光子とは正確には何ですか？ 定義、プロパティ、ファクト

窓を通って晴れやかな黄色の日光のシャフトを想像してみてください。 量子物理学によると、ビームは、空気を通ってストリーミング、光子と呼ばれる光の小さなパケットの無数で作られています。 しかし、光子とは正確には何ですか？

定義

光子は、電磁放射の最小離散量または量子です。, それはすべての光の基本単位です。

光子は常に運動しており、真空中では2.998x108m/sのすべての観測者に一定の速度で移動します。

アインシュタインの光量子理論によれば、光子は振動周波数とプランク定数に等しいエネルギーを持っています。 アインシュタインは、光が光子の流れであり、これらの光子のエネルギーは振動周波数の高さであり、光の強度は光子の数に対応することを証明した。, 本質的に、彼は光子の流れが波と粒子の両方としてどのように作用するかを説明しました。

光子の特性

光子の基本的な特性は次のとおりです。

• 質量と静止エネルギーがゼロです。 それらは移動する粒子としてのみ存在する。
• それらは静止質量を欠いているにもかかわらず素粒子である。
• 彼らは電荷を持っていません。
• それらは安定しています。
• それらはスピン1粒子であり、それらをボソンにします。
• それらは周波数に依存するエネルギーと運動量を運びます。,

• それらは、コンプトン効果などの電子などの他の粒子と相互作用することができます。
• それらは、例えば放射線が吸収または放出されるときに、多くの自然過程によって破壊または生成され得る。li>
• 空きスペースにいるとき、彼らは光の速度で移動します。

歴史

光の性質—あなたはそれを粒子または波とみなすかどうか—最大の科学的議論の一つでした。 何世紀もの間、哲学者や科学者は、一世紀前にほとんど解決されなかった問題について主張してきました。,

Vaisheshikaと呼ばれるヒンドゥー哲学の六世紀紀元前の枝の弟子たちは、光についての驚くべき物理的な直感を持っていました。 古代ギリシャ人のように、彼らは世界が地球、空気、火、水の”原子”に基づいていたと信じていました。 光そのものは、テハスと呼ばれる非常に動きの速い原子でできていると考えられていました。 それは現代の光とその構成光子の理論に非常に似ています。1926年にギルバート-ルイスという化学者とフリチオフ-ウルファーズという光学物理学者によって数千年後に造語された言葉です。,

その後、紀元前300年頃、古代ギリシャの物理学者ユークリッドは、光が直線で移動すると仮定したときに大きなブレークスルーをしました。 ユークリッドはまた、反射の法則を説明し、一世紀後に、プトレマイオスは屈折についての文章で補完しました。 しかし、1021年までは、屈折の法則がIbn al-Haythamによるkitab al-Manazir、または光学の本に正式に確立されていました。

ルネサンスは、光の性質への科学的探究の新しい時代の到来を告げるでしょう。, 注目すべきは、ルネ-デカルトの1637年のエッセイ”La dioptrique”における侵入であり、光は媒体中の”ボール”に接触すると瞬時に伝播するパルスでできていると主張した。 その後、1690年に出版されたTraité de la lumièreで、Christiaan Huygensは音圧波と同じように、光を弾性媒体中の圧縮性波として扱った。 ホイヘンスは、反射、屈折、およびスクリーニングされた光の波を作る方法を示し、また、複屈折を説明しました。

この時までに、科学者たちは二つの定着したキャンプに分かれていました。, 一方の側は光が波であると信じていましたが、もう一方の見方は光を粒子または小体として信じていました。 いわゆる”小体論者”の偉大なチャンピオンは、これまでにない偉大な科学者として広く信じられているアイザック-ニュートンに他なりませんでした。 それは光が影の中にあまりにも遠くに迷うことができることを意味するので、ニュートンは波動理論のすべてが好きではなかった。

18世紀の多くの間、粒子理論は光の性質に関する議論を支配しました。, しかし、その後、月1801年に、トーマス*ヤングは、彼が光波の干渉を実証した彼の今有名な二スリット実験に世界を導入しました。

実験の最初のバージョンでは、ヤングは実際に二つのスリットではなく、単一の薄いカードを使用しました。, 物理学者は、単に薄い光線を漏斗状にするのに役立つ小さな穴を持つ紙で窓を覆っただけでした。 彼の手にカードで、ヤングはビームが二つに分割する方法を目撃しました。 カードの片側を通過する光は、反対側の壁に観察することができる縞を作成するために、カードの反対側からの光と干渉しました。 その後、ヤングはこのデータを使用してさまざまな色の光の波長を計算し、現代の値に非常に近いものになりました。 の実証を強く示唆するものは確認される光の波ではなく、粒子”を使っています。,

一方、フランスでは、最近の発展が光の偏光を光小体間のある種の非対称性に起因した後、小体運動は蒸気を得ていました。 彼らは1821年に光が縦振動のない横波であった場合、偏光を説明することができることを示したオーギュスタンフレネルの手で大きな敗北を被った。 以前は、フレネルはまた、回折の正確な波動理論を思い付いた。

この時点までに、ニュートンの信者が議論を続けるための安定した基盤はほとんどありませんでした。, それは光が波であるように見え、それはそれです。 問題は、電磁場をサポートし、フレネルの伝播の法則をもたらすために必要な神秘的な媒体である伝説的なオードが、それを見つけるためのみんなの最善の努力にもかかわらず欠けていたことでした。 誰もやったことはありませんでした。

巨大なブレークスルーは1861年にJames Clerk Maxwellが電気と磁気に関する実験的および理論的な知識を20の方程式で凝縮したときに来ました。 マクスウェルは、従来の電流がない場合でも、真空中でも自己維持できる”電磁波”を予測しました。, これは、光が伝播するためにオードを必要としないことを意味します！ さらに、彼はこの波の速度を310,740,000m s−1と予測しました—それは光の速度の正確な値のわずか数パーセントです。

“結果の一致は、光と磁気が同じ物質の愛情であり、光は電磁法に従ってフィールドを伝播する電磁妨害であることを示しているようです”と1865年にマクスウェルは書いた。,

その日から、光の概念は電気と磁気の概念と初めて統一されました。

14December1900で、マックス—プランクは、熱放射がエネルギー量子の離散パケットに放出され、吸収されることを実証した。 その後、アルバート-アインシュタインした1905年にここにも適用しようとするものである。 アインシュタインは、lichtquant、または光の量子という用語を使用しました。 さて、20世紀の夜明けに、物理学の新しい革命は再び光の性質に依存するでしょう。 今回は、光が透明か波かについてではありません。, それはそれが両方であるかどうかです。

光と光子の現代理論

アインシュタインは、光は粒子（光子）であり、光子の流れは波であると信じていました。 ドイツの物理学者は、光が光にさらされた金属表面から電子が飛び出す光電効果の発見に続いて、光が粒子の性質を持っていると確信していました。 光が波だったら、それは起こらなかったでしょう。 もう一つの不可解な問題は、強い光が印加されたときに光電子がどのように増殖するかです。, アインシュタインは光電効果を”光そのものは粒子である”と説明し、後にノーベル物理学賞を受賞した。

アインシュタインの光量子理論の主なポイントは、光のエネルギーがその振動周波数に関連しているということです。 彼は、光子のエネルギーは”プランクの定数倍振動周波数”に等しく、この光子エネルギーは振動周波数の高さであり、光の強度は光子の数に対応すると主張した。, 電磁波の一種である光の様々な性質は、肉眼では見えない光子と呼ばれる極めて小さな粒子の挙動によるものです。

アインシュタインは、物質内の電子が光子と衝突すると、前者は後者のエネルギーを取り出して飛び出し、打つ光子の振動周波数が高いほど飛び出す電子エネルギーが大きくなると推測した。 あなたのうちのいくつかはあなた自身の家でこの考えの働く証拠を有する—それは太陽電池パネルである!, 要するに、彼は光が光子の流れであり、これらの光子のエネルギーはそれらの振動周波数の高さであり、光の強度は光子の数に関連していると言って

アインシュタインは、光電効果に関する彼の実験からプランク定数を導出することによって、彼の理論を証明することができました。 彼の計算は、6.6260755×10-34のプランクの定数値を正確にマックスプランク1900年に電磁波に関する彼の研究を通じて得られたものであるレンダリング。, 明らかに、これは波としての光の特性と振動周波数と粒子としての光の特性と運動量との間の親密な関係を指していました。 その後、1920年代にオーストリアの物理学者エルヴィン-シュレーディンガーは、波がどのように見えるかを記述するために量子波動関数の方程式を用いてこれらのアイデアについて詳しく述べた。

アインシュタインが光の二重の性質を示してから百年以上、エコール-ポリテクニーク-フェデラール-ド-ローザンヌのスイスの物理学者は、この二重の振る舞いの初めてのスナップショットをキャプチャしました。, Fabrizio Carbone率いるチームは、2015年にレーザーを使用してナノワイヤーに発射し、電子を振動させる巧妙な実験を行いました。 光は、高速道路の車のように、二つの可能な方向にこの小さなワイヤに沿って移動します。 反対方向に移動する波が互いに会うとき、それらはそれが所定の位置に立っているように見える新しい波を形成する。 ここでは、この定在波が実験の光源となり、ナノワイヤーの周りを放射します。 光の波の性質の指紋として機能する光の定在波をイメージするために新しい電子ビームを発射しました。, その結果は以下の通りです。

光子はどのように見えるか

光子はどのような形をしているのか疑問に思ったことはありますか？ 科学者たちは何十年もこの質問を熟考しており、最終的には2016年にポーランドの物理学者が単一の光粒子の初めてのホログラムを作成しました。 ワルシャワ大学のチームは、方解石結晶で作られたビームスプリッターで二つの光ビームを同時に発射することによってホログラムを作った。, ビームスプリッターは信号交差点に似ているので、各光子はまっすぐに通過するか、またはターンを行うことができます。 光子が単独である場合、各経路は等しく可能性がありますが、より多くの光子が関与する場合、それらは相互作用し、オッズが変化します。 あなたは光子のいずれかの波動関数を知っていれば、それは検出器に現れるフラッシュの位置から第二の形状を把握することが可能です。 結果の画像は、Schrödingerの方程式から予測された波動関数と同じように、マルタ十字のように少し見えます。,

光子に関する事実

• 光は光子でできているだけでなく、すべての電磁エネルギー（マイクロ波、電波、X線）は光子でできています。
• 光子のオリジナルの概念はAlbert Einsteinによって開発されました。 しかし、それを記述するために”光子”という言葉を最初に使用したのは科学者Gilbert N.Lewisでした。,
• 光が波と粒子の両方のように振る舞うという理論は、波-粒子双対性理論と呼ばれています。
• 光子は常に電気的に中性です。 彼らは電荷を持っていません。
• 光子はそれ自体では減衰しません。