rychlost světla, označený písmenem c.
podle Einsteinova kvantová teorie, fotonů má energii rovnající se jejich frekvence kmitání krát Planckova konstanta. Einstein dokázal, že světlo je tok fotonů, energie těchto fotonů je výška jejich frekvence kmitání a intenzita světla odpovídá počtu fotonů., V podstatě vysvětlil, jak proud fotonů může působit jako vlna i částice.
Photon vlastnosti
základní vlastnosti fotonů, jsou:
- mají nulovou hmotnost a zbytek energie. Existují pouze jako pohyblivé částice.
- jsou to elementární částice, přestože postrádají klidovou hmotnost.
- nemají elektrický náboj.
- jsou stabilní.
- jsou to částice spin – 1, Které z nich činí bosony.
- nesou energii a hybnost, které jsou závislé na frekvenci.,
- mohou mít interakce s jinými částicemi, jako jsou elektrony, jako je Comptonův efekt.
- mohou být zničeny nebo vytvořeny mnoha přírodními procesy, například když je záření absorbováno nebo emitováno.
- když jsou v prázdném prostoru, cestují rychlostí světla.
historie
povaha světla — ať už jej považujete za částice nebo vlnu-byla jednou z největších vědeckých debat. Po staletí filozofové a vědci argumentovali o záležitosti, která byla sotva vyřešena před sto lety.,
učedníci šestého století před naším letopočtem větev hinduistické filozofie s názvem Vaisheshika měli překvapivou fyzickou intuici o světle. Stejně jako starověcí Řekové věřili, že svět je založen na „atomech“ země, vzduchu, ohně a vody. Samotné světlo bylo považováno za takové velmi rychle se pohybující atomy zvané tejas. To je pozoruhodně podobná naší moderní teorie světla a jeho skládání fotony, termín razil tisíce let později v roce 1926 chemik Gilbert Lewis a optický fyzik jménem Frithiof Wolfers.,
později, kolem roku 300
renesance by ohlašovala nový věk vědeckého zkoumání povahy světla., Poznámky jsou René Descartes‘ invaze v roce 1637 esej s názvem La dioptrique, kde tvrdil, že světlo je vyrobeno z impulsů, které se šíří okamžitě při kontaktu s „koule“ ve střední. Později napsal v Traité de la lumière publikoval v roce 1690, Christiaan Huygens zacházeno světlo jako stlačitelné vlny v elastickém médiu, stejně jako zvukové tlakové vlny. Huygens ukázal, jak udělat odražené, lomené a promítané vlny světla a také vysvětlil dvojí lom.
do této doby se vědci rozdělili na dva zakořeněné tábory., Jedna strana věřila, že světlo je vlna, zatímco druhý pohled byl světla jako částice nebo krvinky. Velký mistr takzvaných ‚corpuscularists‘ nebyl nikdo jiný než Isaac Newton, široce věřil jako největší vědec vůbec. Newton neměl rád teorii vln, protože to by znamenalo, že světlo by bylo schopno zabloudit příliš daleko do stínu.
po většinu 18. století dominovala korpuskulární teorie debatě o povaze světla., Ale pak, v Květnu Roku 1801 Thomas Young představil světu jeho nyní slavný dvouštěrbinový experiment, kde prokázal interference světelných vln.
v první verzi experimentu Young ve skutečnosti nepoužíval dvě štěrbiny, ale spíše jednu tenkou kartu., Fyzik jednoduše zakryl okno kusem papíru s malým otvorem, který sloužil k nálevce tenkého paprsku světla. S kartou v ruce byl mladý svědkem toho, jak se paprsek rozdělil na dva. Světlo procházející na jedné straně karty zasahovaly světlo z druhé strany karty vytvořit třásně, které by mohly být pozorovány na protější stěně. Později Young použil tato data k výpočtu vlnových délek různých barev světla a výrazně se přiblížil moderním hodnotám. Demonstrace by poskytla solidní důkaz, že světlo je vlna, ne částice.,
Mezitím, tentokrát ve Francii, corpuscularist hnutí bylo získání páry po poslední vývoj připisuje polarizace světla, aby se nějaká asymetrie mezi světla krvinky. Utrpěli velkou porážku v ruce Augustina Fresnela, který v roce 1821 ukázal, že polarizaci lze vysvětlit, pokud by světlo bylo příčnou vlnou bez podélných vibrací. Dříve Fresnel také přišel s přesnou vlnovou teorií difrakce.
v tomto bodě bylo pro Newtonovy následovníky málo stabilního důvodu, aby pokračovali v debatě., Zdálo se, že světlo je vlna a to je vše. Problém byl, že bájný éter — tajemné médium, potřebné k podpoře elektromagnetické pole a výnos Fresnelovy zákony šíření — chybí i přes nejlepší úsilí, aby ho najít. Vlastně nikdo.
obrovský průlom přišel v roce 1861, kdy James Clerk Maxwell kondenzované experimentální a teoretické znalosti o elektřině a magnetismu v 20 rovnic. Maxwell předpověděl „elektromagnetickou vlnu“, která se může sama udržet, a to i ve vakuu, v nepřítomnosti konvenčních proudů., To znamená, že pro šíření světla není nutný žádný éter! Navíc, on předpovídal, rychlost této vlny bude 310,740,000 m s−1 — to je jen pár procent, přesnou hodnotu rychlosti světla.
„dohoda výsledků se zdá, ukazují, že světlo a magnetismus jsou postižení stejnou látku, a světlo je elektromagnetické rušení šíří polem podle elektromagnetických zákonů“, napsal Maxwell v roce 1865.,
od tohoto dne byl koncept světla poprvé spojen s konceptem elektřiny a magnetismu.
dne 14. prosince 1900 Max Planck prokázal, že tepelné záření bylo emitováno a absorbováno v diskrétních paketech energetických kvant. Později Albert Einstein v roce 1905 ukázal, že to platí i pro světlo. Einstein použil termín Lichtquant neboli kvantum světla. Nyní, na úsvitu 20. století, by nová revoluce ve fyzice opět závisela na povaze světla. Tentokrát nejde o to, zda je světlo krepuskulem nebo vlnou., Ať už je to obojí, nebo ne.
Moderní teorie světla a fotony
Einstein věřil, že světlo je částice (foton) a tok fotonů je vlna. Německý fyzik byl přesvědčen, že světlo má částicovou povahu po jeho objevu fotoelektrického jevu, v němž elektrony létat z kovového povrchu vystaveny světlu. Kdyby bylo světlo vlnou, nemohlo se to stát. Další záhadnou záležitostí je, jak se fotoelektrony množí, když je aplikováno silné světlo., Einstein vysvětlil fotoelektrický efekt tím, že řekl, že „světlo samo o sobě je částice“, za kterou by později získal Nobelovu cenu za fyziku.
hlavním bodem Einsteinovy kvantové teorie světla je to, že energie světla souvisí s jeho kmitočtovou frekvencí. On tvrdil, že fotony mají energii rovno „Planckova konstanta krát frekvence kmitání,“ a tato energie fotonu je výška frekvence kmitání, zatímco intenzita světla odpovídá počtu fotonů., Různé vlastnosti světla, což je typ elektromagnetické vlny, jsou způsobeny chováním extrémně malých částic nazývaných fotony, které jsou neviditelné pouhým okem.
Einstein se domnívali, že když elektrony ve hmotě se srazí s fotony, bývalý bere ta energie a letí ven a že vyšší frekvence kmitání fotonů, které udeří, tím větší je elektronová energie, která přijde létání ven. Někteří z vás mají pracovní důkaz o této myšlence ve svém vlastním domě — jsou to solární panely!, Stručně řečeno, říká, že světlo je tok fotonů, energie těchto fotonů je výška jejich frekvence kmitání a intenzita světla je závislá na počtu fotonů.
Einstein dokázal svou teorii dokázat odvozením Planckovy konstanty z jeho experimentů na fotoelektrickém efektu. Jeho výpočty poskytnuté Planckova konstanta hodnotu 6.6260755 x 10-34 což je přesně to, co Max Planck získal v roce 1900 prostřednictvím svého výzkumu na elektromagnetické vlny., Jednoznačně to poukázalo na intimní vztah mezi vlastnostmi a kmitočtem světla jako vlny a vlastnostmi a hybností světla jako částice. Později, během dvacátých let, rakouský fyzik Erwin Schrödinger vypracoval tyto myšlenky svou rovnicí pro funkci kvantové vlny, aby popsal, jak vypadá vlna.
Více než sto let, co Einstein ukázal, dvojí povaha světla, Švýcarský fyziky na École Polytechnique Fédérale de Lausanne zachyceny vůbec první snímek této dvojí chování., Tým vedený Fabriziem Carbonem provedl v roce 2015 chytrý experiment, ve kterém byl laser použit k palbě na nanowire, což způsobilo vibrace elektronů. Světlo cestuje po tomto malém drátu ve dvou možných směrech, jako auta na dálnici. Když se vlny cestující v opačných směrech setkávají, vytvářejí novou vlnu, která vypadá, jako by stála na místě. Zde se tato stojatá vlna stává zdrojem světla pro experiment, vyzařující kolem nanowire. Vypálil nový paprsek elektronů, aby zobrazil stálou vlnu světla, která působí jako otisk prstu vlnové povahy světla., Výsledek lze vidět níže.
jak foton vypadá
Přemýšleli jste někdy, jaký tvar má foton? Vědci tuto otázku přemýšlejí po celá desetiletí a nakonec v roce 2016 polští fyzici vytvořili vůbec první hologram jediné světelné částice. Tým na Univerzitě ve Varšavě udělal hologram odpálením dvou světelných paprsků na beamsplitter, z kalcitových krystalů, ve stejnou dobu., Beamsplitter je podobný křižovatce semaforu, takže každý foton může buď projít rovně nebo odbočit. Když je foton sám o sobě, každá cesta je stejně pravděpodobná, ale když je zapojeno více fotonů, interagují a šance se mění. Pokud znáte vlnovou funkci jednoho z fotonů, je možné zjistit tvar druhého z pozic záblesků, které se objevují na detektoru. Výsledný obraz vypadá trochu jako maltský kříž, stejně jako vlnová funkce předpovídaná ze Schrödingerovy rovnice.,
Fakta o fotony
- nejen, že je světlo tvořeno fotony, ale všechny elektromagnetické energie (tj. mikrovlny, rádiové vlny, rentgenové paprsky) se skládá z fotonů.
- původní koncept fotonu byl vyvinut Albertem Einsteinem. Byl to však vědec Gilbert N. Lewis, který poprvé použil slovo „foton“ k jeho popisu.,
- teorie, která uvádí, že světlo se chová jako vlna a částice, se nazývá teorie duality vlnových částic.
- fotony jsou vždy elektricky neutrální. Nemají žádný elektrický náboj.
- fotony se samy nerozkládají.
Napsat komentář