Kuvittele, että ikkunan läpi säteilee keltaisen auringonvalon akseli. Mukaan kvanttifysiikan, että palkki on valmistettu zillions paketit valoa, kutsutaan fotonit, streaming kautta ilmaa. Mutta mikä on fotoni?

Fotonit ovat juttuja valo on tehty. Luotto: JFC.

Määritelmä

fotoni on pienin diskreetti määrä tai kvantti sähkömagneettisen säteilyn., Se on kaiken valon perusyksikkö.

Fotonit ovat aina liikkeessä, ja tyhjiö, matkustaa tasaisella nopeudella, jotta kaikki tarkkailijat 2.998 x 108 m/s. Tämä on yleisesti kutsutaan valon nopeus, merkitään kirjaimella c.

kohti Einsteinin valon kvanttiteoria, fotonit ovat energiaa yhtä niiden värähtelytaajuus kertaa Planckin vakio. Einstein osoitti, että valo on virtaus fotonit, energia nämä fotonit on korkeus niiden värähtelyn taajuus ja intensiteetti valo vastaa määrää fotonit., Pohjimmiltaan hän selitti, miten fotonien virta voi toimia sekä aaltona että hiukkasena.

Photon ominaisuudet

perusominaisuudet fotonit ovat:

  • Heillä on nolla massa ja loput energia. Ne ovat olemassa vain liikkuvina hiukkasina.
  • ne ovat alkeishiukkasia lepomassan puuttumisesta huolimatta.
  • niillä ei ole sähkövarausta.
  • niiden tila on vakaa.
  • ne ovat spin-1-hiukkasia, jotka tekevät niistä bosoneja.
  • niissä on energiaa ja vauhtia, jotka riippuvat taajuudesta.,
  • Niillä voi olla yhteisvaikutuksia muiden hiukkasia, kuten elektroneja, kuten Compton vaikutus.
  • ne voidaan tuhota tai luoda monilla luonnollisilla prosesseilla, esimerkiksi silloin, kun säteily absorboituu tai emittoituu.
  • tyhjässä tilassa ollessaan he kulkevat valon nopeudella.

Historia

valon luonne — onko sinulla osin kuin hiukkanen tai aalto — oli yksi suurimmista tieteellisistä keskusteluista. Filosofit ja tiedemiehet ovat vuosisatojen ajan väitelleet asiasta, joka tuskin ratkesi sata vuotta sitten.,

opetuslapset kuudes luvulla EAA haara Hindu filosofiaa kutsutaan Vaisheshika oli yllättävä fyysinen intuitio valosta. Antiikin kreikkalaisten tavoin he uskoivat, että maailma perustui maan, ilman, tulen ja veden ”atomeihin”. Itse valon ajateltiin olevan tehty tällaisista hyvin nopeasti etenevistä atomeista, joita kutsutaan tejasiksi. Se on hämmästyttävän samankaltaisia moderni teorian valossa ja sen säveltäminen fotonit, termi, tuhansia vuosia myöhemmin, vuonna 1926, jonka kemisti nimeltä Gilbert Lewis ja optinen fyysikko nimeltään Frithiof Wolfers.,

Myöhemmin, noin vuonna 300 EKR, antiikin kreikan fyysikko Eukleides teki läpimurron, kun hän oletti, valo matkusti suoria viivoja. Eukleides kuvasi myös pohdinnan lakeja ja vuosisata myöhemmin Ptolemaios täydensi taittumista koskevia kirjoituksia. Vasta vuonna 1021 taittumisen lait kuitenkin vakiintuivat virallisesti ibn al-Haithamin seminaaliteokseen Kitab al-Manazir eli Optiikan kirja.

renessanssi käynnistäisi uuden ajan tieteellisen tutkimuksen valon luonteesta., Huom ovat René Descartes’ hyökkäykset vuonna 1637 essee nimeltään La dioptrique, jossa hän väitti, että valo on valmistettu pulsseja, jotka leviävät välittömästi, kun otat yhteyttä ”balls” keskipitkällä. Myöhemmin kirjallisesti Traité de la lumière julkaistiin vuonna 1690, Christiaan Huygens käsitelty kevyt kuin puristettavissa aaltojen kimmoinen väliaine, kuten äänen paine aaltoja. Huygens osoitti, miten voidaan tehdä heijastuneita, taittuneita ja seulottuja valon aaltoja ja selitti myös kaksinkertaista taittumista.

tähän mennessä tutkijat olivat jakautuneet kahteen linnoitettuun leiriin., Toinen puoli uskoi, että valo on aalto, kun taas toinen näkemys oli, valoa hiukkasina tai verisoluja. Suuri mestari ns. corpuscularists’ ei ollut kukaan muu kuin Isaac Newton, yleisesti uskotaan, suurin tiedemies koskaan. Newton ei pitänyt lainkaan aaltoteoriasta, koska se tarkoittaisi, että valo voisi harhautua liian kauas varjoon.

paljon 18th century, solususpension teoria hallitsi keskustelua ympäri luonteen valossa., Mutta sitten, Toukokuussa 1801, Thomas Young esitteli maailmalle hänen nyt kuuluisa kahden raon kokeen, jossa hän osoitti häiriöitä valon aaltoja.

Nuori on viilto kokeilu osoittaa, miten kukin rako toimii lähteenä pallomainen aaltoja, jotka ”häiritsevät”, koska ne liikkuvat vasemmalta oikealle, kuten edellä on osoitettu. Luotto: Louisvillen yliopiston fysiikan laitos.

ensimmäinen versio kokeen, Nuori itse en käytä kaksi rakoja, vaan yksi ohut kortti., Fyysikko yksinkertaisesti peitti ikkunan paperinpalalla, jossa oli pieni reikä, joka suppiloi ohuen valonsäteen. Kortti kädessään Young todisti, miten säde jakautui kahtia. Valo kulkee toisella puolella kortin häiritsi valon toisella puolella kortti luoda hapsut, jotka voidaan havaita vastakkaisella seinällä. Myöhemmin Young käytti tätä dataa laskiessaan valon eri värien aallonpituuksia ja tuli huomattavan lähelle nykyaikaisia arvoja. Mielenosoitus antaisi vankan todisteen siitä, että valo oli aalto, ei hiukkanen.,

Samaan aikaan, tällä kertaa Ranskassa, corpuscularist liike oli saamassa höyry jälkeen viimeaikainen kehitys johtuu polarisaatio valo jonkinlainen epäsymmetria joukossa valoa verisoluja. He kärsivät suuren tappion käsi Augustin Fresnel jotka vuonna 1821 osoitti, että polarisaatio voidaan selittää, Jos valo oli poikittainen Aalto ilman pitkittäistä tärinää. Aiemmin Fresnel keksi myös tarkan aaltoteorian diffraktiosta.

tässä vaiheessa Newtonin seuraajilla ei ollut juurikaan vakaata pohjaa jatkaa väittelyä., Tuntui, että valo on aalto ja se siitä. Ongelmana oli, että tarujen aether — salaperäinen aine, jota tarvitaan tukemaan sähkömagneettiset kentät ja tuotto Fresnel lakeja eteneminen — oli kadonnut, vaikka kaikki parhaansa löytää se. Itse asiassa kukaan ei tehnyt niin.

valtava läpimurto tapahtui vuonna 1861, kun James Clerk Maxwell tiivistetty kokeellinen ja teoreettinen tietämys sähkö-ja magnetism 20 yhtälöt. Maxwell ennusti ”sähkömagneettisen aallon”, joka voi ylläpitää itseään tyhjiössäkin tavanomaisten virtausten puuttuessa., Tämä tarkoittaa, että valolta ei vaadita eetteriä lisääntymään! Lisäksi hän ennusti, nopeus tämä aalto voidaan 310,740,000 m s−1 — se on vain muutama prosentti tarkka arvo valon nopeus.

”sopimus tulokset näyttää siltä, että kevyt ja magnetismi ovat tunteet saman aineen, ja valo on sähkömagneettinen häiriö levittävät läpi kentän mukaan sähkömagneettinen lakeja”, kirjoitti Maxwell vuonna 1865.,

tuosta päivästä eteenpäin valon käsite yhdistettiin ensimmäistä kertaa sähkön ja magnetismin käsitteeseen.

14.joulukuuta 1900 Max Planck osoitti, että lämpösäteilyä pääsi ja imeytyi erillisiin energia — quanta-pakkauksiin. Myöhemmin Albert Einstein osoitti vuonna 1905, että tämä koski myös valoa. Einstein käytti termiä Lichtquant eli valon kvantti. Nyt 1900-luvun alussa fysiikan uusi vallankumous riippuisi jälleen valon luonteesta. Tällä kertaa kyse ei ole siitä, onko valo crepuscule vai Aalto., On kyse sitten molemmista tai ei.

Moderni teorian valossa ja fotonit

Einstein uskoi valo on hiukkanen (fotoni) ja virtaus fotonit on aalto. Saksalainen fyysikko oli vakuuttunut, että valo oli hiukkanen luonto seuraavat hänen löytö valosähköinen ilmiö, jossa elektronit lentää pois metalli pinta altistetaan valolle. Jos valo olisi aalto, sitä ei olisi voinut tapahtua. Toinen hämmentävä asia on se, miten fotoelektronit lisääntyvät, kun käytetään voimakasta valoa., Einstein selitti valosähköistä vaikutusta sanomalla, että” valo itsessään on hiukkanen”, josta hän myöhemmin saisi Nobelin fysiikanpalkinnon.

Einsteinin valon kvanttiteorian päätepiste on, että valon energia liittyy sen värähtelytaajuuteen. Hän väitti, että fotonit ovat energiaa yhtä ”Planckin vakio kertaa värähtelytaajuus”, ja tämä fotonin energia on korkeus värähtelyn taajuus, kun valon voimakkuus vastaa määrää fotonit., Eri ominaisuuksia valon, joka on eräänlainen sähkömagneettinen aalto, johtuvat käyttäytymistä erittäin pieniä hiukkasia kutsutaan fotonit, jotka ovat näkymättömiä paljaalla silmällä.

Einstein arveltu, että kun elektronit sisällä väliä törmää fotonit, entinen kestää jälkimmäinen on energiaa ja lentää ulos ja että korkeampi värähtelytaajuus fotonit, että lakko, sitä suurempi elektronin energiaa, joka tulee lentävät ulos. Jotkut teistä ovat toimiva todiste tästä ideasta omassa kodissaan-se on aurinkopaneelit!, Lyhyesti sanottuna, hän sanoi, että valo on virtaus fotonit, energia nämä fotonit on korkeus niiden värähtelytaajuus, ja valon intensiteetti on verrannollinen määrä fotoneja.

Einstein pystyi todistamaan teoriansa derivoimalla Planckin vakion fotosähköisen vaikutuksen kokeistaan. Hänen laskelmat suoritettu Planckin vakion arvo 6.6260755 x 10-34, joka on juuri sitä, mitä Max Planck saatu vuonna 1900 läpi hänen tutkimus sähkömagneettisia aaltoja., Yksiselitteisesti tämä osoitti intiimi suhde ominaisuuksia ja värähtelyn taajuus kevyt kuin aalto ja ominaisuuksia ja vauhtia valoa hiukkanen. Myöhemmin, 1920-luvulla, Itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger kehitteli näitä ajatuksia hänen yhtälö kvanttimekaaninen aaltofunktio kuvaamaan, miltä aalto näyttää.

yli sata vuotta koska Einstein osoitti, kaksinkertainen luonne valoa, Sveitsiläinen fyysikko École Polytechnique Fédérale de Lausanne kiinni ensimmäinen-koskaan tilannekuvan tämä dual käyttäytymistä., Joukkue johti Fabrizio Carbonen suoritetaan fiksu kokeilu vuonna 2015, joka on laser käytettiin tulta päälle nanowire, jolloin elektronit värähtelemään. Valo kulkee tätä pientä vaijeria pitkin kahteen mahdolliseen suuntaan, kuten autot moottoritiellä. Kun vastakkaisiin suuntiin kulkevat aallot kohtaavat toisensa, ne muodostavat uuden aallon, joka näyttää seisovan paikallaan. Tässä tästä seisovasta aallosta tulee kokeen valonlähde, joka säteilee nanoalueen ympärillä. Potkut uusi palkki elektroneja kuva seisovan aallon valoa, joka toimii kuin sormenjälki aallon luonteen valossa., Tulos on nähtävissä alla.

ensimmäinen valokuva valo sekä hiukkanen ja aalto. Luotto: EPFL.

Mitä fotoni näyttää siltä,

oletko koskaan miettinyt, mitä muoto ei fotoni on? Tutkijat ovat pohtineet tätä kysymystä vuosikymmeniä, ja lopulta vuonna 2016 puolalaiset fyysikot loivat ensimmäisen yksittäisen valohiukkasen hologrammin. Joukkue University of Varsova tehty hologrammi ampumalla kaksi valon palkit klo beamsplitter, tehty kalsiitti kristalli, samaan aikaan., Beamsplitteri muistuttaa liikennevalojen risteystä, joten jokainen fotoni voi joko kulkea suoraan läpi tai tehdä käännöksen. Kun fotoni on omillaan, jokainen polku on yhtä todennäköinen, mutta kun mukana on useampia fotoneja, ne vuorovaikuttavat ja kertoimet muuttuvat. Jos tiedät, aalto-toiminto, yksi fotonit, se on mahdollista selvittää, muoto toisessa päässä kannat vilkkuu näkymisen ilmaisin. Tuloksena oleva kuva näyttää hieman Maltan ristiltä, aivan kuten Schrödingerin yhtälöstä ennustettu aaltofunktio.,

Hologrammi yhden fotonin uudelleen raaka-mittaukset nähdään vasemmalla puolella vs. teoreettisesti ennustettu, fotoni muoto oikealla puolella. Luotto: FUW

Faktoja fotonit

  • Ei vain on valo koostuu fotoneista, mutta kaikki sähkömagneettista energiaa (eli mikroaallot, radioaallot, röntgensäteet) koostuu fotoneista.
  • fotonin alkuperäisen käsitteen kehitti Albert Einstein. Se oli kuitenkin tiedemies Gilbert N. Lewis, joka käytti ensin sanaa ”fotoni” kuvaamaan sitä.,
  • teoriaa, jonka mukaan valo käyttäytyy sekä Aallon että hiukkasen tavoin, kutsutaan Aalto-hiukkasen duaalisuusteoriaksi.
  • fotonit ovat aina sähköisesti neutraaleja. Heillä ei ole sähkövarausta.
  • fotonit eivät hajoa itsestään.