Forestil dig en aksel med gult sollys, der stråler gennem et vindue. Ifølge kvantefysik er denne stråle lavet af tinyillioner af små lyspakker, kaldet fotoner, der strømmer gennem luften. Men hvad er en foton nøjagtigt?

fotoner er de ting, der er lavet af. Kredit: JFC.

Definition

En foton er den mindste diskrete beløb eller quantum af elektromagnetisk stråling., Det er den grundlæggende enhed for alt lys.

Fotoner er altid i bevægelse, og, i et vakuum, rejser med en konstant hastighed, at alle observatører af 2.998 x 108 m/s. Dette omtales normalt som lysets hastighed, betegnet med bogstavet c.

Som per Einsteins lys quantum teori, fotoner har energi svarende til deres oscillationsfrekvens gange Planck ‘ s konstant. Einstein viste, at lys er en strøm af fotoner, energien af disse fotoner er højden af deres svingningsfrekvens, og lysets intensitet svarer til antallet af fotoner., I det væsentlige forklarede han, hvordan en strøm af fotoner kan fungere både som en bølge og partikel.

Foton egenskaber

De grundlæggende egenskaber af fotoner er:

  • De har nul masse og resten energi. De findes kun som bevægelige partikler.
  • de er elementære partikler på trods af manglende hvilemasse.
  • de har ingen elektrisk ladning.
  • de er stabile.
  • de er spin-1 partikler, hvilket gør dem bosoner.
  • de bærer energi og momentum, som er afhængige af frekvensen.,
  • de kan have interaktioner med andre partikler, såsom elektroner, såsom Compton-effekten.
  • de kan ødelægges eller skabes af mange naturlige processer, for eksempel når stråling absorberes eller udsendes.
  • når de er i tomt rum, rejser de med lysets hastighed.

historie

lysets natur — uanset om du betragter det som en partikel eller en bølge — var en af de største videnskabelige debatter. I århundreder har filosoffer og forskere argumenteret for det spørgsmål, der næppe blev løst for et århundrede siden.,Disciplene fra en sjette århundrede f.kr. gren af hinduistisk filosofi kaldet Vaisheshika havde en overraskende fysisk intuition om lys. Ligesom de gamle grækere plejede de at tro, at verden var baseret på’ atomer ‘ af jord, luft, ild og vand. Lys selv blev anset for at være lavet af sådanne meget hurtigt bevægende atomer kaldet tejas. Det er bemærkelsesværdigt lig vore moderne teori om lys og komponere fotoner, et begreb opfundet for tusinder af år senere, i 1926 af en kemiker ved navn Gilbert Lewis og en optisk fysiker kaldet Frithiof Wolfers.,

senere, omkring 300 F.kr., gjorde den antikke græske fysiker Euclid et stort gennembrud, da han stillede lys rejste i lige linjer. Euclid også beskrevet love refleksion og et århundrede senere, Ptolemæus suppleret med skrifter om brydning. Det var først i 1021, dog, at lovene i refraktion blev formelt etableret i skelsættende arbejde Kitab al-Mana .ir, eller Book of Optics, af Ibn al-Haytham.

renæssancen ville indlede en ny tidsalder med videnskabelig undersøgelse af lysets natur., Af note er Ren.Descartes’ indtrængen i et 1637 essay kaldet La dioptri .ue, hvor han hævdede, at lys er lavet af impulser, der udbreder øjeblikkeligt, når man kontakter ‘bolde’ i et medium. Senere skriver i Traité de la lumière, der er offentliggjort i 1690, Christiaan Huygens behandlet lys som komprimerbar bølger i en elastisk medium, ligesom lydtryk bølger. Huygens viste, hvordan man kan gøre reflekteret, brydes, og screenet bølger af lys og også forklaret dobbelt refraktion.

på dette tidspunkt havde forskere opdelt i to forankrede lejre., Den ene side mente, at lyset var en bølge, mens den anden opfattelse var af lys som partikler eller blodlegemer. Den store mester for de såkaldte ‘corpuscularists’ var ingen ringere end Isaac ne .ton, bredt antaget som den største videnskabsmand nogensinde. Ne .ton var slet ikke glad for bølgeteorien, da det ville betyde, at lys ville være i stand til at strejfe for langt ind i skyggen.

i store dele af det 18.århundrede dominerede korpuskulær teori debatten om lysets natur., Men så, i Maj 1801, Thomas Young introducerede verden til hans nu berømte to-slids eksperiment, hvor han demonstrerede indblanding af lysbølger.

Youngs spalteeksperiment viser, hvordan hver spalte fungerer som en kilde til sfæriske bølger, som “forstyrrer”, når de bevæger sig fra venstre mod højre som vist ovenfor. Kredit: University of Louisville Institut for Fysik.

i den første version af eksperimentet brugte Young faktisk ikke to spalter, men snarere et enkelt tyndt kort., Fysikeren dækkede simpelthen et vindue med et stykke papir med et lille hul i det, der tjente til at tragt en tynd lysstråle. Med kortet i hånden var Young vidne til, hvordan strålen splittede sig i to. Lys passerer på den ene side af kortet forstyrrede lys fra den anden side af kortet for at skabe frynser, som kunne observeres på den modsatte væg. Senere brugte Young disse data til at beregne bølgelængderne i forskellige lysfarver og kom bemærkelsesværdigt tæt på moderne værdier. Demonstrationen ville give solide beviser for, at lys var en bølge, ikke en partikel.,

i mellemtiden, denne gang i Frankrig, fik den korpuskularistiske bevægelse damp, efter at den seneste udvikling tilskrev polariseringen af lys til en slags asymmetri blandt lyskorpusklerne. De har lidt et stort Nederlag ved hånden af Augustin Fresnel der i 1821 viste, at polarisering kunne forklares, hvis lyset var en tværgående bølge uden langsgående vibrationer. Tidligere kom Fresnel også med en præcis bølgeteori om diffraktion.

på dette tidspunkt var der lidt stabil grund for Ne .tons tilhængere til at fortsætte debatten., Det syntes lys er en bølge, og det er det. Problemet var, at den sagnomspundne aether — den mystiske medium kræves for at støtte elektromagnetiske felter og give Fresnel ‘ s love for formering-manglede trods alles bedste bestræbelser på at finde det. Det har ingen nogensinde gjort.

Et enormt gennembrud kom i 1861, hvor James Clerk Maxwell condensed eksperimentel og teoretisk viden om elektricitet og magnetisme i 20 ligninger. Ma..ell forudsagde en ‘elektromagnetisk bølge’, som selv kan opretholde, selv i et vakuum, i fravær af konventionelle strømme., Det betyder ingen æter er nødvendig for lys at udbrede! Desuden forudsagde han, at denne bølges hastighed var 310.740.000 m s-1-Det er kun få procent af den nøjagtige værdi af lysets hastighed.

“Den aftale, af de resultater, der synes at vise, at lys og magnetisme er kærlighed af samme stof, og lys er en elektromagnetisk forstyrrelse opformeret gennem feltet i henhold til elektromagnetiske love”, skrev Maxwell i 1865.,

fra den Dag frem blev begrebet lys forenet med elektricitet og magnetisme for første gang.

den 14.December 1900 demonstrerede Ma. Planck, at varmestråling blev udsendt og absorberet i diskrete pakker med energikvanter. Senere viste Albert Einstein i 1905, at dette også gjaldt for lys. Einstein brugte udtrykket Licht .uant eller quantumuantum of light. Nu, i begyndelsen af det 20.århundrede, ville en ny revolution i fysik igen afhænge af lysets natur. Denne gang handler det ikke om, hvorvidt lys er en crepuscule eller bølge., Det er om det er begge dele eller ej.

moderne teori om lys og fotoner

Einstein mente, at lys er en partikel (foton), og strømmen af fotoner er en bølge. Den tyske fysiker var overbevist om, at lys havde en partikel natur efter hans opdagelse af den fotoelektriske effekt, hvor elektroner flyver ud af en metaloverflade udsat for lys. Hvis lyset var en bølge, kunne det ikke være sket. En anden forvirrende sag er, hvordan fotoelektroner formere sig, når stærkt lys påføres., Einstein forklarede den fotoelektriske effekt ved at sige, at “lyset i sig selv er en partikel”, som han senere ville modtage Nobelprisen i fysik.

det vigtigste punkt i Einsteins lyskvanteteori er, at lysets energi er relateret til dets svingningsfrekvens. Han fastholdt, at fotoner har energi svarende til “Plancks konstante gange svingningsfrekvens”, og denne fotonenergi er højden af svingningsfrekvensen, mens lysets intensitet svarer til antallet af fotoner., De forskellige egenskaber ved lys, som er en type elektromagnetisk bølge, skyldes opførelsen af ekstremt små partikler kaldet fotoner, der er usynlige for det blotte øje.Einstein spekulerede i, at når elektroner inden for stof kolliderer med fotoner, tager førstnævnte sidstnævntes energi og flyver ud, og at jo højere svingningsfrekvensen for de fotoner, der rammer, jo større er elektronenergien, der kommer flyvende ud. Nogle af jer har et fungerende bevis på denne ID!i jeres helt eget hjem — det er solpanelerne!, Kort sagt sagde han, at lys er en strøm af fotoner, energien i disse fotoner er højden på deres svingningsfrekvens, og lysets intensitet er relateret til antallet af fotoner.Einstein var i stand til at bevise sin teori ved at udlede Plancks konstant fra sine eksperimenter på den fotoelektriske effekt. Hans beregninger gjort en Planck ‘ s konstant værdi på 6.6260755 10 10-34, hvilket er præcis, hvad Ma.Planck opnået i 1900 gennem hans forskning i elektromagnetiske bølger., Utvetydigt pegede dette på et intimt forhold mellem egenskaberne og svingningsfrekvensen af lys som en bølge og lysets egenskaber og momentum som en partikel. Senere i 1920 ‘ erne uddybede den østrigske fysiker er .in Schr .dinger disse ideer med sin ligning for kvantebølgefunktionen for at beskrive, hvordan en bølge ser ud.

Mere end hundrede år siden, Einstein viste den dobbelte natur af lys, Schweiziske fysikere ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne taget det første billede af denne dobbelte adfærd., Holdet ledet af fabri .io Carbone udførte et smart eksperiment i 2015, hvor en laser blev brugt til at skyde på en nanotråd, hvilket fik elektroner til at vibrere. Lys bevæger sig langs denne lille ledning i to mulige retninger, som biler på en motorvej. Når bølger, der rejser i modsatte retninger, møder hinanden, danner de en ny bølge, der ser ud som om den står på plads. Her bliver denne stående bølge lyskilden til eksperimentet, der udstråler omkring nanotråden. De fyrede en ny stråle af elektroner for at forestille sig den stående bølge af lys, der fungerer som et fingeraftryk af lysets bølge-natur., Resultatet kan ses nedenfor.

den første nogensinde fotografi af lys som både en partikel og bølge. Kredit: EPFL.

hvordan en foton ser ud

Har du nogensinde spekuleret på, hvilken form har en foton? Forskere har overvejet dette spørgsmål i årtier, og endelig skabte polske fysikere i 2016 det første hologram nogensinde af en enkelt lyspartikel. Holdet ved Universitetet i .ars .a .a lavede hologrammet ved at skyde to lysstråler på en bjælkeplitter, lavet af kalcitkrystal, på samme tid., Beamsplitter er beslægtet med et trafiklys kryds, så hver foton kan enten passere lige igennem eller gøre en tur. Når en foton er alene, er hver sti lige så sandsynlig, men når flere fotoner er involveret, interagerer de, og oddsene ændres. Hvis du kender bølgefunktionen for en af fotonerne, er det muligt at finde ud af formen på den anden fra positionerne af blink, der vises på en detektor. Det resulterende billede ligner lidt et maltesisk kors, ligesom bølgefunktionen forudsagt fra Schr .dingers ligning.,

Hologram af en enkelt foton rekonstrueret fra rå målinger ses i venstre side, i forhold til de teoretisk forudsagt foton form på højre side. Kredit: FUW

Fakta om fotoner

  • Ikke kun er lys består af fotoner, men alle elektromagnetisk energi (dvs mikrobølger, radiobølger, røntgenstråler) består af fotoner.
  • det oprindelige koncept for fotonen blev udviklet af Albert Einstein. Det var imidlertid videnskabsmand Gilbert N. Le .is, der først brugte ordet “foton” til at beskrive det.,
  • teorien, der siger, at lys opfører sig både som en bølge og en partikel kaldes bølge-partikel dualitet teori.
  • fotoner er altid elektrisk neutrale. De har ingen elektrisk ladning.
  • fotoner forfalder ikke alene.