képzelj el egy sárga napfény tengelyét, amely egy ablakon keresztül sugárzik. A kvantumfizika szerint a sugár apró fénycsomagokból, úgynevezett fotonokból áll, amelyek a levegőben áramlanak. De mi is pontosan a foton?
definíció
a foton az elektromágneses sugárzás legkisebb diszkrét mennyisége vagy kvantuma., Ez az összes fény alapegysége.
Fotonok mindig mozgása, vákuum, utazási állandó sebességgel, hogy minden megfigyelő a 2.998 x 108 m/s. Ezt gyakran nevezik a fény sebessége, amelyet a c betű.
Mint egy Einstein a fény kvantumelmélet, a fotonok az energia egyenlő a rezgési frekvencia alkalommal Planck-állandó. Einstein bebizonyította, hogy a fény fotonok áramlása, ezeknek a fotonoknak az energiája az oszcillációs frekvencia magassága, a fény intenzitása pedig a fotonok számának felel meg., Lényegében elmagyarázta, hogy a fotonok áramlása hogyan működhet mind hullámként, mind részecske formájában.
Photon properties
a fotonok alapvető tulajdonságai:
- nulla tömegük és pihenő energiájuk van. Csak mozgó részecskékként léteznek.
- elemi részecskék, annak ellenére, hogy hiányzik a pihenőtömeg.
- nincs elektromos töltésük.
- stabilak.
- ezek spin-1 részecskék, amelyek bozonokká teszik őket.
- a frekvenciától függő energiát és lendületet hordoznak.,
- kölcsönhatásba léphetnek más részecskékkel, például elektronokkal, például a Compton-effektussal.
- számos természetes folyamat elpusztíthatja vagy létrehozhatja őket, például amikor a sugárzás felszívódik vagy kibocsátódik.
- üres térben fénysebességgel közlekednek.
történelem
a fény természete-akár részecskének, akár hullámnak tekintjük-az egyik legnagyobb tudományos vita volt. A filozófusok és tudósok évszázadok óta vitatkoznak az alig egy évszázaddal ezelőtt megoldott kérdésről.,
A hindu filozófia hatodik századi ágának, a Vaisheshika-nak a tanítványai meglepő fizikai intuícióval rendelkeztek a fényről. Az ókori görögökhöz hasonlóan azt hitték, hogy a világ a föld, a levegő, a tűz és a víz “atomjaira” épül. Magát a fényt úgy gondolták, hogy ilyen nagyon gyorsan mozgó atomokból, úgynevezett tejasból készül. Ez figyelemre méltóan hasonlít a modern fényelméletünkhöz és alkotó fotonjaihoz, ezt a kifejezést több ezer évvel később, 1926-ban alkotta meg egy Gilbert Lewis nevű kémikus és egy Fritiof Wolfers nevű optikai fizikus.,
később, I.E. 300 körül az ókori görög fizikus, Euclid hatalmas áttörést ért el, amikor a fényt egyenes vonalakban utazta. Euclid a reflexió törvényeit is leírta, majd egy évszázaddal később Ptolemaiosz kiegészítette a refrakcióról szóló írásokkal. A refrakció törvényeit azonban csak 1021-ben hozták létre hivatalosan a Kitab al-Manazir, vagy az optika könyve, Ibn al-Haytham.
a reneszánsz a fény természetének tudományos vizsgálatának új korszakát vezetné be., Megjegyzés vannak René Descartes behatolást a 1637 esszét az úgynevezett La dioptrique, ahol ő azzal érvelt, hogy a fény készült impulzusok terjednek azonnal, amikor kapcsolatba ‘golyó’ egy közepes. Később a Traité de la lumière 1690-ben megjelent írásában Christiaan Huygens rugalmas közegben összenyomható hullámokként kezelte a fényt, csakúgy, mint a hangnyomáshullámok. Huygens megmutatta, hogyan lehet visszaverődő, refraktált és átvilágított fényhullámokat készíteni, valamint elmagyarázta a kettős fénytörést is.
ekkorra a tudósok két beépített táborra oszlottak., Az egyik oldal úgy gondolta, hogy a fény hullám, míg a másik nézet a fény, mint részecskék vagy test. Az úgynevezett “korpuszkularisták” nagy bajnoka nem más volt, mint Isaac Newton, akit széles körben a legnagyobb tudósnak tartottak. Newton egyáltalán nem szerette a hullámelméletet, mivel ez azt jelentené, hogy a fény túl messzire tud kóborolni az árnyékba.
a 18.század nagy részében a korpuszkuláris elmélet uralta a vitát a fény természete körül., De aztán 1801 májusában Thomas Young bemutatta a világot a most híres kétréses kísérletének, ahol bemutatta a fényhullámok interferenciáját.
a kísérlet első verziójában a Young valójában nem két rést használt, hanem egy vékony kártyát., A fizikus egyszerűen lefedett egy ablakot egy darab papírral, benne egy apró lyukkal, amely vékony fénysugarat tölcsérezett. A kártya a kezében, Young tanúja, hogy a gerenda ketté. A kártya egyik oldalán áthaladó fény zavarja a kártya másik oldaláról érkező fényt, hogy rojtokat hozzon létre, amelyek az ellenkező falon megfigyelhetők. Később Young ezeket az adatokat felhasználta a fény különböző színeinek hullámhosszainak kiszámításához, és rendkívül közel került a modern értékekhez. A demonstráció szilárd bizonyítékot szolgáltat arra, hogy a fény hullám volt, nem részecske.,
eközben Franciaországban ezúttal a corpuscularista mozgalom gőzbe került, miután a legújabb fejlemények a fény polarizációját valamilyen aszimmetriának tulajdonították a fénytestek között. Nagy vereséget szenvedtek Augustin Fresnel kezében, aki 1821-ben kimutatta, hogy a polarizáció megmagyarázható, ha a fény keresztirányú hullám lenne, hosszanti rezgés nélkül. Korábban Fresnel a diffrakció pontos hullámelméletével is előállt.
ekkor már kevés stabil alap volt Newton követői számára a vita folytatásához., Úgy tűnt, hogy a fény egy hullám, és ennyi. A probléma az volt, hogy a legendás éter — az elektromágneses mezők támogatásához és a Fresnel szaporítási törvényeinek bemutatásához szükséges titokzatos médium — hiányzott, annak ellenére, hogy mindenki mindent megtett annak megtalálására. Igazából senki sem tette.
egy hatalmas áttörés jött 1861-ben, amikor James Clerk Maxwell kondenzált kísérleti és elméleti ismeretek a villamos energia és a mágnesesség 20 egyenletek. Maxwell egy “elektromágneses hullámot” jósolt, amely akár vákuumban is képes fenntartani a hagyományos áramok hiányában., Ez azt jelenti, hogy a fény terjedéséhez nincs szükség éterre! Sőt, azt jósolta, hogy ennek a hullámnak a sebessége 310.740.000 m s-1 – ez csak néhány százaléka a fénysebesség pontos értékének.
“úgy tűnik, hogy az eredmények megállapodása azt mutatja, hogy a fény és a mágnesesség ugyanazon anyag érzelmei, a fény pedig elektromágneses zavarok, amelyeket az elektromágneses törvények szerint terjesztenek a mezőn” – írta Maxwell 1865-ben.,
attól a naptól kezdve a fény fogalmát először egyesítették a villamos energia és a mágnesesség fogalmával.
1900.December 14 — én a Max Planck kimutatta, hogy a hő sugárzást diszkrét energiakvantákban bocsátották ki és szívták fel. Később Albert Einstein 1905-ben megmutatta, hogy ez a fényre is vonatkozik. Einstein a Lichtquant kifejezést vagy a fény kvantumát használta. Most, a 20. század hajnalán, a fizika új forradalma ismét a fény természetétől függ. Ezúttal nem arról van szó, hogy a fény krepuszkulus vagy hullám., Akár mindkettő, akár nem.
A fény és fotonok Modern elmélete
Einstein szerint a fény egy részecske (foton), a fotonok áramlása pedig egy hullám. A német fizikus meg volt győződve arról, hogy a fény részecske jellegű, miután felfedezte a fotoelektromos hatást, amelyben az elektronok fénynek kitett fémfelületről repülnek ki. Ha a fény hullám lenne, az nem történhetett volna meg. Egy másik rejtélyes kérdés az, hogy a fotoelektronok hogyan szaporodnak, amikor erős fényt alkalmaznak., Einstein elmagyarázta a fotoelektromos hatást azzal, hogy “maga a fény egy részecske”, amelyért később megkapja a fizikai Nobel-díjat.
Einstein fény kvantumelméletének lényege, hogy a fény energiája az oszcillációs frekvenciájához kapcsolódik. Azt állította, hogy a fotonok energiája megegyezik a “Planck állandó idők oszcillációs frekvenciájával”, és ez a foton energia az oszcillációs frekvencia magassága, míg a fény intenzitása megfelel a fotonok számának., A fény különböző tulajdonságai, amelyek egyfajta elektromágneses hullám, a szabad szemmel láthatatlan, rendkívül kis részecskék viselkedésének köszönhetők.
Einstein azt feltételezte, hogy amikor az anyagon belüli elektronok fotonokkal ütköznek, az előbbi veszi az utóbbi energiáját, és repül ki, és minél nagyobb a becsapódó fotonok oszcillációs frekvenciája, annál nagyobb az elektron energia, amely ki fog repülni. Néhányan közületek van egy működő bizonyítéka ennek az ötletnek a saját otthonában-ez a napelemek!, Röviden, azt mondta, hogy a fény a fotonok áramlása, ezeknek a fotonoknak az energiája az oszcillációs frekvencia magassága, a fény intenzitása pedig a fotonok számához kapcsolódik.
Einstein elméletét úgy tudta bizonyítani, hogy Planck állandóját a fotoelektromos hatásra vonatkozó kísérleteiből származtatta. Számításai alapján a Planck állandó értéke 6,6260755 x 10-34 volt, amit Max Planck 1900-ban szerzett az elektromágneses hullámok kutatásával., Ez egyértelműen a fény tulajdonságai és oszcillációs frekvenciája, mint hullám, valamint a fény tulajdonságai és lendülete, mint részecske közötti bensőséges kapcsolatra mutatott rá. Később, az 1920-as években Erwin Schrödinger osztrák fizikus kidolgozta ezeket az ötleteket a kvantumhullám funkciójának egyenletével, hogy leírja, hogyan néz ki egy hullám.
Több mint száz éve, hogy Einstein megmutatta a fény kettős természetét, az École Polytechnique Fédérale de Lausanne Svájci fizikusai elfogták e kettős viselkedés első pillanatképét., A Fabrizio Carbone vezette csapat 2015-ben okos kísérletet végzett, amelyben lézert használtak a nanovezetékre történő tüzelésre, ami elektronok rezegését okozta. A fény ezen az apró huzalon halad két lehetséges irányban, mint például az autópályán lévő autók. Amikor az ellenkező irányba haladó hullámok találkoznak egymással, új hullámot alkotnak, amely úgy néz ki, mintha a helyén állna. Itt ez az álló hullám lesz a kísérlet fényforrása, amely a nanowire körül sugárzik. A tüzelt egy új elektronsugár kép az álló fényhullám, amely úgy működik, mint egy ujjlenyomat a hullám-a fény természete., Az eredmény az alábbiakban látható.
hogyan néz ki egy foton
Elgondolkozott már azon, hogy milyen alakja van egy fotonnak? A tudósok évtizedek óta foglalkoznak ezzel a kérdéssel, végül 2016-ban a lengyel fizikusok létrehozták az egyetlen könnyű részecske első hologramját. A Varsói Egyetem csapata a hologramot úgy készítette el, hogy egyszerre két fénysugarat lőtt egy kalcit kristályból készült beamsplitterre., A beamsplitter hasonlít egy közlekedési lámpa kereszteződéséhez, így minden foton egyenesen áthaladhat, vagy megfordulhat. Amikor egy foton önmagában van, minden út egyformán valószínű, de ha több foton van benne, kölcsönhatásba lépnek, és az esélyek megváltoznak. Ha ismeri az egyik foton hullámfunkcióját, akkor a detektoron megjelenő villanások helyzetéből meg lehet határozni a második alakját. A kapott kép kissé úgy néz ki, mint egy máltai kereszt, csakúgy, mint a Schrödinger egyenletéből előrejelzett hullámfüggvény.,
tények a fotonokról
- nem csak a fény fotonokból áll, hanem az összes elektromágneses energia (azaz mikrohullámok, rádióhullámok, röntgensugarak) fotonból áll.
- a foton eredeti koncepcióját Albert Einstein fejlesztette ki. Gilbert N. Lewis tudós azonban először a “foton” szót használta annak leírására.,
- az elmélet, amely kimondja, hogy a fény úgy viselkedik, mint egy hullám és egy részecske, a hullám-részecske kettősség elméletének nevezik.
- a fotonok mindig elektromosan semlegesek. Nincs elektromos töltésük.
- a fotonok önmagukban nem bomlanak le.
Vélemény, hozzászólás?